【高校・大学初年度生必見】大学機械系で学ぶ「熱工学」とは？基礎と科目一覧まとめ

本記事では、機械系の学生が大学で学ぶ「熱工学」と、それに関連・応用される主要科目を体系的にまとめています。

熱工学は、エネルギー、流体、材料、制御など、多くの分野と密接に関わる重要な工学分野です。機械系のみならず、化学系やエネルギー系など幅広い学科で応用されます。

この記事を読むことで、大学で学ぶ内容の全体像をつかみ、学科選択・専攻選択・研究分野選択の参考にすることができます。

熱工学とは

熱工学とは、熱の発生・伝達・変換・利用を工学的な視点から扱う学問分野です。

エネルギーを効率よく活用するための基盤として、あらゆる産業に関わっています。

熱工学を学ぶ意義は、単なる学問的な知識にとどまらず、私たちの生活や産業の基盤を支える重要な要素です。具体的には、次のような点が挙げられます。

このように、熱工学は「理論」「設計」「社会課題」のすべてをつなぐ中核的な学問分野です。

機械系が学ぶ熱工学関連科目

熱力学

• 対象年度：1〜2年次前期
• 区分：必修であることが多い
• キーワード：熱、仕事、熱力学第一法則、熱力学第二法則、エントロピー、熱機関、熱力学的平衡状態、準平衡状態、理想気体
• 関連科目：熱を取り扱う全ての分野

熱力学は、熱とエネルギーの関係を体系的に学ぶ基礎科目です。

高校物理で学んだ熱力学の内容をより厳密に扱い、熱、温度、エネルギー保存、系と状態量などの概念を理解します。

さらに、エンジンや発電機などに代表される熱サイクルの仕組みを通して、エネルギー変換の効率を理論的に評価できるようになります。

式を変形して物理量を導く力が求められるため、事前に基本的な微積分の理解を固めておくことが大切です。

熱力学は機械系だけでなく、化学系、情報系でも基礎物理として学ぶことが多いです。

伝熱工学

• 対象年度：2〜3年次
• 区分：必修または選択必修
• キーワード：熱伝導、対流熱伝達、熱放射、熱交換器
• 関連科目：熱力学、流体力学、冷凍空調工学、数値流体力学（CFD）

伝熱工学は、熱の移動現象（熱伝導・対流熱伝達・熱放射）を中心に、熱が空間や物質中をどのように伝わるのかを理解する科目です。

つまり、実用的な応用が多いのが特徴です。

例えば、電子機器の冷却、金属の加熱、電子機器の冷却、エンジンやボイラの熱設計など、現実の工学問題に直結する内容が多く含まれます。

学習内容には熱伝導方程式などの数式や対流伝熱係数などの無次元数が登場するため、数学（特に微分方程式・積分）や式の意味・理解が重要になります。。

授業の演習では、グラフ化や数値計算ソフト（例：Excel、Python）を用いて温度分布を解析する場合もあります。

燃焼工学

• 対象年度：3〜4年次
• 区分：選択必修または自由科目
• キーワード：燃焼、化学反応、火炎、燃料、排気ガス
• 関連科目：熱力学、伝熱工学、流体力学、化学

燃焼工学は、燃料が酸化反応によってエネルギーを放出する現象を科学的・工学的に扱う分野です。

エンジンなどで観察される燃焼現象の物理・化学を理解することができます。

つまり、エンジンやボイラ、ガスタービンなどの設計に不可欠な知識です。

燃焼は，化学エネルギーを熱に変換する現象であり，多くの熱エネルギー変換システムの基本現象です。

燃焼工学はエネルギー変換効率の向上や環境負荷低減といった現代社会の課題に関係しています。

エンジン工学（熱機関工学）

• 対象年度：3〜4年次
• 区分：選択必修または自由科目
• キーワード：内燃機関、熱効率、燃焼、出力、トルク、排気制御、出力効率、燃焼制御
• 関連科目：燃焼工学、熱力学、流体力学、自動車工学

エンジン工学は、熱エネルギーを機械的エネルギーへ変換する装置の原理と設計を扱う学問です。

通常だと、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン、ガスタービンなどが主な対象です。航空・宇宙系の場合「ジェットエンジン」を扱う場合が多いです。

