1級・2級管工事施工管理技士第一次検定：一般基礎（流体力学・熱力学）の過去問4選！計算問題のわかりやすい覚え方

この記事で学べること
・流速と圧力の関係を示す「連続の式」と「ベルヌーイの定理（ベンチュリ効果）」
・配管やダクトを流れる流体の「摩擦損失」が大きくなる4つの条件（長さ・細さ・粗さ・流速の2乗）
・気体の温度・圧力・体積の関係を表す「ボイル・シャルルの法則」と3つの熱移動
・「湿り空気線図」を用いた、空気を加熱・冷却した際の絶対湿度の水平移動の法則

【出題傾向】出題度：毎年必ず出る（管工事の最重要基礎）
管工事施工管理技士試験の第一次検定における「一般基礎（流体力学・熱力学）」は、空調設備の設計、配管のサイズ選定、ポンプや送風機の能力計算を理解するための土台となる最重要分野です。難しい計算式そのものを解かせる問題よりも、「管が細くなると流速はどうなるか」「圧力が一定のとき温度を上げると体積はどうなるか」といった、比例・反比例の関係性や物理法則の意味を問う選択問題が数多く出題されます。

この記事では、試験対策に必須の重要ポイントを直感的にイメージできるよう構成しています。まずは物理法則の基本を把握してから、詳細な解説文を読み進めていきましょう。

【流体工学（連続の式とベルヌーイの定理による流速・圧力計算）】1級・2級管工事施工管理技士 第一次検定過去問のわかりやすい覚え方

まずは根本の仕組みから丁寧に整理します。難しい用語を使わず、イメージで理解できるように分解すると、配管やダクトの中を流れる水や空気には、太さや速度が変わったときの「絶対的なルール」が2つ存在します。これが「連続の式」と「ベルヌーイの定理」です。

連続の式（断面積と流速の関係）

管の中を流れる流体（液体や気体）の量が途中で増えたり減ったりしない場合、「管の断面積 A」と「流体の流速 v」を掛け合わせた値（流量 Q）は、管のどの場所でも常に一定になります。

A₁v₁ = A₂v₂ = Q（一定）

つまり、「管が細くなる（断面積が小さくなる）と、そこを通り抜けるために流速は速くなる」という反比例の関係を示しています。ホースの先を指で潰すと水が勢いよく飛び出すのと同じ原理です。

ベルヌーイの定理とベンチュリ効果

ベルヌーイの定理は、流れる流体が持つ「位置エネルギー」「圧力エネルギー」「運動（速度）エネルギー」の合計は、摩擦がない理想的な状態ではどこでも一定であるという、エネルギー保存の法則です。

これを平らな管に当てはめると、次のような現象が起こります（ベンチュリ効果）。
連続の式によって、管が細くなった部分では流速が速くなります（運動エネルギーが増える）。全体のエネルギーの合計は一定なので、「流速が速くなった分だけ、圧力エネルギーが下がる」ことになります。試験ではこの「流速が速いところほど、圧力は低くなる」という関係性が非常によく狙われます。

演習問題

【問題】管路を流れる理想流体に関する次の記述のうち、不適当なものはどれか。

1. 管路内を流れる非圧縮性流体において、管の断面積と平均流速の積（流量）は、管路のどの断面においても一定である。これを連続の式という。
2. 連続の式によれば、管路の断面積が小さく（細く）なる部分では、流体の平均流速は速くなる。
3. ベルヌーイの定理によれば、水平な管路において流体の流速が速くなる部分では、その流体の圧力は低くなる。
4. 流路の途中に設けられた絞り（ベンチュリ管）を流体が通過する際、流路が狭くなることで流速が増加するため、その部分の流体の圧力は高くなる。

【解答】4

【解説】
1. 適当。連続の式（流量一定の法則）の正しい定義です。
2. 適当。断面積と流速が反比例するという正しい記述です。
3. 適当。流速エネルギーと圧力エネルギーのトレードオフ（ベルヌーイの定理）です。
4. 不適当。ベンチュリ管など流路が狭まって流速が増加する部分では、ベルヌーイの定理により「流体の圧力は『低く（下がる）』」なります。「流速が上がれば圧力も上がる」というのは直感的な誤解を誘う管工事試験の定番の引っかけです。

【流体工学（管内の摩擦損失抵抗と圧力降下・直管換算長の計算）】1級・2級管工事施工管理技士 第一次検定過去問のわかりやすい覚え方

現場の感覚では「送水ポンプで水を押し出せば、配管の先でも同じ圧力が出る」と思いがちですが、ここを取り違えると確実に落とされるため注意が必要です。水や空気は管の壁とこすれ合いながら進むため、進めば進むほどエネルギーを奪われ、圧力が下がってしまいます。

