第1章

これだけは事前に知っておきたい

基礎知識

1 乾燥とは
1. 1. 1

洗濯物の乾燥
汚れた衣類、シーツ、タオルなどの洗濯物を乾かすとき、晴天の日は、日光がよく当たり、風通しの良い場所で天日乾燥を行います。この場合、水の蒸発に必要な熱（エネルギー）が太陽からの放射（輻射）伝熱によって与えられます（図 1‑1‑1）。
雨天の日や夜間は、太陽の熱（エネルギー）を利用できないので、乾燥機を用いて洗濯物を乾かします。熱風乾燥機では熱風から乾燥物に対流伝熱によって、赤外線乾燥機では放射（輻射）伝熱によって乾燥に必要な熱が伝えられます。
急いで乾かす必要があるとき、アイロン掛けをします。これは、熱せられたアイロンから洗濯物に伝導伝熱によって熱が伝えられます。
以上のように、熱（エネルギー）は伝導伝熱、対流伝熱、放射（輻射）伝熱によって伝えられます。それぞれの詳細は次の 1.1.2 項で述べます。
❶乾燥は熱と物質の同時移動現象
洗濯物の乾燥をよく見ると、3 つの段階を経て進行していることがわかります（図 1‑1‑2）。
第 1 段階

湿った洗濯物に含まれている水分を蒸発させるために、まず蒸発に必要な熱を湿った材料に与えなければなりません。（熱移動）

第 2 段階

洗濯物に伝えられた熱はその温度を上げるとともに、含まれている水分を蒸気に変化させます。
（相変化）

第 3 段階発生した蒸気が洗濯物のまわりに停滞していると、水の蒸発を妨げるので、発生した蒸気をすみやかにまわりの空気中に移動させなければなりません。
（物質移動）❷律速段階を知って、それを早く進める
3 つの段階のうちどれかが非常に遅いと、乾燥全体の進み具合を左右します。この遅い段階を律速段階といいます。乾燥を早めるには、律速段階を早く進めることが必要です。
例えば、第 1 段階の熱の移動速度が遅いと、水の蒸発に必要な熱も不足し、乾燥が遅くなることは明らかです。熱の移動速度は、次の 1.1.2 項で述べます。
8これだけは事前に知っておきたい 基礎知識

第1章無風状態で洗濯物を乾かすと、発生した蒸気が洗濯物のまわりに停滞し（湿度が上がり）、乾燥が遅くなることはよく経験することです。これは、第 3 段
階の物質の移動が遅いためです。湿度については 1.2.1 項で述べます。
図 1-1-1 洗濯物の乾燥
熱（エネルギー）の伝わり方（伝熱の種類）

乾かし方

昼間

晴天

天日乾燥

放射（輻射）伝熱

曇天

室内干し

対流伝熱

雨天

乾燥機
熱風乾燥

対流伝熱

夜間

赤外線乾燥

放射（輻射）伝熱

アイロン掛け

伝導伝熱
昼夜問わず、急いでいるときはアイロン掛け

図 1-1-2 乾燥は熱と物質の同時移動現象

第 1 段階水分の蒸発に必要な熱を湿り材料に与える熱（エネルギー）
熱移動
湿り材料

蒸気
物質移動
相変化

第 3 段階発生した蒸気をまわりの空気（ガス）が受けいれる

第 2 段階
水を蒸気に変える

要点 ノート
乾燥には「①水の蒸発に必要な熱の供給」、「②水から蒸気への相変化」、「③発生した蒸気の移動」の 3 段階があり、そのうち進み具合が遅い段階が乾燥全体の進み具合を左右します。
9

1 乾燥とは
1. 1. 2

熱の伝わり方と熱移動量
乾燥の第 1 段階は湿った材料に熱（エネルギー）を与えることですが、熱の伝わり方には次の 3 種類があります（表 1‑1‑1）。
❶伝導伝熱
2 点間の距離Δ の間に温度差Δ があると、温度勾配（Δ /Δ ）に比例した熱が流れます。これを伝導伝熱といいます（図 1‑1‑3、式 ‑ ‑ ）。
（式 ‑ ‑ ）のマイナス記号は、温度勾配（Δ /Δ ）と逆の方向に熱が流れることを意味します。伝熱速度は、伝熱面積と熱伝導率（熱伝導度）λにも比例します。熱伝導率λの値は物質によって異なります。
（式 ‑ ‑ ）を変形すると、電気のオームの法則（電流 ＝Δ / 、電位差Δ 、電気抵抗 ）と同じ形の ＝Δ /Tで表わすことができます。このときTを伝熱抵抗と呼びます。
❷対流伝熱
固体の表面（温度（−sfs）と周囲の流体（気体および液体、温度f）の温度差）に比例した熱が流れます。これを対流伝熱といいます（図 1‑1‑4、式 ‑ ‑ ）。