学習内容にはサイクル解析（オットーサイクル・ディーゼルサイクル）、燃焼制御、熱効率の向上、排気ガス低減などが含まれます。

また、近年ではハイブリッド車・電動化技術・水素エンジンなど、環境対応型のパワートレイン開発にも応用されています。

機械工学とエネルギー工学を融合した応用的な分野です。

冷凍空調工学

• 対象年度：3〜4年次
• 区分：選択必修または自由科目
• キーワード：冷凍サイクル、ヒートポンプ、冷媒、熱交換器、効率化、省エネルギー
• 関連科目：伝熱工学、熱力学、エネルギー変換工学

冷凍空調工学は、熱を移動させて温度を制御する技術を学ぶ分野です。冷蔵庫やエアコン、ヒートポンプなど、生活や産業で広く利用される装置の原理を理解します。

主なテーマは冷凍サイクル（蒸気圧縮式、吸収式）、冷媒特性、COP（成績係数）、熱交換器設計などです。熱力学の応用として、実用的なエネルギー変換の仕組みを体系的に学べます。

省エネ化や環境負荷低減を目的とした新冷媒開発やヒートポンプ技術の最適化も、現代の重要な研究テーマです。

圧縮性流体力学

• 対象年度：3〜4年次
• 区分：選択必修または自由科目
• キーワード：マッハ数、衝撃波、膨張波、超音速流、断熱変化、圧縮性効果
• 関連科目：流体力学、熱力学

圧縮性流体力学は、密度変化を伴う高速流体の運動を扱う学問です。マッハ数によって特徴づけられる流れを解析し、超音速機やロケットなどの設計理論の基礎を学びます。

主なテーマは衝撃波、膨張波、ノズル流れ、等エントロピー流、音速条件など。流体と熱の結びつきを理解し、エネルギー変換過程を定量的に扱います。

解析には連続の式・運動方程式・エネルギー方程式を用いるため、基礎的な熱力学・流体力学の理解が不可欠です。

数値熱流体解析（CFD）

• 対象年度：3〜4年次
• 区分：選択必修または自由科目
• キーワード：熱流体力学、数値解析、有限差分法、有限要素法、ナビエ–ストークス方程式、乱流解析、メッシュ生成
• 関連科目：流体力学、熱力学、伝熱工学、プログラミング（python,C,Fortranなど）

数値熱流体解析（CFD）は、流体や熱の現象を数値的に解析する手法を学ぶ分野です。スーパーコンピュータやCAEソフトを用いて、複雑な流れ場や温度分布を可視化・解析します。

主に扱う内容はナビエ–ストークス方程式の離散化、メッシュ生成、境界条件設定、数値安定性解析などです。数値解析技術と物理理解の両方が求められます。

自動車、航空機、発電機、冷却装置など幅広い分野で利用されており、シミュレーション技術は設計・研究に不可欠なスキルとなっています。

熱工学の立ち位置と発展

学部段階で学ぶ「古典熱力学」を基礎として、より実際の現象や微視的な理解に発展するのが応用熱力学や統計熱力学である。機械系では特に応用熱力学が重要視される。

区分	科目名	機械系での扱い
基礎	古典熱力学	◎ 必修（熱の基本法則）
発展	応用熱力学	◎ 実機やサイクル解析に応用
応用	化学熱力学	○ 燃焼・反応系の解析に利用
応用	統計熱力学	△ ナノ・物性関連や上位課程で学ぶ
応用	非平衡熱力学	△ 伝熱・流体・数値解析系で登場

このように、熱力学は多くの工学分野の「基盤」として機能し、応用や専門研究の方向性に応じて枝分かれしていきます。

まとめ

熱工学は、機械系における最も重要な基盤科目群の一つです。

熱力学で基礎を学び、伝熱・燃焼・CFDなどで応用力を高めることで、実践的な設計力・解析力を身につけることができます。

また、エネルギー問題・環境対策・高効率機器開発など、現代社会の課題解決にも直結するため、学ぶ意義の大きい分野といえます。

まずは「熱力学」からスタートし、興味に応じて関連分野へ広げていくのがおすすめです。