HOME 教育状況公表 令和4年10月6日

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 仁科辰夫・立花和宏


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。

  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GJ 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 kB 〔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

Example fillrule-evenodd - demonstrates fill-rule:evenodd 10-1210-1010-810-610-410-21001021041061081010101210141016 原子核 ボーア半径 可視光の波長 人の身長 地球の直径 一秒間に光が進む距離
  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。

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)

  2 100
🖱 体積と圧力の関係
©2021 K.Tachibana
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

  3 電気エネルギー
©2022 K.Tachibana

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〕


  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。


  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。


  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 ν     (*)


黒体放射

  5 194 黒体放射
© K.Tachibana

融点は1500度。その 温度を光の 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

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楽譜の縦軸と横軸
©M.Sekiguchi

波動方程式

  6 波動方程式
© K.Tachibana

拡散方程式

  7 拡散方程式
© K.Tachibana

光と電磁波

  4 電磁波
大分類 小分類 周波数 波長 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
近赤外線 1310nm,1550nm 光ケーブル
可視光 650nm (CD,DVD) 音楽記録 映像記録
566THz 530nm
405nm ( ブルーレイ ) ビデオ記録
紫外線
X線 ☢レントゲン
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

ソーラーパネル

  8 住宅 の屋根一体型ソーラーパネル(アモルファス シリコン型)
© 2022 K.Tachibana

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?

✏ 平常演習 Web Class

荷物をずっと持っていると疲れるのはなぜか?

回答

✏ 課外報告書 Web Class

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


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~


参考文献


エネルギー化学特論
  1. はじめに
  2. 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??

  3. 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??

  4. 電池の起電力と分解電圧
  5. 電気エネルギーと物質~電池の系譜~
  6. 電池の内部抵抗と過電圧
  7. 二次電池とキャパシタ
  8. リチウムイオン二次電池の構造
  9. セラミックス材料~正極活物質と導電助材の働き~
  10. 金属材料~負極活物質と集電体の働き~
  11. 有機材料~リチウム電池の電解液~
  12. 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~
  13. 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~
  14. 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
  15. 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
  16. 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~


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