エネルギーの種類と物質

前世紀において電気は何物ぞ、物質かエネルギーかという問題が流行した。電気窃取罪の鑑定人として物理学者が法廷に立った事もある。二十世紀の今日においては電気の疑問が電子に移った。電子は連続的のものでなくて粒から成り立っている。一電子の有する電気以下の少量の電気はどこにも得る事が出来ぬ。あらゆる電気はこの微粒の整数倍であるという事になった。それで電気を盗むのはこの電子の莫大な粒数を盗むのである。そこでその電子は物質かエネルギーか。
寺田寅彦, 物質とエネルギーより

今では、省エネだとか、再生可能エネルギーとか日常的にエネルギーという言葉が使われます。しかし、人類が火を使い始めてっからエネルギーの考え方にたどりつくには、ずいぶんと時間がかかりました。今からわずか１５０年ほど前の話です。大学で専門科目を学んだからこそ、見えてくるエネルギーの本質について議論していきましょう。

表 1 . 0. 29 エネルギーの種類

	示強変数	示量変数	物質量あたり	粒子あたり

🧪 化学エネルギー`G`〔J〕	化学ポテンシャル	物質量〔mol〕	アボガドロ数
🔥 熱エネルギー `Q` 〔J〕=`TS`	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` 〔J〕=`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` 〔J〕 🖱	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` 〔J〕 =`hν`	振動数 `ν` 〔Hz〕			プランク定数 `h` 〔J・s〕

00,01, 14. エネルギー化学 01, 02. .エネルギー化学特論

長さ

図 1 . 📏 長さ l/m

©K.Tachibana

デカイか小さいか。長さの概念は、植物では、太陽光を獲得する競争であり、動物では、弱肉強食の競争の尺度と言えます。

帆船の時代～時計の発明～

再生可能エネルギー・・・といっても風力しかなかったこの時代、精度のよい時計が発明されました。そして加速度や力、仕事といった概念が確立されました。ニュートン力学の誕生です。

図

ガリレオは、振り子の⏱周期Tが、振り子の📏長さlに比例することを見つけました。 *

産業革命～蒸気機関の発明～

人類は石炭を燃やして動力を得る方法を発見しました。熱力学の誕生です。

🔥 T-S線図

Q = T S (数式-1)

$S=k \ln{W}$

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
気体の状態方程式:pV=nRT
pV=m/MRT

W = P V (数式- 2 )

ガス

電気～電池と発電機の発明～

１９世紀初頭、人類は電池と発電機を発明し、化学反応や動力から電気エネルギーを得る方法を見つけました。電磁気学の誕生です。

E = Q V (3)

電気エネルギー

エネルギー〔Wh〕＝示強変数×示量変数

電気エネルギー（電力量）〔Wh〕＝電圧〔V〕× ◇電気量〔Ah〕

電気エネルギー〔Wh〕＝電圧〔V〕× ◇電流〔A〕×時間〔h〕

電気エネルギー〔Wh〕＝電力〔W〕×時間〔h〕

図 4 . 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 2 . 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 3 . 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。

製鉄の温度と電子の発見

さらに強い兵器を求めて製鉄を始めます。

$E=h\nu$

E = h ν (*)

黒体放射

鉄の融点は１５００度。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。

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。

振動数とエネルギー

波動方程式

拡散方程式

光と電磁波

表 4 . 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		40kHz	7.5km	電波時計
中波(MW)				📻ラジオ放送
短波(SW)				📻ラジオ放送
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
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	530nm
	青		405nm ( ブルーレイ )	ビデオ記録
紫外線
Ｘ線				☢レントゲン ☢結晶構造解析
ガンマ線				☢γナイフ

04.技術者倫理 02.情報処理概論 01.エネルギー変換特論スペクトル総務省電波利用 5Gプラン波長λ×振動数ν＝光速度c

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

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。

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？

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荷物をずっと持っていると疲れるのはなぜか？

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