大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
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A. 油は燃えるため、灯りとして利用できるが、液体であるから、持ち運びに不便である。そこで持ち運びに便利な蝋燭というものが誕生する。実際教卓で燃やした蝋燭（2hで完全に燃焼と推定した）の燃焼エンタルピーは37.5Wであるが、明るさは1.5W分程度であった。このことからほとんどが熱エネルギーとして放出されているとわかる。化石燃料とガソリンを比べると、ガソリンのほうがエネルギー密度が高い。そのためガソリン車が普及した。電気自動車というものも存在するが、エネルギー密度は圧倒的に化石燃料の方が高い。 グループワークでは1kWhで走れる距離について話し合った。1kWhで走れる距離について、トヨタの「ヤリス」を選んだ。ヤリスは平均燃費は14.1km/Lだった。ガソリン1Lの発熱量は35MJで、単位換算すると、約10kwhである。エネルギーの変換効率を30％とすると、4.7km/kWhとなり、1kwhでは4.7km走れる。ただし、用いた燃費の数値が市街地モードで、都会のような、交通量や信号機が多いような道での燃費であるから、米沢ではもう少し走れる距離が多いのではという意見が出た。 事後学習では蝋燭1本の燃焼エンタルピーを求めた。蝋燭に含まれるパラフィンの燃焼エンタルピーは42kJ／gであるため、蝋燭1本の燃焼エンタルピーはΔH＝42kJ/g×6g＝252kJである。また、2時間で全て燃焼した場合のワット数は、 252kJ/7200s＝37.5Wである。
A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 ｐｖ＝ｎRT（理想気体の状態方程式） 圧力（P：Pa）を縦軸に体積（V：m^3）を横軸に取ったときのグラフにできる面積は（力学）エネルギー（単位はジュールJ）を表している。 エントロピー（S：J/K）を縦軸に温度（K）を横軸に取ったときのグラフにできる面積は熱エネルギー（J）を表す。 電圧（V）を縦軸に電気量（Q：ｃ）を横軸に取ったときのグラフにできる面積は電気エネルギー（JまたはkW/J）を表す。 すなわち気体方程式の左辺は仕事を表し、右辺は熱を表している。この２つから燃費を求めることが可能であり、この燃費というのは蒸気機関などモノを動かすのに重要な要素である。 ②【発表の要旨】 演題 1キロワットアワーで走れる距離 グループ名 クラウン 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 クラウンの燃費は、モデルやグレードによって異なるが、ハイブリッド車の場合は、WLTCモードで18.0km/L?20.3km/L程度が一般的である。クラウンSPORTS RSなどの電気自動車（EV）モデルでは、電力消費率が約6.06km/kWhである。 クラウンの燃費（ハイブリッド車）: 新型クラウン（セダン）:WLTCモードで18.0km/L クラウンSPORT RS (EV):電力消費率 6.06km/kWh クラウン（スポーツ）PHEV:WLTCモードで20.3km/L クラウンSPORTS RS (EV) の電力消費量: 電力消費率:約6.06km/kWh 一充電消費電力量:14.85kWh/回 EV航続距離:約90km これらの情報から ガソリン１Lあたりの発熱量を33.4MJを電気量に換算すると3.21ｋWｈガソリン車のほうがお得だということが分かった。 ③【復習の内容】 トピック名 ロウソク一本の燃焼エンタルピーを求めよう 化石燃料の一般的な燃焼エンタルピーを５０MJと知っていたのでこれによりパラフィンが燃焼する際の熱量は約２７０ｋJと求まった。 またW（J/s）は単位時間あたりに消費される熱量を表したものである。そのため２時間あたりに消費される電力（W）は２７００００J/3600×２ｓ＝３７．５Wであることが求められた。
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A. アルミニウムの製錬には、ボーキサイトの採掘からアルミナの精製、電解製錬（ホール・エルー法）までの工程があり、1トンの製造に約15,000kWh（約54GJ）の電力が必要とされる。持続可能な製造には、エネルギー効率の向上、リサイクルの推進、再生可能エネルギーの活用が重要であり、リサイクルでは新規製造の約3%のエネルギーで済むため、環境負荷の低減に大きく貢献する。 鉛蓄電池は化学反応を利用して電気エネルギーを蓄える装置であり、放電時には鉛と二酸化鉛が硫酸鉛に変化し、充電時には逆反応が起こる。電極材料や電解液の選定が性能に影響し、リサイクルも容易で新規製造に比べてエネルギー消費が少ない。鉛は有害物質であるため、適切な処理が必要であり、環境保護と持続可能なエネルギー利用に寄与している。 ろうそくの燃焼では、パラフィンワックスの反応により約-252kJのエンタルピー変化が生じ、2時間で燃焼しきると約35Wの熱出力となる。また、トヨタ・ヤリスの燃費とガソリンのエネルギー効率をもとにすると、1kWhあたりの走行距離は約4.7kmとなる。これらの計算は、エネルギーの使い方を理解し、効率的な利用を考える上で有用である。
