②エネルギー化学

🔚 🏫 エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 📆 🕤 時間割水 🕥10:30- 🕛12:00 （暦）仮想教室中示範B C1 zero zoom https://a.yamagata-u.ac.jp/amenity/~host/yz/c1/Education/EChem.asp

講義ノート

エネルギーの種類

表 1 . 0. 29 エネルギーの種類

kWh、 J	関係式	示強性変数	示量性変数	物質量あたりマクロ	粒子あたりミクロ

🧪 化学エネルギー`G`	⊿`G`=⊿`H`-`T`⊿`S`	化学ポテンシャル	物質量〔mol〕	アボガドロ数 `N`_A
🔥 熱エネルギー	🖱 `Q`= `TS` `RT`	温度 `T` 〔K〕	エントロピー `S` 〔J/K〕	気体定数 `R` 〔J/K・mol〕	ボルツマン定数 `k_B` 〔J/K
💪 力学的エネルギー `E`	🖱 `W`= `pV`	圧力 `p` 〔Pa〕	体積 `V` 〔m³〕	理想気体のモル体積 `x` 〔L/mol〕
⚡ 電気エネルギー `E`	🖱 `E`=`VQ` `E`=`nFE`	電圧 `V` 〔V〕	電気量 `Q` 〔C〕	ファラデー定数 `F` 〔C/mol〕	電気素量 `e` 〔C〕
🌟 光エネルギー `E`	`E`=`hν`	振動数 `ν` 〔Hz〕			プランク定数 `h` 〔J・s〕

エネルギーは、相互にエネルギー変換できます。エネルギーは保存則でなくなりませんが、有効な仕事として利用できるエネルギー（エクセルギー）の割合は減っていき、廃熱（アネルギー）の割合が増えていきます。その意味で、熱エネルギーはエネルギーの廃棄物と言えます。

状態量

表 2 . 米沢暮らしの１か月の生活費（持ち家4人家族の例）

仕分	支出	備考

住居費	76000
食費	90000
通信	20000
車の維持費・燃料費	50000	ガソリン代 170円/L
電気代・ガス代	25000	夏ガス代10000円として、 30円 kWhとして、500kWh
電気代・ガス代	35000	冬
水道代	7000	夏水道給水 356L /人日し尿収集量 1.6L /世帯日
水道代	5000	冬

米沢キャンパスの使用電力

図 1 . 山形大学米沢キャンパスの現在（ 2025-4-18）の使用電力

©S.Okuyama

米沢キャンパスだけで、 1500kWもの電力を使っています。太陽光発電で賄えるのは、昼間の日光があるときで、せいぜい30kW。再生可能エネルギーの太陽光だけでは、電気が全然足りません。

スマートグリッドでは、センサーを使って電力を計測し、インターネットの通信を使って、発電量を制御します。気候に左右されやすい再生可能エネルギーでは、余剰電力を電池に蓄えます。

米沢キャンパスの太陽光発電量

図 2 . 山形大学の米沢キャンパスの 2025-4-18の太陽光発電とリチウムイオン電池

XMLでデータ交換することもできます。

図ピカッとさいえんす

英語ではエナジーと言う。日本ではドイツ語のエネルギーと言う。１９６３年からアニメ放映された手塚治虫の「鉄腕アトム」でドイツ語の「エネルギー」が国民に定着してしまった。１９９２年からアニメ放映された「美少女戦士セーラームーン」では、英語の「エナジー」が使われたが、ドイツ語を払拭するには至らなかったようだ。

✍ 平常演習

水を電気を使わらずに酸素と水素に分解するとしたら、どのような方法が考えられるか？またそのときどのような課題を解決しなければならないか？

スマートリビング・生活	テレワーク、スマート家電、低炭素住宅
スマートエネルギー・環境	インターネットスマートグリッド
スマートエコノミー・経済活動	インターネットオンラインバンキング、キャッシュレス、ＱＲ決済
スマートラーニング・教育	学校、電子教科書、e-ラーニング、STEAM教育、WebClass
スマートモビリティ・交通	電気自動車
スマートガバナンス・行政	マイナンバーカード

図 3 . スマートシティ

06.技術者倫理

◇ 低炭素住宅・建築物と太陽電池

表 3 . 住宅の構成

区分	部品	材料

建物	躯体	🏞 木材、鉄骨、ＲＣ（鉄筋コンクリート）、レンガ
	屋根	ソーラーパネル、ガルバリウム鋼板、瓦、萱ルーフィング材
	窓	樹脂サッシ、アルミサッシ
	住宅設備	給湯器、エアコン、トイレ、電池（ＥＳＳ）、パワコン（ＰＣＳ）、ＨＥＭＳ *
基礎	鉄筋コンクリート
外構		カーポート、緑地
ライフライン		◇ 水道、電気（電池）、ガス、通信（ネット）