伝熱速度は、伝熱面積と熱伝達係数（伝熱係数） C にも比例します。

熱伝達係数 C の値は、流体の性質や速度および固体の形状によって異なります。
❸放射（輻射）伝熱固体 1 と固体 2 の温度の 4 乗の差（41−42）に比例した熱が流れます。これを放射（輻射）伝熱といいます。温度は必ず絶対温度［K］の値とします（図 1‑1‑5、式 ‑ ‑ ）。伝熱速度は、伝熱面積と総括吸収率φ12 にも比例します。総括吸収率φ12 の値は、固体 1 と固体 2 の性質や両者の位置関係（角関係、形態係数という）によって異なります。

10これだけは事前に知っておきたい 基礎知識

第1章

表 1-1-1

熱移動の種類と伝熱速度（ ：伝熱面積［m2］）

伝熟の種類

伝熱速度

①伝導伝熱

伝導伝熱速度 は温度勾配（ / ）に比例する。

②対流伝熱

対流伝熱速度 は固体表面
温 度 sと 流 体 温 度 fの 差（ s − f ）に比例する。

伝熟速度を求める式
フーリ工の法則［w］

Q ＝−λ（式）λ：熱伝導率（熱伝導度）［ （m･K）/］二ュートンの冷却の法則
Q＝CC（ s− f）［W］（式）：熱伝達係数（伝熱係数）［ （m/･K）］
2

ステファン一ボルツマンの法則
放射伝熱速度 は物体 1 の＝φ12 σ （ 14 − 24 ） ［W］（式③放射伝熱
絶体温度の4乗と物体2のφ12：総括吸収率［−］（輻射伝熱） 絶体温度の 4 乗の差
σ：ステファン一ボルツマン定数（ 14 − 24 ）に比例する。
5.67 × 10 − 8W/（m2･K4））

図 1-1-3 伝導伝熱

高温

低温

熱は温度勾配に比例して、温度の高いところから低いところへ流れる（図 1-3-1 参照）

図 1-1-4 対流伝熱固体

図 1-1-5 放射（輻射）伝熱

流体

熱は固体と流体の温度差に比例して、温度の高いほうから低いほうへ流れる（図 1-3-2 参照）

固体 1

固体 2

熱は温度 ［K］の 4 乗差に比例して、温度の高いほうから低いほうへ流れる（図 1-3-3 参照）

要点 ノート
熱の移動には伝導、対流、放射（輻射）の 3 種類があり、それぞれの熱移動速度の式を理解しましょう。
11

1 乾燥とは
1. 1. 3

乾燥に必要な蒸発熱乾燥の第 2 段階で、湿った材料から水分を蒸発させるために熱（蒸発熱）が必要です。ここでは、その蒸発熱について解説します。
❶蒸発と昇華（図 1‑1‑6）
産業界において乾燥とは、比較的少量の水や有機溶剤などの液体を含む材料（湿り材料）に熱エネルギーを与えて液体を蒸発させて除去し、乾いた製品を得る操作をいいます。水をいったん凍結させ、氷から蒸気に気化（昇華）させる操作を凍結乾燥といいます。凍結乾燥は、今日、食品や医薬品の製造に使われ、たいへん重要な操作です（3.8.2 項参照）。
❷蒸発熱（表 1‑1‑2）
大気下で水 1g を蒸発させるには温度 20 ℃では 2,454J、100 ℃では 2,257J のエネルギー（蒸発熱）が必要で、水の蒸発熱Δ V と温度 ［℃］の関係は次の式です。
Δ V＝2502−2.45［J/g］（式 ‑ ‑ ）またはΔ V＝（2502−2.45＝2502−2.45）×103［J/kg］［kJ/kg］（式 ‑ ‑ ）❸熱エネルギーと物理的エネルギーの比較 （図 1‑1‑7）
図 1‑1‑7 に熱エネルギーと物理的エネルギーの比較を示します。
①水 1 kg の温度を 1 ℃上げるために必要な熱エネルギー

4.2 kJ②水 1 kg を温度 20 ℃で蒸発させるために必要な熱エネルギー

2,454 kJ

③水 70 kg を海抜 0 m から富士山の山頂まで上げるために必要な位置エネルギー（ ：質量 70 kg）
×（ ：重力加速度 9.8 m/s2）
×（ ：高さ 3,776 m）＝2,590 kJ④水 10 kg を時速 100km で運ぶときの運動エネルギー2（ ：質量 10 kg）
×（ ：速度 27.8 m/s）
/2＝3.9 kJ以上の値から次のことがわかります。
・（①水 1 kg の温度を 1 ℃上げるために必要な熱エネルギー）と（④水 10 kgを時速 100km で運ぶときの運動エネルギー）がほぼ等しい。
・（②水 1 kg を温度 20 ℃で蒸発させるために必要な熱エネルギー）と（③水12