Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications（伝熱と物質移動：基礎と応用）

引用

Çengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (2020). Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications (6th ed.). McGraw-Hill Education.

章の要約

第6版は17章を挙げている。印刷版の14章に、3つのオンライン章（電子機器の冷却、建物の暖房と冷房、食品の冷凍と冷蔵）、さらに物性表と線図の付録が加わる。出版社は、本書を、伝熱の基本原理の完全な網羅と、柔軟な形式での広い範囲の応用を組み合わせたものと説明している。物理とその背後にある物理現象を強調して実際的な理解を目指し、標準的な主題を現実の日常的な応用とともに扱い、数学的側面は控えめにして、学生の直観を生かすようにしている。カタログは章題を挙げているが節のリストはないので、以下の各項目は題名が指す内容を述べる。

第1章：序論と基本概念（Introduction and Basic Concepts）

冒頭の章で、後の章が拠って立つ基本概念を示す。

第2〜5章：熱伝導方程式、定常熱伝導、非定常熱伝導、熱伝導の数値解法（Heat Conduction Equation; Steady Heat Conduction; Transient Heat Conduction; Numerical Methods in Heat Conduction）

熱伝導を扱う4つの章。熱伝導方程式に始まり、定常伝導、非定常伝導が続き、最後に数値解法が独立した章として置かれている。

第6〜9章：対流の基礎、外部強制対流、内部強制対流、自然対流（Fundamentals of Convection; External Forced Convection; Internal Forced Convection; Natural Convection）

対流を扱う4つの章。まず基礎、次に外表面まわりの強制対流、内部流れの強制対流、最後に自然対流である。

第10〜11章：沸騰と凝縮、熱交換器（Boiling and Condensation; Heat Exchangers）

相変化を伴う伝熱と熱交換器の解析で、前の熱伝導と対流の内容の応用である。

第12〜13章：熱放射の基礎、放射伝熱（Fundamentals of Thermal Radiation; Radiation Heat Transfer）

放射を扱う2つの章。基礎に続いて放射伝熱を扱う。

第14章：物質移動（Mass Transfer）

印刷版の最後の章は、書名で伝熱と並べられている物質移動を扱う。

第15〜17章：電子機器の冷却、建物の暖房と冷房、食品の冷凍と冷蔵（オンライン章）（Cooling of Electronic Equipment; Heating and Cooling of Buildings; Refrigeration and Freezing of Foods）

第6版では印刷版ではなくオンラインで提供される3つの応用の章。電子機器の冷却、建物、食品の冷凍と冷蔵である。

主要概念

以下の説明は、章題が挙げている主題の一般的な定義である。

第1〜5章：熱伝導

• 熱伝導方程式：固体の温度を支配する方程式で、定常解も非定常解もここから導かれる。
• 非定常伝導：周囲の条件が変わった後、物体の温度が時間とともにどう変わるか。
• 熱伝導の数値解法：閉じた形では解きにくい伝導の問題を、差分法などで数値的に解くこと。

第6〜11章：対流、相変化、熱交換器

• 強制対流と自然対流：動く流体への伝熱で、外から与えた流れか浮力によって駆動される。
• 沸騰と凝縮：相変化を伴う伝熱。
• 熱交換器：流体の間で熱を移す装置で、第11章で解析される。

第12〜14章：放射と物質移動

• 熱放射：電磁波による熱の交換。まず基礎、次に表面間の放射を扱う。
• 物質移動：混合物中の成分の移動で、構造の上で伝熱と並行している。

批判的分析

長所

• 物理的直観を第一に。 出版社は、本書が物理と現実の応用を強調し、数学的側面を抑えていると述べており、この方法は学生の直観を生かすように設計されている。
• 完結した流れ。 印刷版の目次は、熱伝導から対流、相変化、熱交換器、放射を経て物質移動に至るので、1学期または2学期の伝熱の科目を1冊でまかなえる。
• 物質移動を含む。 書名は伝熱と物質移動を約束しており、目次は放射の後に物質移動の章を備えている。
• オンラインの応用章。 電子機器の冷却、建物、食品の冷凍に関する3つのオンライン章は、印刷版の14章を超えて本書を広げる。
• 豊富な参考資料。 第6版は分厚く（国際版の記載では1,056ページ）、物性表と線図の付録がある。

短所

• 数学を意図的に抑えている。 出版社は数学的側面を抑えていると述べているので、解析解を十分に展開したい学生は、そのために数学的な教科書がほかに必要になる。このコースの書籍リストにも数冊ある。
• 分量。 1,000ページを超えるので、本書の大部分は通読ではなく選んで読むためのものである。
• 版の違い。 第6版は異なるISBNで刊行され、SI単位版と国際版がある。SI版の記載は2020年7月の刊行日を示し、国際版は2019年として目録に載っているので、ページ数を照合する際は版を確認すること。

コースにおける位置づけ

ÇengelとGhajarの本は、最初の伝熱の科目の主教科書である。KreithとManglikの Principles of Heat Transfer は最も近い代替で、11章からなり、熱伝導、対流、放射、相変化、熱交換器を扱うが、物質移動の章はない。それに対してÇengelとGhajarは物質移動に1章を与えている。Lienhardの A Heat Transfer Textbook は入門的な本で、物質移動も扱い、第6版は無料でダウンロードできる。NellisとKleinの Introduction to Engineering Heat Transfer は、第一原理からの導出をEESやMATLABなどの計算ツールと組み合わせている。

Bergman、Lavine、Incropera、DeWittの Fundamentals of Heat and Mass Transfer は、解析と設計の問題を備えた、より厳密な工学の教科書であり、Ghiaasiaanの Convective Heat and Mass Transfer は、対流に関する大学院レベルの本で、これらのいずれかに基づく科目の後に読む。

本書の使い方

本書は、1学期または2学期の伝熱の科目を取る、機械、化学、航空宇宙、エネルギー工学系の学生に向いている。出版社は予備知識を挙げていない。対流の章に入る前に、微積分、入門的な熱力学、そして多少の流体力学が必要になるだろう。

• 核心： 第1〜9章（基本概念、熱伝導、対流）と第11章（熱交換器）。本の順序に従って、熱伝導を対流より先に読む。
• 放射： 第12〜13章。通常は対流と熱交換器の後に学ぶ。
• 任意： 第10章の沸騰と凝縮、第14章の物質移動、オンラインの応用章。シラバスに応じて。

例題をひな形として使い、付録の物性表を手元に置く。科目に計算が含まれるなら、数値解法の章も読む。