^3

)

図 4 . 低炭素住宅とＶ２Ｈ

LCCM住宅（ライフ・サイクル・カーボン・マイナス住宅）とは、ZEH（ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス）よりさらに省CO2化を進めた先導的な脱炭素化住宅で、建設時、運用時、廃棄時において出来るだけ省CO2に取り組み、さらに太陽光発電などを利用した再生可能エネルギーの創出により、住宅建設時のCO2排出量も含めライフサイクルを通じてのCO2の収支をマイナスにする住宅です。 ※

V2Hとは、電気自動車の電池を、住宅の電池(ESS)にリユースすることです。電気自動車の電池容量は、 40kWh程度とすれば、住宅の電池10kWhの4世帯分に相当します。

しかし安全にリユースするには、バッテリーのインスペクションが欠かせません。

技術者倫理06.未来へ向けて－地球温暖化と人口爆発－
国土交通省、気象庁二酸化炭素濃度の経年変化 https://ds.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/co2_trend.html

バッテリーの電池容量とサイズ

表 4 . バッテリーの電池容量とサイズ

用途	平均的な電池容量/kWh

住宅	4～10 *
自家用車 ( EV)	40～60 *
スマホ	0.0012～0.0014 *

生活と電池

表 5 . 生活と電池（バッテリー）

工業製品	システム	電池の種類

住宅	据え置き型電池（卒ＦＩＴ）（ＥＳＳ／ＢＥＳＳ * ）	ＬＩＢ、建物付属の蓄電池電源設備としての法定耐用年数は６年。
スマホ	内蔵	充電式電池（ＬＩＢ）
ＰＣ	ＵＰＳ	ＬＩＢ
自動車	駆動用	ＬＩＢニッケル水素（モノポーラ、バイポーラ）
自動車	始動用	鉛電池（モノポーラ、バイポーラ）
リモコン	乾電池 ×2	乾電池
電動歯ブラシ		乾電池
◇ 時計		乾電池

エネルギー（電力量・ワットアワー）と仕事率（ワット）は違います！蓄電池の電池容量は、電気エネルギ―です。

電池の値段
蓄電池システムの基礎
ＵＰＳとＥＳＳ
ＵＰＳとＥＳＳ

◇ 暖房・給湯と熱量

光熱費を節約したいけど、寒いのはいやですね。家庭で使われるエネルギーは、厨房、給湯、暖房、冷房、照明など。そのうち給湯と暖房が半分以上を占めます。冬の寒い季節に、暖房で室温 T 〔K〕を上げて、ぽかぽかの生活を送りたいと願うのは今も昔も変わりません。熱は温度の高い方から低い方へ移動します。暖かい部屋からは常に冷たい外気へ排熱されているのです。暖房費は排熱費と言っていいです。化学（固体燃料、液体燃料、気体燃料）・電気輸送にかかる力学的エネルギーがあります。エネルギーの場所を移動するのにも排熱が必要です。固体燃料は備蓄に便利ですが、輸送にエネルギーがかかります。

さくら民家園＠茨城県つくば市の囲炉裏

江戸時代後期の古民家です。囲炉裏で木炭を燃やして暖を取っていたことでしょう。

産業革命以降、燃料は石炭に変わります。日本では、明治ごろから石炭ストーブが使われます。米沢高等工業学校本館では、学生のために煙の少ない良質な石炭が配給されたそうですが、それでも煙かったそうです。

エネルギー（燃料）の備蓄と輸送

表 6 . エネルギー（燃料）の備蓄と輸送
状態	エネルギー資源	燃焼	備蓄	輸送	用途

固体燃料	🏞 石炭。	火格子燃焼、微粉炭と重油による微粉炭燃焼など	野積み	鉄道、船舶コンベヤー	火力発電のボイラー蒸気機関
	木炭、薪、バイオマス、蝋				暖炉、囲炉裏、ローソク
	可燃ごみ、廃タイヤ、廃プラスチック				発電、キルン
液体燃料	石油 (重油、軽油、灯油)など。	バーナーで霧状にして、燃焼。	タンク ^4 )	ポンプパイプライン	ボイラーエンジン
液体燃料	荏胡麻油、菜種油、ＳＡＦ	法灯	甕
気体燃料	ＬＮＧ・液化石油ガス（ＬＰＧ）、都市ガスなど。水素は将来的に期待。	拡散型バーナーや予混合型バーナーで燃焼。	タンク・ボンベ	パイプライン	ボイラーエンジン
	電気		エネルギー変換（電池）	電線	ヒーター、ヒートポンプ
核燃料	ウラン				ボイラー原子炉