管摩擦損失水頭が大きくなる4つの条件

管の中を流れる流体が失うエネルギー（摩擦損失）は、以下の要素によって決定されます。

• ① 管の長さに「比例」する： 管が長ければ長いほど、摩擦を受ける距離が増えるため損失は大きくなります。
• ② 管の内径に「反比例」する： 管が細い（内径が小さい）ほど、壁にぶつかる割合が増えるため損失は大きくなります。
• ③ 流速の「2乗に比例」する： 流速が速くなるほど、猛烈な勢いでロスが発生します。流速が2倍になれば、損失は4倍になります。
• ④ 管壁の粗さ： パイプの内側がザラザラしているほど、摩擦が大きくなり損失が増加します。

直管換算長（ちょっかんかんざんちょう）

実際の配管設備には、まっすぐな管（直管）だけでなく、曲がり角（エルボ）やバルブなどが多数付いています。これらを流体が通過するときにも大きなエネルギーロスが生じます。
このバルブや曲がり角で発生する抵抗を、「もし同じ太さのまっすぐな管（直管）だったとしたら、何メートル分の長さに相当するか」という長さに置き換えた数値を「直管換算長（相当管長）」と呼びます。

演習問題

【問題】円管内を流れる流体の摩擦損失に関する次の記述のうち、不適当なものはどれか。

1. 管路を流れる流体の摩擦損失水頭は、管の長さに比例して大きくなる。
2. 管路を流れる流体の摩擦損失水頭は、管内の平均流速の2乗に比例して大きくなる。
3. 管路の途中に設けられたバルブや曲がり管等による形状抵抗を、それと同じ抵抗を生じる直管の長さに換算したものを直管換算長（相当管長）という。
4. 管路を流れる流体の摩擦損失水頭は、管の内径に比例して大きくなるため、管が太くなるほど圧力降下は大きくなる。

【解答】4

【解説】
1. 適当。長さと摩擦損失の比例関係です。
2. 適当。流速の2乗に比例するという重要な法則です。
3. 適当。直管換算長（相当管長）の正しい定義です。
4. 不適当。摩擦損失水頭は管の内径に「反比例」します。つまり、管が太くなるほど流路に余裕ができ、壁との摩擦が減るため摩擦損失（圧力降下）は「小さく」なります。比例と反比例を逆にすり替えた嘘記述です。

【熱力学（ボイル・シャルルの法則と熱移動・熱伝導の基礎公式）】1級・2級管工事施工管理技士 第一次検定過去問のわかりやすい覚え方

この単元は深追い不要。試験では“キーワード反応型”でOKです。次のポイント（ボイルは圧力と体積の反比例、シャルルは温度と体積の比例、熱移動は伝導・対流・放射の3つ）だけ覚えれば得点できます。

ボイル・シャルルの法則

理想気体の状態（圧力 P、体積 V、絶対温度 T）は、以下の関係式で結ばれています。

PV / T = 一定

• ボイルの法則（温度が一定のとき）：気体の体積は圧力に「反比例」する。注射器の先を塞いでピストンを強く押す（圧力をかける）と、中の空気の体積は縮んで小さくなります。
• シャルルの法則（圧力が一定のとき）：気体の体積は絶対温度に「比例」する。風船を温めると、中の空気が膨張して体積が大きくなります。

熱移動の3つの形態

熱が高いところから低いところへ移動するメカニズムには、以下の3種類があります。

• 熱伝導（ねつでんどう）：物質が移動せずに、物質の内部を直接熱が伝わっていく現象です。熱いお茶にスプーンを入れると、スプーンの柄まで熱くなる現象です。
• 熱対流（ねつたいりゅう）：液体や気体（流体）そのものが移動し、循環することによって熱が運ばれる現象です。エアコンをつけると、部屋の空気が循環して部屋全体が暖まる現象です。
• 熱放射（ねつほうしゃ・輻射）：熱エネルギーが電磁波として空間を真っ直ぐ飛んでいき、他の物体に当たって吸収され、再び熱に変わる現象です。床暖房や太陽の光を浴びると直接暖かく感じるのはこのためです。

演習問題

【問題】熱力学および熱移動に関する次の記述のうち、不適当なものはどれか。

1. ボイルの法則によれば、温度が一定であるとき、一定量の理想気体の体積は、その圧力に反比例する。
2. シャルルの法則によれば、圧力が一定であるとき、一定量の理想気体の体積は、絶対温度に比例して増減する。
3. 熱移動における「熱伝導」とは、液体や気体などの流体そのものが移動することによって、熱エネルギーが運ばれる現象のことである。
4. 熱移動における「熱放射（輻射）」とは、熱源から放出された電磁波が空間を伝わり、他の物体に吸収されて熱エネルギーに変わる現象のことである。