A.①エネルギー密度とは、単位質量または体積あたりに蓄えられるエネルギー量であり、燃料の性能を左右する重要な指標である。化石燃料、特にガソリンやディーゼルは、高いエネルギー密度を持ち、リチウムイオン電池等と比べると、その差は歴然である。この差により、同じ質量で得られる走行距離や作業量は、化石燃料が依然として有利であることが分かる。電気エネルギーは環境負荷が低く再生可能エネルギーと組み合わせやすい利点があるが、エネルギー密度の面では化石燃料に劣るため、用途に応じた使い分けが求められる。 今回のグループワークでは、1キロワットアワーで走れる距離について調べた。 ②演題は1キロワットアワーで走れる距離ついて調べることあり、グループ名はチームプリウス、属した人は、長尾瞬、那須桂馬、平方誠二郎、菅野隼太郎、須藤春翔、鈴木奏逞であり、役割は調査係。 トヨタのプリウスでは、燃費が約29.0km/Lであるとし、1kWhで走れる距離を計算すると約10kmであることが分かった。 ③私は、車を例にあげて、燃費を良くするために必要なことは何かについて調べた。 調べると必要なことはたくさんあり、主には、急発進や急加速を避け、一定速度で走行することや、不要な荷物を下ろし、タイヤの空気圧を適正に保つことなどが挙げられていた。 私は、燃費を改善することで、年間のガソリン代を節約できるとともに、 二酸化炭素の排出量の削減にもなり、環境への負担軽減にも貢献するのではないかと考えた。
A.① まず、授業初めに上杉鷹山についての話を聞いた。菜種油は戦国時代に主流になった。上杉鷹山は、漆からでてくるろうを用いて、ろうそくの原料を開発した。漆よりハゼの方が煙が出ないことから、ハゼの方が主流になっていった。これに関連して、授業では、ろうそくの燃焼エネルギーなどについて学んだ。パラフィン6グラムから得られる熱量を求めたら、270kjであることが計算結果から求まった。授業中にろうそくに火をつけ、1時間で半分くらいのろうそくが消えたので、そこから得られる情報をもとに、ろうそくの電力を求めると、135000j/3600sで37.5Wであることがわかった。 ②１キロワットアワーで走れる距離についてベンツを例に考えた。ガソリンの発熱量は約10kwhでベンツの燃費は19.4kw/Lであった。変換効率を30%と仮定したら3kwhが運動エネルギーとして使用されるので計算すると、6.4km走れることが分かった。また、電気と比較をして、電気の場合は、満タンで500~600km走れるので計算結果8.8kmということが分かった。比較すると、電気の方がまだ効率が良い。 ③授業内でろうそくについて出てきたので、ろうそくについてまとめた。ろうそくの歴史としては、紀元前3000年頃に古代エジプトで麻の芯に動物性脂をしみ込ませた灯火が使われた。これが始まりである。時代は経ていき、日本では上杉鷹山が漆からでてくるろうを使って、ろうそくの原料を開発した。素材はどんどん進化していき、動物脂、蜜蝋、木蝋、鯨蝋、パラフィン蝋などが出てきた。現在のろうそくの用途としては、明かりだけではなく、リラックス効果に用いたアロマキャンドルや仏壇用、結婚式や誕生日、インテリアなど用途が広がった。
A.①本講義ではだ一回目で学んだ気体の状態方程式についての確認を行った。特に各項の単位の角煮を行った。それぞれの記号が何を示しているかの再確認をし物理量を扱う際に単位の重要性を学んだ。その後、産業革命以降は石油から石炭に変わり燃費を減らす目的があることを学んだ。パラフィンと乾電池を比較して電気燃料と化石燃料どっちが良いのか課題としてグループワークをした。この際、化学式をたて、エンタルピーを試料して行った。その結果、電気燃料のほうがいいことがわかった。身近なものからエネルギー量を算出することでエネルギーの価値を見出した。 ②グループワークではランボルギーニとテスラの燃料の1kwhで走れる距離を比較した。ランボルギーニでは5.8km/Lに対しテスラは6.4km/kwh。燃費がランボルギーニがハイオクの場合5kw/L、テスラがハイオク35?J/Lで10kwhで変換効率を3％と仮定すると6.4㎞/kwh走れることがわかった。よってテスラのほうが燃費がいい。 ③エンタルピーとは熱エネルギーのやり取りに関する熱力学の状態量の一つで特に圧力が一定の条件下での熱の出入りを扱う時に使われる値。
A. 講義では、上杉鷹山が漆をろうそくの原料として活用しようとした試みが紹介され、和ろうそくという伝統が生まれた一方で、その試み自体は失敗に終わったことが示された。また、ろうそくの燃焼を通じてエネルギーの定量的について学んだ。パラフィンを炭素数25の化合物と仮定し、化学反応式から燃焼エンタルピーを求めることで、6gのろうそく1本あたり約281kJのエネルギーが放出されることが示された。このエネルギーを2時間で使い切ると、約39Wの出力になる。身近な対象を通じて、化学反応とエネルギー量の関係を理解する良い機会となった。 発表では、エネルギー変換効率に着目して、ガソリン車と電気自動車の電費を比較した。ガソリン1Lには約10kWh相当のエネルギーがあり、そのうち30％が運動エネルギーとして利用されると仮定すると、ジープ・レネゲードの燃費17km/Lは約5.7km/kWhに換算される。一方、フォルクスワーゲンの電気自動車は約6.0km/kWhであり、両者に大きな差はないことがわかった。 復習を通して、エネルギー源の選択には密度・効率・環境負荷という複数の視点が重要であると感じた。化石燃料は高いエネルギー密度を持つ一方、二酸化炭素の排出が多い。電池は低密度だが再利用性に優れる。単なる数値比較だけでなく、利用する場面や将来性も含めてエネルギーを選ぶ必要があると実感した。
A.①エネルギー密度について詳しく学んだ。エネルギー密度とは、ある物質や装置が単位あたりにどれだけのエネルギーを蓄えられるかを示す指標である。主に質量あたりのエネルギーと体積あたりのエネルギーの2種類がある。今現在多く利用されているガソリン車を燃費15km/Lでエネルギー密度が8.8kWh/Lであるとすると、1kWhあたり1.7km走るということがわかる。水素自動車は燃費を100km/kg、エネルギー密度を33.3kWh/kgとすると、1kWhあたり3.0km走るとわかる。よって水素自動車の方が1kWhで多く走るということが分かった。 ②車をカウンタックアヴェンタドールとして燃費を計算した。燃費は20/100(km/L)とすると、1kWhは3.6MJであるので1Lのガソリンのエンタルピーは34.2MJであり、1kWhは3.6/34.2と近似することができるので、それと燃費を考慮して0.105Lあたり0.525km走ると分かった。 ③ ガソリン以外のエネルギー源について調べた。リチウムイオン電池や水素などは密度が低いため、輸送や貯蔵に工夫が必要であるそうだ。エネルギー密度は、電池や燃料の性能比較や、輸送機器の軽量化設計において重要な役割を果たしていることも分かった。