家電で、生活に必須と思われているのは、冷蔵庫、洗濯機、スマホなどです。電気は、そのまま備蓄ができません。今使っている電気は、今、作っている電気です。

^5

)

工場やプラントのユーティリティとしても欠かせません。

化石燃料備蓄と輸送 👨‍🏫 化石燃料（炭素資源）―石炭と石油―

家電機器

表 7 . 住宅で使われる電化製品

分類	項目	注釈

給湯	エコキュート	🔥熱
暖房	🚂 エアコン（家電リサイクル法対象品）	🔥熱
厨房	🚂 冷蔵庫（家電リサイクル法対象品）
	電子レンジ	🌟光
	湯沸かしポット
	炊飯器
照明ほか	照明器具（ＬＥＤ・蛍光灯・白熱電球） ◇ テレビ（家電リサイクル法対象品）、パソコン、スマホ
動力	洗濯機

家電で、生活に必須と思われているのは、冷蔵庫、洗濯機、スマホなどです。家庭で使われるエネルギーは、電気が最も多く、平均世帯あたり 400～500kWh程度となっています。次いで、都市ガス、ＬＰガス、灯油となっています。冷暖房が最も多くなっています。電気は、そのまま備蓄ができません。今使っている電気は、今、作っている電気です。

電気機械器具は、家庭用品品質表示法で、品質表示が義務付けられています。

給湯器

ボイラーの種類

表 8 . ボイラーの種類

大分類	小分類	性質や特色	応用例

丸ボイラー	立てボイラー
丸ボイラー	炉筒煙管ボイラー
水管ボイラー	自然循環式水管ボイラー
	強制循環式水管ボイラー
	貫流ボイラー
特殊ボイラー	廃熱ボイラー
	特殊燃料ボイラー
	熱媒ボイラー

密閉容器に水を入れて加熱し、必要な温度・圧力の蒸気または温水をつくる部分をボイラー本体と言います。燃料を空気とともに送り込んで燃焼させ熱を発生させる空間部分を燃焼室といい、燃料に応じた燃焼装置（バーナー）を備えています ^6

) 。

火力発電では、貯炭サイロからの石炭を微粉炭機で、微粉炭として燃焼し、巨大ボイラーで超純水を水蒸気として、蒸気タービンを回し、発電します ^7

) 。

水の臨界温度は374℃、臨界圧力は22.1MPa（218気圧）である。ハーバーボッシュ法 130気圧、140度。火力発電の最新設計の発電ボイラーでは、高価なNi基合金を使い、主蒸気の圧力は30MPaG以上、温度は600℃級超々臨界圧(USC)から700℃級先進超々臨界圧(A-USC)へ至っています。 * PDF * *

仕事と熱

表 9 . 仕事と熱

	仕事	熱

エネルギー	エンタルピー	エントロピー
流動	慣性力	粘性力
物質移動	泳動	拡散
固体・粉体	慣性力	摩擦力

レイノルズ数

Re=Duρ/μ=ρv2/(vμ/D)

ρv2：慣性力（弾性）

vμ/D：粘性力

アリはなぜ泳げないか？

^8

)

熱エネルギー

エネルギー〔 Wh(ワットアワー) 〕＝示強変数×示量変数

熱エネルギー（電力量）〔Wh〕＝温度〔K〕× 熱容量〔Wh/K〕

熱エネルギー（電力量）〔Wh〕＝温度〔K〕× 比熱〔Wh/kg〕×質量〔kg〕

水熱容量＝ 4.2J/L・K * 米沢：地域区分3 最低水温：東北地方　5℃

表 10 . 給湯器

種類	方式	エネルギー源

エコキュート	ヒートポンプ	電気
電気温水器	ジュール熱	電気
エコジョーズ	コンデンシングボイラー	ガス
エコフィール	コンデンシングボイラー	石油
エコワン	ヒートポンプ／コンデンシングボイラー	電気／ガス

住宅でエネルギー消費が多いのは、お風呂やキッチンの給湯と暖房です。家電でも、冬場のエアコンです。

沸き上げ温度が約65℃～80℃ 300Lタイプエコキュートの出湯量温度差75 300L=300kg、水の比熱 0.0011676〔kWh/kg・K〕、熱容量 0.35028〔kWh/K〕電力量 26.271〔kWh〕

