①エネルギー化学特論

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 . エネルギーの変換

	🧪 化学	⚡ 電力	💪 動力	🌟 光	🔥 熱

🧪 化学	化学反応	👨‍🏫 🚂 電池ｐＨセンサー ^1 ) 二酸化炭素センサー湿度センサー	◇ 鉄砲（火薬）	👨‍🏫 化学発光	👨‍🏫 燃焼バーナー ◇ 暖炉 ◇ 燃料
⚡電力 eV, `FE`	◇ 蓄電池（電解）	変電、インバータ	👨‍🏫 モーター ^2 ) 🔊スピーカー	◇ ＬＥＤ	👨‍🏫 ヒーター電気炉 `Q`=`I`²`R`
💪動力 pV	◇ 高圧合成	👨‍🏫 発電機 🎤マイク	リンク、カム	◇応力発光	👨‍🏫 ヒートポンプ 🚂 エアコン ^3 ) pV=nRT
🌟光 hν	◇ 光合成銀塩写真	👨‍🏫 太陽電池イメージセンサー		◇蛍光	👨‍🏫 ◇ 電子レンジ
🔥熱 RT	◇ 加熱合成	👨‍🏫 熱電変換温度センサー	👨‍🏫 🚂 熱機関 pV=nRT	◇ 白熱電球（黒体放射）

図 1 . 📏 長さ l/m

長さの測定には、物差しやノギスを使います。長さの測定は、光によるので、目視、レンズ、顕微鏡、望遠鏡などが使われます。

質量を長さに変換するには天秤を使われます。

体積を長さに変換するには液位を使います。

図 2 . レンズ

もっちろん！　そして、私！もうすぐ山大を卒業します！

そっかー、在学中にばっちり勉強したんだね、

いろいろ教わったけど今回で最後かあ・・・さみしいなぁ（泣）

じゃあ最後の卒業記念にカメラとレンズのこと、特別に教えてあ・げ・る！

（萌えモードでウインク）

オープニングＶＴＲ

ピカッとさいえんす「レンズ」

カメラはレンズからなる光学系とセンサーからなる受光部からなります。レンズには、ガラスやプラスチックが使われます。レンズは、カメラだけでなく、眼鏡、望遠鏡、顕微鏡、ステッパー、ＣＤプレーヤーなど多くの道具に使われています。

👨‍🏫 日本カメラ博物館＠東京都千代田区

図 4 . 100
🖱 体積と圧力の関係

©2021 K.Tachibana ^* , C1 Lab.

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。

図 6 . 100
🖱 電気量と電圧と静電容量の関係

©K.Tachibana

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。

表 3 . 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。

表 4 . 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、やっぱり石炭を燃焼して、熱機関で動力を得なければなりません。

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 ^4

) 。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 ^5

) 。

色温度toRGB 黒体放射

表 5 . 電磁波

大分類	小分類	振動数（周波数）	波長 `λ`( ラムダ ) *	用途

長波（LF）		40kHz 125kHz	7.5km 2.398km	電波時計スマートキー
中波(MW)				📻ラジオ放送
短波(SW)		13.56MHz		📻ラジオ放送 NFC
VHF				📺アナログテレビ放送
UHF		470MHzから710MHz ( 地上デジタル )、 700M～900MHz( 4Gプラチナバンド )	0.42～0.63m 0.33～0.42m	📺テレビ放送、 📱スマホ
マイクロ波		1.5G～3.5GHz( 4G ) 、 2.4GHz /5GHz( WiFi ) 3.7GHz/4.5GHz( 5G) 28GHz(5G) 90G～300GHz( 6G)	125mm 0.99～3.33mm	電子レンジ、📱スマホ、 📶WiFi 秒の定義
赤外線	遠赤外線	0.2～74THz	4μm～1000μm	床暖房
赤外線	近赤外線		1310nm,1550nm	光ケーブル
可視光	赤		650nm (CD,DVD)	音楽記録、映像記録
	緑	566THz 540THz	530nm 555nm	カンデラ (cd)の定義
	青		405nm ( ブルーレイ )	ビデオ記録
紫外線	UVA		320～400nm 365nm	ブラックライト
	UVB		280～320nm
	UVC		100～280nm 254nm	殺菌灯
Ｘ線				☢レントゲン ☢結晶構造解析
ガンマ線				☢γナイフ

人間が、直接認識できるのは、電磁波のうち、可視光と一部の赤外線だけです。

ソーラーパネル

太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換します。

禁断のエネルギー、原子力

E = m c² (*)

究極のエネルギー原子力。原子核物理学の誕生です。原子炉一基あたりの発電量はおよそ 1,000,000kW です。

基本単位の標準

図 12 . 基本単位の標準

参考文献( 書籍・雑誌・URL )

エネルギーとは仕事をするのに使う「何か」です。仕事は力でモノを動かすことです。力を入れてもモノが動かななければ仕事をしたことになりません。仕事をしていないのだから、エネルギーも使わなかったことになります。

重いモノを持ってみます。もちろん、持ち上げるときは、持ち上げた分だけ動かしているのだから、仕事をしたことになります。では、持ち上げ終わったあとはどうでしょう。ただ手に持って動かさないのでは、いくら力を入れていても仕事をしたことにはなりません。でも、思いモノを持ち続けると、疲れてきます。このときエネルギーは使っていないのでしょうか？