第三種電気主任技術者(電験三種) 過去問
令和5年度(2023年)上期
問62 (機械 問20)
問題文
熱伝導について、次の問に答えよ。
断面積が2m2、厚さが30cm、熱伝導率が1.6W/(m・K)の両表面間に温度差がある壁がある。ただし、熱流は厚さ方向のみの一次元とする。
この設問は、<前問>の続きの設問となります。
この壁の低温側の温度t2が20℃のとき、この壁の熱流Φが100Wであった。このとき、この壁の高温側の温度t1の値[℃]に最も近いものを次のうちから一つ選べ。
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問題
第三種 電気主任技術者試験 令和5年度(2023年)上期 問62(機械 問20) (訂正依頼・報告はこちら)
熱伝導について、次の問に答えよ。
断面積が2m2、厚さが30cm、熱伝導率が1.6W/(m・K)の両表面間に温度差がある壁がある。ただし、熱流は厚さ方向のみの一次元とする。
この設問は、<前問>の続きの設問となります。
この壁の低温側の温度t2が20℃のとき、この壁の熱流Φが100Wであった。このとき、この壁の高温側の温度t1の値[℃]に最も近いものを次のうちから一つ選べ。
- 21
- 22.1
- 24.2
- 29.4
- 46.7
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この過去問の解説 (2件)
01
前問からの引き続きの問題となります。
まず熱流Φは電気回路で言うところの電流Iに該当します。さらに温度差T[K:ケルビン]は電位差V[V]に該当します。なので求める公式も、オームの法則V=IRと類似している以下のような式となります。
・温度差T[K]=熱流Φ×熱抵抗R‥①
今回の問題では高温側の温度t1の値[℃]を求めなければならないので、まずは温度差T[K]の方から求めていきたいと思います。
問題の条件より、熱流Φ=100W、前問より熱抵抗R=0.0938K/Wを上記①式に代入します。
・T=100×0.0938=9.38[K]
続いて温度差は以下のようにも表せます。
・温度差T=高温側の温度t1-低温側の温度t2
問題文の中に低温側の温度t2=20℃が与えられているので、高温側の温度t1は以下のようになります。
・高温側の温度t1=20+9.38=29.38≒29.4[℃]
以上となります。
解説の冒頭の内容と一致するので適切です。
今回の問題でも熱回路と電気回路が密接な関係にあることが、お分かり頂けたと思いますので改めてオームの法則の再確認と思って学習して頂ければ幸いです。
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02
物体の高温側の温度を求める計算問題です。
計算に必要な値や量記号は以下の通りです。
低温側の温度t2:20[℃]
熱流Φ:100[W]
熱抵抗R:0.0938[K/W] ※前問より引用
高温側の温度:t1[℃]
熱力学のオームの法則より
Φ=(t1−t2)/R
(t1−t2)=ΦR
t1=ΦR+t2
=100✕0.0938+20
=29.38
≒29.4[℃]
【別解】
この問題は、単位からも求めることができる問題です。
単位から求める時にポイントとなるのが、
摂氏[℃]と華氏[K]はゼロになる基準が違うだけである
ΦRで求められる温度が温度差であることに気付けるか
の2点です。
この問題では0[℃]も0[K]も問われていないので、同じ単位として考えることができます。
これを踏まえて、単位に着目して整理してみましょう。
ΦR[W·K/W]=t1−t2[℃]
ΦR[
W·K/W]=t1−t2[℃]この式を移行することで、先に求めた値と同じ値を求めることができます。
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