住宅

表 11 . 住宅の躯体材料

分類	材料	工法	特徴

鉄材（金属）	鉄鋼	軽量鉄骨
鉄材（金属）	鉄鋼	重量鉄骨
🏞 木材	木材	軸組工法
🏞 木材	木材	２×４工法	気密、断熱、耐震性
石材（セラミックス）	瓦、 ◇ レンガコンクリート	瓦、レンガ、コンクリート

交通機関

表 12 . 交通機関

分類		交通機関	ノード

👨‍🏫 陸路	街道	徒歩、牛車、馬車	宿場町 ^9 )
	鉄道	蒸気機関車、電気機関車	駅
	新幹線	🚅つばさ	駅
	一般道	徒歩、🚲自転車 🚗 自動車 🚌バス 🚕タクシー	👨‍🏫 道の駅
	高速道	🚂 🚗 自動車 🚌バス 🚕タクシー	サービスエリアパーキンエリアインターチェンジ
海路		船舶	港
空路		航空機	👨‍🏫 空港

人やモノを輸送するには、道と移動手段が必要です。

交通手段が変わると、道も変わります。鎌倉時代に馬が使われるようになると関所が移動しました。

蒸気機関の発明で人類は動力を手に入れました。

しかし、車両を動かすには平な道が必要です。動力を使った最初の車両は、蒸気機関車でした。それを走らせるために鉄道網が整備されました。人荷を積み下ろしするための停車場や駅も整備されました。

自動車が普及するとアスファルトの道路網が整備されました。

👨‍🏫 境の明神＠福島県白河市 👨‍🏫 境の明神＠栃木県那須町 👨‍🏫 こころの歴史白河関の森公園＠福島県白河市 👨‍🏫 旧新橋停車場　鉄道歴史展示室＠東京都港区 👨‍🏫 日本橋・日本の道１００選＠東京都中央区 👨‍🏫 北前船の時代館：新潟市文化財急小澤家住宅＠新潟県新潟市中央区 👨‍🏫 豊橋市二川宿本陣資料館＠愛知県豊橋市

熱の移動

表 13 . 熱の移動

形態

対流 convection		自然対流、強制対流
熱放射輻射	熱エネルギーが、光エネルギーとなって真空中でも移動します。	ステファンボルツマンの法則 $E_{b} = σ T^{4}$
熱伝導・拡散	温度勾配／拡散係数	エントロピーを最大に拡散方程式

拡散は熱移動だけでなくイオン移動や物質移動でも起こります。

熱流量q（伝熱速度）は、フーリエの法則に従い、温度差⊿tと面積Aに比例し、長さlに反比例します ^10

) 。

$q = k_{s} A \frac{(t_{1} - t_{2})}{l}$

👨‍🏫 数式の表現、量の表現

伝熱

表 14 . 伝熱

量名	記号	単位	備考

総括伝熱係数（熱貫流計数） *	`U`_a	W/(m²・K)	`q`=`U`_a`A`(`t`-`t`')
熱流量	`q`	W
伝熱面積	`A`_a	m²

住宅では、断熱性能が求められます。自動車用の電池では、放熱性能が求められます。

温室効果ガスと人間活動

表 15 . 46 温室効果ガス
温室効果ガス	地球温暖化係数	原因となる人間活動

二酸化炭素	1	エネルギーアンモニアの製造、ソーダ石灰ガラス又は鉄鋼の製造、ソーダ灰の製造、エコキュート
メタン	25	稲作など
一酸化二窒素（亜酸化窒素）N₂O	298	廃棄物等の焼却もしくは製品の製造の用途への使用・廃棄物燃料の使用
🏞 HFC(R32)	675	最近のエアコン、ネオキュート、エコワン
HFC(R410A)	2090	古いエアコン

熱サイクルでは、冷媒を必要とします。

温室効果ガス排出量tCO₂は、鉄鋼業、石油製品・石炭製品製造業、窯業・土石製品製造業、化学工業、パルプ・紙・紙加工品製造業などで多くなっています。

👨‍🏫 三井デュポンフロロケミカル清水工場＠静岡県静岡市 👨‍🏫 ダイキン淀川製作所＠大阪府摂津市

動力

表 16 . 動力

分類	エネルギー源	応用例

人力	～50W
牛
👨‍🏫 馬	1馬力= 0.746kW	👨‍🏫 鎌倉時代に戦力に
水車
蒸気機関
ガソリンエンジン	ガソリン 100馬力	🚗 自動車
モーター 1831 モーターを発明。