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A.①前回は燃費、燃焼というのがキーワードだったね。授業の前にろうそくに火をつけてみます。上杉鷹山公は持ち運べる明かりを作ろうとしていたんだ。では、このろうそくの燃焼エントロピーを求めてみよう。大体250kJだと分かったと思うけど、これをフェルミ推定と呼ぶんだ。そしてろうそくのエネルギー密度も分かったね。 ②「1キロワットアワーで走れる距離」グループ名：チームレクサス 久田、久保、石毛、山川 役割：調査、可視化 EV車としてリーフを選び、比較対象でガソリン車のレクサスを選んだ。日産リーフXは1kWhで6.45km走れて、レクサスは1Whで3.33km走れることが分かった。よって、リーフの方が燃費が良いが、レクサスは燃費の良い車とは言えないため、比較対象は例えばノートやヴィッツを選んだ方がより精密な比較ができたのではないかと考える。 ③日産リーフXは6.45km/Whで走る。一方ガソリン車のレクサスCTは23.9km/Lとなっている。1Lのガソリンの発熱量35MJで、単位換算し約10kWhとなるため、変換効率30%とすると、電費に換算して約8km/Whとなるため、ガソリン車の方が電費が良いと分かる。
A.①第二回の授業ではろうそくを取り扱いました。ろうそくに火をつけ、1時間で半分が燃焼したとき、発生したエンタルピーは270kJでした。発熱量からワット数を求めるには、燃焼によって発生した熱量を時間で割ればよいので今回は、270kJのうち半分の135kJが1時間（3600秒）で放出されたと考え、W＝135kJ ÷ 3600s＝37.5Wと求められました。よって、ろうそくの発熱出力は約37.5Wである事がわかりました ②ワークショップではベンツのガソリンの発熱量について話し合いました。ガソリンの発熱量が35MJ(10kWh)のときベンツの熱量は19.9lm/Lとなり、交換効率を30%と仮定したときｋWhが運動エネルギーとして使われることになります。よって19.9÷3で6.4km走ることができるという計算になりました。電気の場合、電気満タンで500~600km、ガソリンは400kmであるため計算するとガソリンと電気では電量はさほど変わらないという答えが出ました。 ③ろうそくやガソリンの発熱量を通じて、エネルギーの定量的な比較ができることを学び、特にワット数や熱効率を計算することで、同じエネルギーでも使われ方や変換効率によって利用可能な仕事量が異なることに気づきました。また、電気とガソリンの航続距離を比較することで、燃料の種類によるエネルギー密度や効率の違いに興味を持ち、今後は再生可能エネルギーとの比較も調べてみたいと感じました。
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A.①ろうそくは6ｇ、電池は23ｇであり、ろうそくはパラフィンが集合したものであった。 ②パラフィンは炭素数が20以上の物質であるので、今回の計算において炭素数を20と仮定して計算した。化学反応式はC20H42+41/2O2=2CO2+21H2Oとなる。CO2の燃焼エンタルピーは-393.51、H2Oの燃焼エンタルピーは-285.83、C20H42の燃焼エンタルピーは-456,094であるので生成物-反応物より、{20×(-393.51)＋21×(-285.83）}－(-456.094)=13416.54 (kJ/mol)ろうそく（パラフィン）の物質量は 6/282 (mol)であるので13416.536×（6/282）＝-285(kJ)となり、燃焼に伴うエンタルピーは285(kJ)の発熱反応であることが分かる。1時間で半分燃焼するろうそくとすると、1時間燃焼したときのワット数が39.58(W)なので、2時間で全て燃焼しきったときのワット数は79.16(W)となった。 ③ろうそくはあまり光エネルギーには変換していないことが分かった。
A. 上杉鷹山はロウを漆から作って和ろうそくの産業にしようとしていた。 パラフィンのろうそく1本を燃焼した時のエネルギーを計算した。ざっくりした数字を用いて計算。フェルミ推定。ろうそく約３０ｗ使っているが明るさ的にはライトの１ｗ程度 石油はエネルギー密度が高い。本質的に電池は石油にエネルギー密度で勝てない。電気エネルギー=電気量[c]示量因子×電圧[V] 電力量ともいう[J]でもあるが工学的には[kWh] エネルギーの量を示す。電力[W]、動力[W] /s単位時間当たりに使う量、ペースを示す。 この授業での演題は1キロワットアワーで走れる距離だった。共同著者は山根寿々、坂本彩夏、向田有稀であった。私たちの班ではトヨタのヤリスについて調べた。ヤリスは市街地モードで14.1ｋｍ走行することが出来る。ガソリン１Ｌの発熱量が35ＭＪ＝１０ｋＷｈであり変換効率を３０％とすると14.1㎞/ｋＷｈ＝4.7ｋｍ/kWhである。 復習では以下の内容を行った。パラフィンを１ｇ燃焼させたときのエネルギーは42kJ/gなのでろうそく一本燃焼させたときのエンタルピーは6g*42=252kJ また二時間で燃焼しきったときのワット数は 252/7200=35W
