エネルギーの種類と物質

山形大学  理工学研究科（工学系）  物質化学工学専攻  🔋 C1 立花和宏

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 NA
🔥 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  kB 〔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

	🧪 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	◇ 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 Q=I2R
💪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）

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。

© 2012 K.Tachibana ^* , C1 Lab. ,HPC NCV

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

© 2012 K.Tachibana ^* , C1 Lab.

ピカッとさいえんす「 レンズ 」

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

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。

$S=k_{\mathrm{B}}\ln W$

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。

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。

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。

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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。

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

熱エネルギーの示強因子です。

熱エネルギー＝温度×エントロピー

温度を長さに変換するには、物質の体積膨張を使う。それが 液体封入ガラス温度計だ。

温度計を検索してみましょう。

© K.Tachibana

© K.Tachibana ^* , C1 Lab.

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
	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。

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ソーラーパネル

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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。

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基本単位の標準

参考文献( 書籍 ・雑誌 ・URL )

• エネルギー庁
• エネルギー管理士
• インピーダンスのセミナー

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？

荷物をずっと持っていると疲れるのはなぜか？

回答

電磁石は電流をずっと流し続けないと鉄を吸い寄せられないのはなぜか？

回答

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蓄電・蓄エネをインフラに頼らない自エネ組。エネルギーマネジメントも自分たちで。

02. データ通信技術からスマートグリッドまで～ライフラインとしてのインターネット～

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• 1. 山下正通、小沢昭弥,現代の電気化学,丸善,10.3.1. ｐH電極, p.248(2012)
• 2. 谷腰欣司,【図解】モーターのしくみ,日本実業出版社,大パワー化できるインダクションモーター(1995)
• 3. 小菅人慈　ほか10名,化学工学,実教出版,5.2. 空気の調湿(2023)
• 4. 小菅人慈　ほか10名,化学工学,実教出版,4.1.1. 熱の移動のしかた(2023)
• 5. 井上勝也,現代物理化学序説,培風館,2.2. 電子のエネルギー状態(1974)

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• はじめに
• 1 . ◇ エネルギーの種類と物質

  「椅子を高く持ち上げたときに消費するエネルギーは、椅子の位置エネルギーに時間をかけて求めることができる」はほんとうか？? 問

• 2 . ◇ 電解工業と電気化学

  銅の電解精錬に使う電力は何のためか？それを節電するにはどうしたらいいか？注意すべき点は何か？? 問

• 3 . ◇ 電池の起電力と分解電圧
  • 電池の起電力
  • 分解電圧
• 4 . ◇ 電気エネルギーと物質～電池の系譜～
  • 亜鉛めっきと銅めっき
  • ダニエル電池の充電
• 5 . ◇ 電池の内部抵抗と過電圧
  • 過電圧の種類
  • 反応抵抗とターフェルの式
• 6 . ◇ 二次電池とキャパシタ
  • 二次電池 の 電池容量
  • キャパシタ の 静電容量
• 7 . ◇ リチウムイオン二次電池の構造
  • 正極の反応
  • アルミニウムのアノード酸化
  • 界面とバルク
• 8 . ◇ セラミックス材料～正極活物質と導電助材の働き～
  • 分極の種類とイオン結合
  • 点群と空間群
  • ノンストイキオメトリー
  • 正極活物質
  • 炭素材料と導電助材
  • 電気二重層容量の測定
• 9 . ◇ 金属材料～負極活物質と集電体の働き～
  • 水素過電圧
  • 亜鉛
  • リチウム
  • グローブボックス
• 10 . ◇ 有機材料～リチウム電池の電解液～
  • 有機電解液
  • 導電率を上げる
  • インピーダンスから 溶液抵抗
• 11 . ◇ 高分子材料～リチウム電池のバインダーやセパレータの働き～
  • バインダー
  • 導電性高分子
  • セパレータ
  • ラミネートパッケージ
• 12 . ◇ 化学工学とリチウム電池～分散・スラリーの作成と塗布乾燥～
  • 分散
  • レオロジー
  • 塗布乾燥
  • リチウムイオン二次電池の内部抵抗と電気二重層容量
• 13 . ◇ サイクリックボルタンメトリーによる電池やキャパシタの評価
  • ポテンショスタットとガルバノスタット
  • 電池とキャパシタ
• 14 . ◇ 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
  • オシロスコープによる 交流波形の確認
  • 電気抵抗と導電率
  • 静電容量と誘電率
  • ボーデプロットとコールコールプロット
• 15 . ◇ 電池やキャパシタのマネジメント～ＢＭＳやスマートグリッド～
  • パイソン
  • ＡＩ

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管理運用 ： 山形大学 学術情報基盤センター

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名称：Ｃ１ラボラトリー

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