動力〔W〕とエネルギー〔Wh〕は、絶対に間違わないようにしましょう。

流体輸送に必要な軸動力は、理論動力に摩擦などで消費される動力を加えたものです ^11

) 。

動力の歴史

表 17 . 動力の歴史

西暦年　出来事

水車
室町時代　朝鮮使節が日本の水車の驚く
江戸時代　日本で水車が普及精米・小麦・蕎麦の製粉
1891 琵琶湖疎水ペルトン水車で発電
◇ 第一次産業革命（鉄鋼と石炭、動力） ▶ 工業社会（Society 3.0）
1776 ワット蒸気機関（外燃機関）の発明 *
◀ ◇ 第二次産業革命（電気と石油、エネルギー） ▶
1816 スターリングサイクル（外燃機関）
1823 電磁石の発明
1824 カルノーサイクル
1831 電磁誘導の発見
1831 発電機の発明
1831 モーターを発明。
1872 ブレイトンサイクル
1877 オットーサイクル
1897 ディーゼルサイクル

動力の水車は、紀元前2世紀ごろに小アジアで発明されたらしい。以来、再生可能エネルギーの動力として、あるときは製粉、あるときは揚水と使われてきた。日本では、急勾配の川が多いため、江戸時代にはかなり普及した。石炭を使う外燃機関の蒸気機関、石油を使う内燃機関のガソリンエンジンやディーゼルエンジン、そして電気を使うモーターと動力は変遷した。しかし、二酸化炭素抑制排出で、化石燃料はもう使えない。水力がマイクロ水力発電などで注目されているが、日本では水利権などの課題があり、なかなか普及しない。

蒸気機関車

1872年、新橋から横浜へ、日本最初の鉄道が開業しました。蒸気機関は、石炭を燃料としボイラーで蒸気を発生させ、シリンダーに送り熱エネルギーを動力に変換します。蒸気機関車は、その動力で、人や貨物を輸送します。変換効率を上げるため、ボイラーの圧力は、1873年は8.3kg/cm²でしたが、1935年以降は、14kgf/cm²以上となります。そのためボイラーは鋼が使われました * 。しかし、石炭を積載しなければなりません。昭和になると電車へと変わっていきます。

👨‍🏫 👨‍🏫 ＪＩＳ．Ｅ―鉄道、線路

◇ 自動車と動力（ＨＥＶ・ＥＶ・Ｖ２Ｈ・Ｖ２Ｇ）－燃費から電費へ－

自動車は、交通機関として使われます。化石燃料を燃焼するガソリンエンジンやディーゼルエンジンで動力を発生します。

WLTCモードによる燃費表示が義務付けられています。ＥＶの電費は、燃費に換算されます。

表 18 . ◇ 自動車の構成部品

機能	区分	部品

走る	動力発生装置	エンジン（ガソリン・ディーゼル）、モーター、ECU * 、電池
	動力伝達装置	クラッチ、変速機
	走行装置	車軸、ホイール、タイヤ、フレーム
	懸架装置	スプリング、ショックアブソーバ、リンク機構
曲がる	舵取り装置	ステアリング
止まる	制動装置	ブレーキ
支える	車体・その他	ボデー、外装、内装、（ガラス、ランプ、メータ）・その他

10 無機工業化学 02 エネルギー化学

自動車はさまざまな部品から成り立ちます。自動車タイヤボディ鉛電池エンジンシャシ・・・エンジンは鋳造で作りマシニングで仕上げます。キノコバルブは鍛造で作ります。各種部品は CADや CAEで設計されます。

👨‍🏫 ＪＩＳ．Ｄ―自動車の規格 👨‍🏫 交通機関

気体の状態シミュレータ（工事中）

流体の機械エネルギー

表 19 . 流体の機械エネルギー

エネルギー	流体m〔kg〕あたり	流体1kgあたり

運動エネルギー	$\frac{m {\overline{u}}^{2}}{2}$ 〔J〕	$\frac{{\overline{u}}^{2}}{2}$ 〔J/kg〕
位置エネルギー	mgZ〔J〕	gZ〔J/kg〕
圧力エネルギー	$\frac{m p}{ρ}$ $p V$ 〔J〕	$\frac{p}{ρ}$ 〔J/kg〕

m:質量

\overline{u}

: 平均流速

ρ

：密度

流体を輸送するには、流体輸送機（ポンプや送風機）で、配管内を流れる流体にエネルギーを供給します。

👨‍🏫 数式の表現、量の表現

体積と圧力の関係

ボイルの法則：圧力と体積は反比例：pV=一定
シャルルの法則：体積は温度に比例：V/T=一定
ボイル・シャルルの法則：pV/T=一定

p V = n R T

気体の状態方程式

式 ( 1 )

気体の状態方程式:pV=nRT
pV=m/MRT

熱機関は、熱エネルギー（温度差）と運動エネルギー（動力）とのエネルギー変換をします。

ｐＶ線図（カルノーサイクル）

1824 年S.Carnotが「火の動力に関する考察」を発表しました。 ^12

)