A.1.講義の再話 パラフィン ６ｇから取り出せるエネルギー パラフィン（paraffin）とは、炭化水素化合物（有機化合物）の一種で、炭素原子の数が20以上のアルカン（一般式が の鎖式飽和炭化水素）の総称である。その炭素数にかかわらず脂肪族飽和炭化水素 と同義語とされる場合もある[1]。和名では石蝋（せきろう）とい ドデカン C12?H26?+237?O2?→12CO2?+13H2?O デカンの標準燃焼エンタルピー（完全燃焼によって放出されるエネルギー）： ΔH?=－7513 kJ/mol （※負の値＝発熱反応） ２発表 メンバー 須田琥珀 松本碧衣 菅井昨夜 秋山 そうた 銅と亜鉛を用いた電池 ボルタ電池の図を書いた。 ３ 復習 後期の実験でボルタ電池を作成した方により復習できた。また、エンタルピーについて、料理や実験をしているときに気になる現象があったので調べた。
A. パラフィンとは、炭素と水素のみからなる炭化水素の仲間で、特に直鎖状の構造を持つものを指す。常温では固体で、ろうのような性質がある。主な用途としては、ろうそく、化粧品、医薬品、食品包装、防湿処理などがある。6gのろうそくから取り出せるエネルギーは-7513kJ/molである。 演題は「1キロワットアワーで走れる距離」、グループ名はものもらい、共著者は鈴木純奈、須田琥珀、松本碧衣、私は記録を担当した。電気自動車のサクラは8.06km/kWh、ガソリン車のデイズは23.3km/l、電気自動車に換算すると7.77km/kWhである。よって、電気自動車の方が燃費が良い。ガソリン車のメリットは燃料補給の迅速さ、長距離走行に適していることであり、電気自動車のメリットは燃料費の低さ、環境にやさしいことである。 復習として、完全燃焼について述べる。完全燃焼とは、燃料が十分な酸素と反応して、二酸化炭素と水のみを生成し、燃料中のエネルギーを最大限に熱として放出する理想的な燃焼である。これにより燃焼効率が極めて高く、煤や一酸化炭素などの有害物質をほとんど出さないため、環境負荷も小さい。また、燃料の炭素および水素の割合が多いほど得られる熱量は大きくなる。大学の理論的考察にも資する、効率のよいエネルギー利用だといえる。
A.1/講義の再話：エネルギーにはいくつかの種類があって、たとえば太陽光や風力、水力といった自然から得られる再生可能エネルギーがある。一方で、石油や石炭、天然ガスのように限りがある化石燃料もある。ほかにも原子力エネルギーのように、少ない量で大きなエネルギーを生み出せるものもある。それぞれのエネルギーにはメリットとデメリットがあるから、状況に応じて上手に使い分けることが必要だと思う。 2/発表の要旨：「1キロワットアワーで走れる距離」 まず1kWh のエネルギーを使ってガソリン車のランボルギーニがどれくらい走れるかを計算してみる。まず、1kWh は 3.6 メガジュール（MJ）に相当する。そして、ガソリンの発熱量（低位発熱量）は約 34.2MJ/L だから、1kWh は約 0.105 リットルのガソリンに換算できる。 次に、ランボルギーニ・アヴェンタドールなどのガソリン車の燃費を考える。このモデルは高性能だが燃費は良くなく、実際には 100km 走るのに約 20 リットルのガソリンを消費する。したがって、0.105 リットルでは次のように計算できる： 100 × 0.105 ÷ 20 = 0.525 km つまり、1kWh 相当のガソリンでアヴェンタドールは約 0.525km しか走れない。 一方、電気自動車のランボルギーニ（例：Urus SE PHEV）の場合、電気モードでの消費電力は約 39.5kWh/100km とされている。この数値から、1kWh で走れる距離は次のように求められる： 100 ÷ 39.5 ? 2.53km つまり、同じ 1kWh で電気のランボルギーニは約 2.53km 走れる。 これらの結果を比べると、電気自動車の方が 4?5 倍も効率が良いことがわかる。なぜなら、電気モーターのエネルギー変換効率は 85?95% と高いのに対し、ガソリンエンジンの効率はせいぜい 20?30% しかないからだ。ガソリン車ではエネルギーの大半が熱として失われるが、電気自動車はほとんどの電力を駆動力に変えられる。 つまり、同じエネルギーを使っても、電気自動車の方がはるかに長く走れる。環境にも優しく、エネルギー効率の面でも圧倒的に有利だと言える。 3/復習の内容：エネルギーは人間の生活に欠かせない存在で、私たちは毎日のように電気やガス、ガソリンなどさまざまな形でエネルギーを使っている。冷蔵庫やエアコン、スマホの充電から始まり、通勤や調理など、どの行動にも何らかのエネルギーが必要だ。もしエネルギーがなくなれば、現代の便利な生活は成り立たない。だからこそ、再生可能エネルギーの導入や省エネの工夫が求められている。私たちはエネルギーのありがたさを理解し、無駄にせず使うことが大切だと思う。
A.第二回の授業「エネルギーと生活―動力と電力―」では、まず前回学んだ気体の状態方程式について、特に各項の単位の確認を行った。圧力、体積、温度、モル数の関係を式に基づいて再確認し、物理量を扱う際に単位を意識することの重要性が改めて強調された。 その後は、ろうそくからどの程度の熱量が取り出せるのかを計算する課題に取り組んだ。例として用いたのは6gのパラフィンで、これは0.0695molに相当し、燃焼熱が42MJ/kgであることから、掛け算によっておよそ252kJの熱量が取り出せると算出された。身近な物質から得られるエネルギー量を数値として把握することで、エネルギーの価値をより現実的に理解することができた。 グループワークでは、ガソリン1Lで車がどれだけ走れるかというテーマに取り組み、具体例としてベンツの燃費（19.4km/L）を用いた。変換効率を3％と仮定すると、実際に動力として利用できるのは6.4km分であることがわかり、エネルギー変換の非効率さが印象に残った。