【解答】3

【解説】
1. 適当。ボイルの法則（圧力と体積は反比例）の正しい記述です。
2. 適当。シャルルの法則（温度と体積は比例）の正しい記述です。
3. 不適当。液体や気体などの「流体そのものが移動・循環して」熱エネルギーが運ばれる現象は「熱対流」です。「熱伝導」は、物質自体は移動せずに物質内部（金属管の壁など）を熱が伝わる現象です。用語の定義を入れ替えた引っかけです。
4. 適当。熱放射（輻射熱）の正しい定義です。

【熱力学（湿り空気線図の見方と加熱・冷却の状態変化）】1級・2級管工事施工管理技士 第一次検定過去問のわかりやすい覚え方

管工事試験における最大の難所かつ最重要ポイントです。「空気をヒーターで温めると、空気が乾燥するから空気中の水分の絶対量も減っているのだろう」と思いがちですが、ここを取り違えると確実に落とされるため注意が必要です。結露などが起きない限り、ただ温めたり冷やしたりするだけでは、空気中に含まれる水分の「実際のグラム数（絶対量）」は一切変化しません。

湿り空気線図の縦軸と横軸

空気の性質（温度や湿度）を表す複雑なグラフが「湿り空気線図」です。

• 乾球温度（横軸）：普通の温度計で測った空気の温度（℃）です。右にいくほど温度が高くなります。
• 絶対湿度（縦軸）：空気1kgの中に実際に含まれている水蒸気の質量（kg/kg）です。上に行くほど水分量が多いことを示します。
• 相対湿度（曲線）：その温度の空気が「限界まで水分を含める量（飽和水蒸気量）」に対して、いま何％の水分を含んでいるかを示す割合（％）です。一般に天気予報などで使われる「湿度」はこちらです。
• 露点温度：空気をどんどん冷やしていくと、限界に達して水蒸気が水滴（結露）に変わり始める温度です。

顕熱変化（単なる加熱・冷却）と絶対湿度の関係

加湿器で水を足したり、除湿機で水を抜いたりせずに、空調機などで空気をただ加熱したり冷却したりするだけの変化を「顕熱変化」と呼びます。
このとき、湿り空気線図上の空気の状態を示す点は、水分が足し引きされていないため「真横（水平方向）に移動」します。つまり、縦軸である「絶対湿度」は一切変化せず、一定に保たれます。（ただし、限界の器が大きくなるため「相対湿度」は下がります。）

演習問題

【問題】湿り空気線図および空気の状態変化に関する次の記述のうち、不適当なものはどれか。

1. 絶対湿度とは、乾き空気1kgに対して、それに含まれる水蒸気の質量を表したものであり、湿り空気線図の縦軸にとられる。
2. 相対湿度とは、その空気の温度における飽和水蒸気圧に対する、実際の水蒸気分圧の割合を百分率（％）で表したものである。
3. 空気を冷却していったとき、空気中の水蒸気が凝縮し始めて水滴（結露）を生じる温度を、露点温度という。
4. 加湿や減湿を伴わずに空気をヒーターで単に加熱した場合、空気中の水蒸気が熱で膨張するため、絶対湿度は加熱前に比べて高くなる。

【解答】4

【解説】
1. 適当。絶対湿度（実際の水分の重さ）の正しい定義とグラフ位置です。
2. 適当。相対湿度（限界に対する割合）の正しい定義です。
3. 適当。露点温度（結露し始める温度）の正しい定義です。
4. 不適当。加湿や減湿を伴わない単なる加熱（顕熱変化）の場合、外部から水分を追加・除去していないため、空気中に含まれる水蒸気の質量（絶対湿度）は「変化せず一定」です。温めると絶対湿度が上がるという記述は、状態変化の原則に反した明確な嘘です。

まとめ

今回学んだ管工事施工管理技士・一般基礎（流体・熱力学）の重要ポイントをおさらいしましょう！

• 連続の式とベルヌーイの定理により、「管が細いほど流速は速く」なり、流速が速いほど「圧力が低く」なる。
• 管内の摩擦損失は、管が細く・長く・内壁が粗いほど大きくなり、特に「流速の2乗に比例」して激増する。
• 気体の体積は「圧力に反比例（ボイルの法則）」し、「温度に比例（シャルルの法則）」して変化する。
• 空気をただ加熱・冷却するだけでは水分の量は変わらないため、「絶対湿度は一定（水平移動）」である。

管工事の一般基礎分野は、計算問題が出題されても、これらの「比例・反比例」の法則さえ頭に入っていれば、計算せずに選択肢の矛盾を見抜くことができます。目に見えない空気や水のエネルギーの振る舞いをイメージして、確実に得点を重ねていきましょう！

NEXT STEP

次は、関連する一問へ。

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