👨‍🏫 １９世紀髙橋

状態量

表 20 . 熱力学的状態量

物理量 / 単位	説明	応用例

質量 `m`	天秤で計測します。
物質量 `n`	物質量を直接計測するのは困難なので、固体や液体は、質量を計測し、式量から換算します。液体や気体は、体積を計測します。
分率 `n`_i
⚖️ 圧力 `p`,`P`	圧力計で計測します。
温度 `T`	温度計で計測します。
体積 `V`	液体は、液位を計測します。
熱量 `q`
比熱容量 `C`_V	$C_{V} = \frac{δ q}{d T} = {(\frac{\partial E}{\partial T})}_{V}$
エンタルピー `H`	$H = E + p V$
エネルギー `E`,`U`
エントロピー `S`
⚖️ ギブス自由エネルギー `G`	$G = H - T S$ $G = G (T, p, ni)$

熱力学では、物質と性質を関連させます。状態量は、性質の状態の数量的な表現です。

p V = n R T

気体の状態方程式

式 ( 2 )

分率と濃度

表 21 . 分率と濃度

物理量	単位	応用例

物質量	mol
質量分率（重量分率）重量百分率	質量% 、wt%、mass%、ppm	食塩相当量などは、重量百分率のほうがわかりやすいと思う。
体積分率体積百分率	体積% 、vol%、ppm	気体では、体積分率とモル分率と分圧は同じ。二酸化炭素濃度など。
モル分率（濃度百分率）		相対湿度とか。
質量体積分率（重量体積分率）		化学的酸素要求量生物化学酸素要求量
体積モル濃度	mol/m³ mol/L	滴定とか。
重量モル濃度	mol/kg
質量/体積濃度	mol/kg

また，質量百分率（質量パーセント），体積百分率，物質量百分率のような用語は用いるべきではない（後述の計量法は例外） ^13

) 。

溶媒蒸気圧は、ラウールの法則に従い、ガスの溶解量はヘンリーの法則に従う。このよう溶液の溶媒または、溶質の化学ポテンシャル μ( ミュー ) は、濃度表示法に対応して、各々次式で表されるただし、x,m,Cは、注目成分のモル分率、重量モル分率、容量モル分率を各々示す。 ^14

)

温度、圧力、流量、液位（液面）、組成（成分、濃度）は、プロセス変量（プロセス変数）と呼ばれます ^15

) 。プロセス変量を計測したり、目標値を設定して、制御したりします。 PID制御などが使われます。

熱サイクル

表 22 . 熱サイクル

向き	熱サイクルの種類	性質や特色	応用例

温度差 ⇒ 力学	カルノーサイクル ^16 ) ^17 )		理論・受験（完全気体を仮定するので、計算が容易）
	オットーサイクル	火花点火式式容積型内燃機関（燃料＝ガソリン、プロパン、水素）（作動流体＝排気ガス＝二酸化炭素、水）	自動車（ガソリンエンジン）タクシー（プロパンガスエンジン）、水素自動車（水素エンジン）
	ディーゼルサイクル	圧縮着火式容積型内燃機関（燃料＝軽油）（作動流体＝排気ガス＝二酸化炭素、水）	バス・船（ディーゼルエンジン）
	ランキンサイクル	実在流体サイクル（流体＝水、冷媒）	蒸気機関・火力発電 ^18 ) ・原子力発電
	ブレイトンサイクル	オープンサイクル：燃料＝（灯油、軽油、化石燃料）クローズドサイクル：作動流体＝（ヘリウム）	火力発電、複合発電（タービンエンジン）・ジェット機（ジェットエンジン） *
	アトキンソンサイクル
	クラウドサイクル
	スターリングサイクル	外燃機関
力学 ⇒ 温度差	逆ランキンサイクル	作動流体：冷媒（有機流体）	ヒートポンプ * （ 🚂 エアコン ^19 ) 、冷蔵庫）・冷凍機
力学 ⇒ 温度差	リンデサイクル ^20 )		液化、酸素の製造

熱サイクルにはいろいろな種類があります ^21

) 。エアコンや冷蔵庫の作動流体である冷媒は、温室効果ガスになります。

内燃機関・・・給熱、放熱過程がピストン・シリンダ機構の内側
効率化のために燃料にアンチノック剤などを添加
外燃機関・・・給熱、放熱過程がピストン・シリンダ機構の外側
バイオマス燃料などが使える。