A. ろうそく1本が持つエネルギー量について考える。ろうそくの主成分であるパラフィンは炭化水素であり、化学式は一般に CnH?n+2 で表される。ここで n に20を代入すると、C??H??となり、分子量は約282 g/molである。パラフィンの発熱量は約46 MJ/kg（メガジュール毎キログラム）であり、これはグラムあたりに換算すると約46,000 J/g（ジュール毎グラム）となる。 一般的なろうそく1本は約6gのパラフィンを含んでおり、発生するエネルギー量は 46,000 J/g × 6g = 276,000 J（ジュール）である。これは276 kJ（キロジュール）に相当する。 このエネルギーは燃焼によって熱エネルギーや光エネルギーに変換される。ろうそくの火は小さく見えるが、化学反応により相当なエネルギーを放出している。ちなみに、人体が1日に消費するエネルギーは約8,400 kJ（2,000 kcal）であり、ろうそく30本分以上に相当する。このような日常的な燃焼現象を通じて、エネルギーの保存や変換の仕組みを理解することができる。 グループワークではクラウンの燃費について調べた。新車クラウンSPORT RS(ev)とガソリン車を比較するとガソリン車の方が燃費がいいことが分かる。 パラフィンについて詳しく調べた。パラフィンには気体パラフィン、液体パラフィン、個体パラフィンの3種類であり、それぞれの特徴は無色の気体、無色透明、白色ワックスとなっている。
A. エネルギーは2つの因子の積である。また、量は数値と単位の積である。電気エネルギーについて示強因子は電圧、示量因子は電気量であり、電気エネルギーは電力量として表される。この時単位はジュールであるが、化学的にはキロワットアワー[kWh]も用いられる。これに対して電力や動力はワット[W](=J/s)で表され、ペースの話になる。電力と電力量をとらえ間違えないようにすることが必要である。 グループワークでは、「1キロワットアワーで走れる距離」について栗田さん、菅井さん、秋山さん、福田さんと議論を行った。例としてジープレネゲードを挙げた。燃費は約17km/L。1Lのガソリンの発熱量は35MJであり、単位変換すると約10kWhになる。変換効率を30%とすると約3kWhが運動エネルギーに使われることになるのでジープの電費は約5.7km/kWhである。電気自動車のフォルクスワーゲンの電費は約6km/kWhと分かったので比較するとガソリン車と電気自動車では電費は対して変わらないことが分かった。グループワークにおいて書記の役割を担った。 復習として単位について考えた。キロワットアワーは、電力の使用量やエネルギーの消費量を表す単位であり、日常生活や産業における電気の計量に広く用いられている。エネルギー保存の観点から、異なるエネルギー源の変換効率を評価する際の基準としても扱うことができる。エネルギー消費の可視化や省エネ設計を考える上で、非常に重要な指標であると認識した。
A.今回の授業では縦軸に圧力P、横軸に比容積Vをとった図はカルノーサイクルを学びました。その面積は仕事[J]を表す。また、縦軸に温度 T、横軸にエントロピーS をとった図の面積は熱量[J]を表していると分かりました。また、ろうそくが燃えるのに必要なエネルギーも求めました。 プラグインハイブリッド車のプリウスでガソリンを燃料にした時と電気を燃料としたときの電力量当たりの走行距離を比較した。プリウスは燃費が26.0km/Lで1Lのガソリンの 発熱量は35MJ。単位換算すると35MJ=10kWh。変換効率を30%とすると、そのうち3kWh が運動エネルギーに使われるため、ガソリンを用いた時は、26.0/3.0=8.67km/kWhである。 EV走行させたときは、電費が10.54km/kWhであるため、大きな差はないと言える。 炭を燃やす際のエネルギーについても考えてみた。炭を燃やすときのエネルギーは、発熱量で表されます。一般的な木炭は1kgあたり約8000kcal（約33.5MJ）を発生します。計算には「発熱量 × 使用量」で求められ、たとえば2kgなら約16,000kcalと分かりました。
A.①光エネルギーはE＝hν（プランク定数×振動数）で表され、振動数が高いほどエネルギーが大きく、光の色は赤より青の方が高エネルギーとなる。分光分析では赤外線（IR）や紫外線（UV）の吸収により分子構造の予測で工業的に応用されている。電気化学ではネルンスト式やギブズエネルギーの関係式（ΔG＝-nFE、Δφ＝-RT/e ln〇）が使われる。RTやkTは温度とエネルギーの関係を示し、ボルツマン定数やファラデー定数が関係している。アボガドロ定数（6.02×10??）は粒子数の基本単位として重要であり、量子力学では電子や陽子、中性子といった粒子のふるまいも考慮される。金属は自由電子を持っていて非局在化している。 ②トヨタ、プリウスの燃費効率を電気エネルギー換算で評価する。平均燃費は約29.0 km/L、ガソリン1Lの発熱量は35MJ（約10kWh）であり、エンジン効率を30%とすると、実際に走行に使われるのは3kWh相当である。この条件で計算すると、プリウスは1kWhあたり約10km走行できることになる。これはハイブリッド車がエネルギー効率に優れた移動手段であることを示しており、電動車両との性能比較や環境負荷評価にも活用できる。 ③光エネルギーは振動数に比例し、青色光は赤色光より高エネルギーである。分光分析ではIRやUV吸収を利用して分子構造を推定する。電気化学ではネルンスト式やギブズエネルギーの式が用いられ、エネルギーと温度の関係にはRTやkTが関係する。アボガドロ定数は粒子数の基本単位であり、量子力学では電子などの粒子の性質も重要である。
A.①2回目では、燃焼について学びました。ろうそくは、パラフィンという、炭素数が20以上の材料でできており、ろうそくの光ほどの明るさの電力はおよそ１ Wであると教えていただきました。実際に6 gのろうそくを教壇で燃焼させ、1時間でどれ位燃焼するのかを観察したところ、1時間で約半分ほど燃えました。この燃えた重量を約3 gとして、炭素数n=20 としたパラフィンの分子量を用いて消費された電力に換算すると、約37.5 Wでした。電気の1時間当たりの電力は約30 W位だと教えていただきました。このことから、ろうそくは熱エネルギーによる損失が大きいため、エネルギー効率が悪いということが分かりました。 ②グループ名は金持ち（笑）です。グループメンバーは小野翔太、浄閑祐輝、鈴木晴琉、小池快成、細井蓮です。発表では、１ kWh で走れる距離について、ランボルギーニと電気自動車のテスラを比較して議論を行いました。燃費を km/kWh にそれぞれ換算すると、テスラは約 6.4 km/kwh で、ランボルギーニよりも圧倒的に走れることが分かりました。通常、化石燃料は電気燃料よりもエネルギーが高いのにも関わらず、ランボルギーニのほうがテスラよりも燃費が悪かったのは、ランボルギーニは見た目や走り心地を重視され、エネルギー損失が非常に大きいのではないかという結論に至りました。 ③復習では、授業で出てきたフェルミ推定というワードについて調べました。フェルミ推定とは、限られた情報だけで、換算を論理的に導き出す方法でした。やり方としては、①問題を具体的に定義し、大きな問題を小さく分解する、②想像可能な数字を使って見積もる、③計算してざっくりと答えを出す、④妥当性をチェックする、といった順序でした。今回の授業では、「ろうそくの1時間当たりの電力はいくらか」と問題を定義し、パラフィンの燃焼反応式を立て、量論係数と物質の燃焼エネルギー(kJ/mol)、パラフィンの分子式（炭素数n=20 とした）の数値を仮定して用いて、ざっくりとした電力を求めました。この1連の流れをフェルミ推定というのだと改めて理解することができました。
A.この講義では、エネルギーの種類について学んだ。エネルギーには、化学エネルギー、運動エネルギー、位置エネルギー、熱エネルギー、光エネルギー、原子エネルギーなど様々な種類のエネルギーがあり、これはお互いに関連性があった。特に化石エネルギーはエネルギー密度が高く、それらからなる石油や石炭からエネルギーを取り出すことで、私たちのエネルギーをまかなっている。 発表では、車の燃費についてしらべ、ジープのレネゲードとフォルクスワーゲンの車の燃費はあまり変わらないということが分かった。
A.①電気のグラフは縦軸電圧、横軸電気量で表すことができ、面積は電気量を表す。電気量と物質量の比例定数はクーロンやアンペアを使って表すことができる。ろうそくはパラフィンCnH2+2でできている。ろうそく６ｇに対してのΔHは8.47kJと計算できた。これをWに直すと37.5Wとなった。ろうそくは30W以上もあるのに光として明るくないのは熱エネルギーになっているためである。 ② 車種はクラウンについて調べた。新型クラウンWLTCモードでは18.0km/L、クラウンsportRS(EV)の電力消費量は6.06km/kWh、クラウンPHEVはWLTCモードで20.3kmLであった。ガソリン1Ll当たりの発熱量は33.4MJであり、3.6*10^6J=1kwhなので、ガソリン１L当たり9.27kwhである。つまり、クラウンSPORTとガソリン車を比べると3.21kwhであるガソリン車のほうが燃費に優れている。 ③パラフィンの燃焼式はC{n}H{n+2}+38 O2 → 25 CO2 + 26 H2O である。 パラフィンのCの数を25と仮定すると燃焼エンタルピーは調べたところ約42kJ/gである。したがって、燃焼に伴うエンタルピーは42kJ/g×6g=252kJである。また、252000J/7200s=35J/s=35W である。
A. 第2回の講義では、燃料の燃焼に伴うエネルギーについて理解を深めた。講義では、実際に６グラムのろうそくに火をつけ、これが燃焼する際に放出されるエネルギーを計算した。6グラムのパラフィンの燃焼エネルギーは約270キロジュール、電力量に変換すると約37.5ワットである。1時間経過した時点でろうそくの約半分のところまで燃えていたことから、今回の実験で放出されたエネルギーは135kJ×3600s=37.5Wであると導かれた。また、化石燃料と電池の違いについて、電池はエネルギー密度が低いのに対し、化石燃料のエネルギー密度は高く輸送に適していることが分かった。 グループディスカッションでは、「演題：1キロワットアワーで走れる距離（グループ名：左前、共著者名：大濱風花、百々柚花、研ラエル、竹中呉羽、山口琉夏、役割：発言者）」について話し合いを行った。私たちのグループは、ベンツについて調べた。ベンツの燃費は19.4km/L、１Lのガソリンの発熱量は35MJであり、これは約10kWhに相当する。変換効率を30%とすると、3kWhが運動エネルギーとして使われることになるから、ベンツの燃費19.4km/Lは、電費に変換すると19.4/3=6.4kmとなることが導かれた。 ここで、燃焼エンタルピーについて詳しく説明する。燃焼エンタルピーとは、ある物質1mol完全燃焼するときに放出もしくは吸収するエンタルピー変化ΔHのことである。発熱反応の場合ΔHは負の値を、吸熱反応の場合ΔHは正の値を示す。ある燃焼反応のエンタルピー変化を算出することにより、エネルギー効率の評価や化学・環境工学におけるエネルギー収支の計算に応用することができると分かった。