完全気体サイクル・・・作動流体が相変化（液体⇔気体）しない
実在流体サイクル・・・作動流体が相変化（液体⇔気体）する

オープンサイクル・・・作動流体を排気ガスとして環境中に放出
運転時の環境への懸念
クローズドサイクル・・・作動流体を機構の内側で繰り返し使用
廃棄時の環境への懸念

p V = n R T

気体の状態方程式

式 ( 3 )

モーター

表 23 . モーター

大分類	小分類	性質や特色	応用例

ＡＣモーター	インダクションモーター ^22 )	単純な構造でコストが安く、大型化するほど高効率になる	化学プラント機械の動力、鉄道、扇風機
ＤＣモーター
ステッピングモーター		フィードバックなしの位置決め制御

モーターは、電力から動力へのエネルギー変換をします。 *

磁性材料が使われます。

ポンプで流体を輸送したり、ファンで風を送ったりします。

1831 モーターを発明。

nRT=nFE

ファラデー定数は、電気量とモノの架け橋。96500C/molまたは、27kAh/molです。

電気量と電圧と静電容量の関係

理想的なコンデンサ（キャパシタ）では、電圧は電気量に比例します。その比例計数が静電容量です。理想的な電池では、電圧は一定です。なので静電容量は∞です。実際の電池では、電池の起電力が、正極、負極の、活物質の残量モル数で変化します。

電気エネルギーは電気量と電圧の積です。

ここで注意しなければならないのは、右辺のnは、電子の物質量だということだ。

アボガドロ数で割って電子１個あたりに書き直したのが次の式だ。

E=eV

電流と電圧と電気抵抗の関係

電池から電流を取り出すと過電圧による電圧降下が生じます。電流に比例する電圧降下を、電池の内部抵抗と言います。

時代は電気自動車

自動車の燃費と電費

表 24 . 自動車の燃費と電費

区分 *	車種	実燃費 km/L	電費 km/kWh

HV	アクア	21	7
EV	テスラ	19.2	6.4
PHV/PHEV	プリウスPHV
FCV

航続距離は、電費×電池のエネルギー容量です。たとえば、電費が7km/kWhで、電池が40kWhなら、航続距離は280kmとなります。

リチウムイオン二次電池の理論エネルギー密度は、580mWh/gです。 40kWhの電池の重量は68kg。一方21km/Lで280km走ろうとしたら、ガソリンは13L。ガソリンの密度は0.8kg/m3なので、10.4kg。だんぜんガソリンの方が軽くなります。

トヨタコムス（coms）マイクロモビリティ。ＢＥＶ。でも、充電に使う電気を、火力発電でまかなうとしたら、やっぱり石炭を燃やし、熱機関で動力を得なければなりません。

✍ 平常演習

↕ 情報通信

送配電系統管理事業者

↕ 情報通信

電力供給事業者

↕ 情報通信

スマートメーター

↕ 情報通信

室内モニター（ＨＥＭＳ）

↕ 情報通信

家電類・ソーラーパネル

図 13 . スマートグリッドでの情報通信の流れ

米沢市の最高気温の推移

気象庁のデータ平成30年8月23日（木）昭和51年の観測開始から史上最高の37.7℃を観測しました。 *

温室効果ガスである二酸化炭素の増加は危機的状況だ。

図 15 . 二酸化炭素濃度の推移

2025年4月18日の CO₂ 濃度は、 推定448ppm。この100年間で、地球大気中の二酸化炭素の濃度は1.4倍になった。前史時代の二酸化炭素濃度は、280ppmでほぼ一定だった。石炭を使い始めた産業革命から指数的に増加を始めた。石油を使い始めてからは指数項が加わった。

日本の炭素強度は、580gCO₂eq/kWh

今、地球がヤバい。脱炭素社会には再生可能エネルギーの活用が必須。そのためには、電気エネルギーを備蓄する電池が必須なのだ。

国土交通省、気象庁二酸化炭素濃度の経年変化 https://ds.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/co2_trend.html
東北大学大学院理学研究科　大気海洋変動観測研究センター過去250年間の大気中二酸化炭素濃度の変動 http://caos.sakura.ne.jp/tgr/observation/co2

二酸化炭素の生成熱を熱化学方程式で表すと下のようになります。

C + O_{2} = {CO}_{2} + 394 kJ

（反応式- 441）

熱エネルギー

黒体放射

鉄の融点は１５００度。近代製鉄では、その温度を光の色から正確に測ろうとします。量子力学の誕生です。

ロウソクは、熱エネルギーで煤を高温にして、黒体放射で光エネルギーにエネルギー変換します。白熱電球は、タングステンフィラメントで、電気エネルギーでを熱エネルギーに変換し、高温のフィラメントから黒体放射で、光エネルギーにエネルギー変換します。