A.①第二回はエネルギーと生活についての講義だった。燃焼をテーマに話があり、実際に授業中にろうそくを灯した。ろうそくはパラフィンでできており、授業内で使用したろうそくは6gであった。消費エネルギーは1時間で約150kJであり、これを電力に直すと1秒に３０Wの電力で燃焼したことが分かった。ここで、同じエネルギー原料として石油があげられるが、これはエネルギー密度が高く、他のどの燃料も勝つことができない。 ②授業最後の演習は１kWhでどのくらいの距離を走れるのか、またそれはガソリン車と電気自動車ではどのくらい変わるのかについて議論した。班名は右前、班員は大濱風花、立花小春、百々柚花、山口琉夏、竹中呉羽、植村研ラエルの6人であり、役割は書記であった。私たちはベンツを例に考えた。1リットルのガソリンの発熱量は35MJであり、これは約10kWhに相当する。ベンツの燃費は19.4㎞/Lであり、変換効率を30％だと仮定するとガソリン1リットルで3kWhが運動エネルギーとして使われる。よって19.4/3＝6.4より、1kWhで6.4㎞走れる。電気自動車の場合を考える。ガソリンは満タンで約400㎞、電気は満タンで500?600㎞走行する。中間値を取って550㎞とし、先ほど求めた6.4㎞/kWhと比を取って計算すると550:400＝x:6.4 x＝8.8㎞ より、電気とガソリンで電費はさほど変わらないことが分かった。 ③この授業の復習としてろうそく一本の燃焼エンタルピーを求めた。ろうそくがすべてパラフィンでできていると仮定する。また、パラフィンはCｎＨ２ｎ+2であり、ｎ=20であるとする。パラフィンの標準燃焼エンタルピーはおよそ-42ｋＪであり、ろうそく一本を約20ｇであるとすると燃焼エンタルピーは-42×20=840ｋJより、ろうそく一本燃焼エンタルピーの約840kJである。
A.授業で用いたろうそく1本の持つエネルギー計算を順を追って行う。パラフィン(炭化水素)は炭素数20以上のアルカンの総称であり、化学式はC n H 2n+2で表される。 授業で用いたろうそくの重量は6グラムであった。ろうそくは全てパラフィンでできているもので炭素数は20と仮定すると、パラフィンの分子量は約282g/molであるためその物質量は0.0125molであった。炭素数20の直鎖パラフィンの標準燃焼エンタルピーは、文献値で－ 13,000kj/molであるためこれをパラフィン6gの物質量0.0125molとかけあわせた結果、放出されるエネルギーは約276kjであることが求められた。これの半分が1時間(3600秒)で燃え尽きるとするとその出力は37.5Wと計算された。 発表では自動車が1kWhの電力で走れる距離を計算した。私たちの班はトヨタの「プリウス」で求めた。1Lのガソリンの発熱量は35MJ、単位換算を行うと35MJは10kWh変換効率を30％とすると、そのうち3kWhが運動エネルギーに使われる。計算すると26/3.0＝8.67km/kWhとなる。同じくプリウスのプラグインハイブリット車をEV走行させると電費：10.54km/kWhとなる。よって二つの自動車についてほとんど差が生まれなかったと考えた。 復習としてろうそくのエネルギー変換効率について調べた。
A.１．ろうそくに使用されている物質として代表的なパラフィンを例に1時間で燃え尽きるろうそくを使いエネルギー量を求めてみると、これは、同じ量の電球と比べてみても小さい値であった。電球やLEDは、小さいエネルギー量でもかなり明るく発光する。これは、エネルギー効率が良いといえる。 同様に考えてみると、ガソリンが最もエネルギー密度が高いことが分かる。 ２．私たちのグループでは、グループ名を金持ち（笑）として、テスラのEV電気自動車の燃費と自分たちで選んだランボルギーニガソリン車の燃費を比較して、計算しディスカッションした。 ３．エネルギー密度について調査した。エネルギー密度は、電池やキャパシタなどのエネルギー貯蔵デバイスの性能を評価する重要な指標である。単位体積または質量当たりに蓄えられるエネルギー量を表し、Wh/kgやWh/Lなどの単位で表現される。 エネルギー密度の重要性：電気自動車の走行距離延長、ポータブルデバイスの小型軽量化、再生可能エネルギーの効率的貯蔵、宇宙探査機器の長時間稼働 比較と特徴： リチウムイオン電池： 高エネルギー密度（100-265 Wh/kg）で現在主流 スーパーキャパシタ： 低エネルギー密度（5-15 Wh/kg）だが高出力密度 全固体電池： 次世代技術として期待（400-500 Wh/kg以上） 水素燃料電池： 超高エネルギー密度（33,000 Wh/kg）だが貯蔵に課題 最新研究トレンド： ナノ材料を用いた電極開発 新型電解質の探索 ハイブリッドエネルギー貯蔵システム 量子ドットを利用した革新的蓄電技術 エネルギー密度の向上は、持続可能な社会実現のカギとなる。高密度化により、電気自動車の普及加速、再生可能エネルギーの大規模導入、そしてIoT時代のパワーマネジメント革命が期待されている。
A.①ろうそくと電池のエネルギーについて。ろうそくは6g、電池は23gである。ろうそくは光エネルギーよりもほとんどが熱エネルギーに変換されている。 フェルミ推定について。フェルミ推定とは与えられた問いに対して限られた情報や常識的な過程に基づいて理論的な概算値を求めることをいう。 ②発表では電気自動車のサクラとガソリン車のデイズについて考えた。桜の燃費は8.06km/kwh、デイズの燃費は23.3km/l(電気自動車に換算すると7.77km/kwh)である。以上から電気自動車の方が燃費が良いと分かった。ガソリン車のメリットは燃料補給の迅速さと長距離走に適している。電気自動車のメリットは燃料費の低さ、環境へのやさしさが良いことが分かった。 ③電気自動車の燃費について復習した。電気自動車は走行時の二酸化炭素排出量がゼロであるが、製造過程、電力供給源によっては環境負荷がある。特に、バッテリーの製造では多くのエネルギーと資源が必要とされる。バッテリーの原料となるのは鉱物資源の採掘は、環境破壊や水質汚染、土壌汚染を引き起こす可能性がある。原料はリチウム、コバルト、マンガン、グラファイトである。
A.