物体からは、熱や光となって放射します ^23

) 。黒体からの放射エネルギーは、ある波長で極大があり、その極大波長は、物体の温度が高くなると短い方へずれる ^24

) 。

色温度toRGB 黒体放射

電気エネルギー

表 25 . 電気エネルギー（電力量）

モノ	電気エネルギー/ kWh

一日あたりの住宅	11 *
スマホ１回充電	0.001
自動車	40
かつ丼	1

エネルギー（電力量・ワットアワー）と仕事率（ワット）は違います！蓄電池の電池容量は、電気エネルギ―です。

発電の歴史

表 26 . 発電の歴史

年号	出来事

1831年（天保2年）	ファラデー電磁誘導の法則
1832年（天保3年）	ピクシーダイナモを発明
1881年（明治14年）	世界で初めての水力発電 *
1887年（明治20年）	日本で初めての火力発電 *
1891年（明治24年）	日本 ◇ 琵琶湖疏水の落差を利用した「蹴上水力発電所」（水路式、直流、160キロワット）
1963年（昭和38年）	◇ 黒４ダム

図 17 . 金属のイオン化傾向

©K.Tachibana

錆びにくい金属を貴金属と言います。イオン化傾向は、金属と金属イオンの平衡反応の酸化還元電位に関係があります。電位が卑なほど、腐食しやすく、還元しにくくなります。電位が貴なほど、腐食しにくく、還元しやすいです。

直流と交流

図 18 . 交流と直流

直流は、電流の向きと大きさが一定です。交流は、電流の向きと大きさが時間とともに変化します。

交流はトランスで変圧できるので、エネルギーロスの少ない高圧送電に使われます。

光エネルギー

波長530nmの緑色の光ひと粒が持つエネルギーは、225.7105049531kJ/molです。これは、2.33932449873963eVです。定圧下の対称でない多原子分子なら6786.68338445252K相当です。

低圧水銀ランプ。 253.7 nm( UV-B ) の波長で、472KJ/mol（4.9eV）洗浄

184.9 nm(UV-C,VUV) の波長で、647KJ/mol（6.7eV）酸素分子がラジカルに乖離。オゾン発生。

表 27 . 色の表現

種類	RGB	HSB /HSL	CMYK

概念	加法混色光源色	色相環通信	減法混色物体色（表面色、透過色）蛍光色、金属光沢を除く
表現	Red ff0000 green 00ff00 blue 0000ff		cyan 00ffff magenta ff00ff yellow ffff00
用途	ディスプレイ HTML、CSS、 SVG	通信	印刷プリンター、カメラ
ジャンル	エネルギー	情報	材料

図形配色 12 無機工業化学 05 情報処理概論色度座標スペクトル

再生可能エネルギー

バイオマス（籾殻）発電

AXIS M1004-Wの映像 7kW 籾殻コージェネレーション（発電・給湯）システム

再生可能エネルギーとして、太陽光、風力、水力、地熱、バイオマスが規定さてれています。山形県東置賜郡高畠町に技術開発拠点をおくグリーンパワーテクノ（株）は、バイオマス発電で、資源問題に取り組んでいます。

表 28 . 2030エネルギーミックス
電源分類	資源	2010実績	2030 目標

再生可能エネルギー		10	22
	地熱	0	1.1
	🧪 バイオマス	0	4.6
	💪 風力	0	1.7
	🌟 太陽光	0	7.0
	💪 水力	10	9.2
原子力（ランキンサイクル）		25	22
火力		65	56
	🧪 ＬＮＧ	29	27
	🧪 石油	10	3
	🧪 石炭	26	26

バイオマスは、カーボンニュートラルという考え方に基づいており、長期的に二酸化炭素の収支に影響を与えないと考えられています。

🔷 東北電力グリーンプラザ＠宮城県仙台市

表 29 . 情報を維持するのに必要なエネルギー

種類	量	説明

情報	100TB	動画（約120分）×1000本×100人ぐらい 2TB×40+4TB×12+600GB×17, キャッシュ用SSD
最大電力	1600W	設計最大消費電力,家庭用〇電子レンジ2台分
実測電力	1600W	←設計最大消費電力(DB接続不可のため)
⚡年間電力量 (電気エネルギー)	14025.6kWh
年間電気代	420768円	1kWhあたり30円で算出
年間排二酸化炭素	7.2792864t	東北電力の基礎排出係数0.000519tCO2/kWhより算出
ソーラーパネル面積	24㎡	1kWあたりに必要なおおよその面積を15㎡として算出
リチウムイオン電池	15kWh	家庭用蓄電池１台分