A. パラフィンは炭素と水素で構成され、ロウソクやワックス、ワセリンに使われる。また、炭素原子数20以上のアルカンであり、完全燃焼するのでCO2とH2Oができる。また、気体の体積は圧力、温度、物質量によってかわり、これは気体の状態方程式に各情報を求めることで各値を求めることが可能である。ボイル、シャルルそしてボイルシャルルの式といった式が存在し、ボイルは温度一定、シャルルは圧力一定のときに使用する。エネルギーについては、PV線図という図が用いられる。 ガソリン車として「ジープ・レネゲード」、電気自動車として「フォルクスワーゲンのEVモデルを選んだ。 ジープレネゲードの燃費は約17㎞/Lである。1Lのガソリンの燃焼で得られるエネルギーは約35×10^３Jであり、これは約10kW/hに相当する。変換効率を30％とすると3kW/hのエネルギーとなるので、これにより17㎞走行できるとすると、電費は約5.7㎞/kWhとなった。 一方でフォルクスワーゲンの電費は約6.0㎞/kWhであり、ほぼ同等の走行距離を同じ電力量で走れることが分かった。この比較から、エネルギー効率においてEVの方がわずかに高いものの、ガソリン車も効率換算をすれば近い性能を持つことが分かった。 環境的な側面やエネルギー変換から走行エネルギーを計算する手間がかからないことからEV車の方が優位になっていくと考えられるが、現時点ではガソリン車もまだ競争率があることが分かった。
A. 縦軸に圧力P、横軸に比容積Vをとった図はカルノーサイクルと呼ばれ、その面積は仕事[J]を表す。また、縦軸に温度T、横軸にエントロピーSをとった図の面積は熱量[J]を表す。またエンタルピー変化ΔHは次の式で表される。ΔH＝ΔU＋PΔV。ΔUは内部エネルギー変化を示す。また、熱量の変化量ΔQもエンタルピー変化ΔHと同様の式で求められる。 プラグインハイブリッド車のプリウスでガソリンを燃料にした時と電気を燃料としたときの電力量当たりの走行距離を比較した。プリウスは燃費が26.0km/Lで1Lのガソリンの発熱量は35MJ。単位換算すると35MJ=10kWh。変換効率を30%とすると、そのうち3kWhが運動エネルギーに使われるため、ガソリンを用いた時は、26.0/3.0=8.67km/kWhである。EV走行させたときは、電費が10.54km/kWhであるため、大きな差はないと言える。 授業ではパラフィンを燃やした時の電力を計算した。そこでほかの燃料について興味をもったため、石炭について考えた。石炭を燃焼させて得られる電力量は、発熱量と発電効率から算出できる。一般的な瀝青炭の発熱量は約24MJ/kgで、これを電力量に換算すると約6.67kWhとなる。火力発電所の平均的な熱効率を40%とすると、実際に得られる電力量は約2.67kWh/kgである。つまり、石炭1kgを燃やすことで家庭用電力の約2.5時間分に相当する電力が得られる計算となる。石炭の種類や設備によって値は変動する。
A.①今回の講義では、上杉鷹山公が漆を作った話からろうそくが減るときに放出されるエネルギーを求めた。何人かのひとに発表をしてもらいそれぞれの求め方があった。この時桁をどこに合わせるか議論されたが求めるに当たって、最初のろうそくの質量を細かい桁まで求めなかった。この値を使うと、厳密な分子量がわからなくても大きい桁で求めることで計算できるとわかった。 ②「1キロワットアワーで走れる距離」グループ名ｃ 榎本理沙、嶋貫莉花、羽生胡桃、遠藤由里香、白坂茉莉香 資料作成 グループワークでは、自動車が1kWhの電力で走れる距離を計算した。私たちの班はトヨタの「プリウス」で求めた。1Lのガソリンの発熱量は35MJ、単位換算を行うと35MJは10kWh変換効率を30％とすると、そのうち3kWhが運動エネルギーに使われる。計算すると26/3.0＝8.67km/kWhとなる。同じくプリウスのプラグインハイブリット車をEV走行させると電費：10.54km/kWhとなる。よって二つの自動車についてほとんど差が生まれなかったと考えた。 ③最後に発表を行ってくれた班では普通の自動車と電気自動車では大きな差ができていた。発表をすることを考えると大きな差が出た方がわかりやすく見ている側も楽しいと感じた。また単位をそろえることで正確な数値として比べることができると実感できた。また、上杉鷹山と漆について調べると鷹山公の漆により財政を立て直す計画は成功したわけではない。だが挑戦する姿勢や市民と同じ貧しい食事を同じように食べていた拝啓を見ると倹約家で藩に対して貢献しようという気持ちが高かったと考察できる。
A. エネルギーの種類として化学エネルギー、熱エネルギー、力学エネルギー、電気エネルギー、光エネルギーがあること、またそれに係る関係式について講義を行った。 発表では、ろうそく一本の燃焼エンタルピーについて計算を行った後に、1キロワットアワーで走れる距離として、ジープのレネゲードを選択し、燃費が5.7kW/hであったことを発表した。 復習として、エンタルピーについて考えた。エンタルピーは、熱やエネルギーのやりとりを考えるときに重要な熱力学の状態量であり、主に化学反応や熱交換の計算、エネルギー収支の評価に使われる。工業的な応用例として、化学であれば反応熱やカロリメトリー。冷凍・空調であればエンタルピー線図（h?x線図）による計算。エネルギー工学であればボイラー、タービン、冷却塔の熱収支についての計算。材料科学であれば融解熱、相転移の評価が挙げられる。エンタルピーは定圧条件での熱のやりとりに対応する量であり、化学反応や相変化では、吸収または放出される熱量とエンタルピーの変化が一致するというという特徴もある。
A.①ろうそくが6ｇであったときに、ろうそく丸々1本を燃焼するときの燃焼熱をフェルミ推定する。ここで、パラフィンの分子式をC??H??と仮定する。一般的に炭化水素の燃焼熱はおよそ－44kJ/gであるため、1mol当たりに換算すると約20000kJ/molとなる。したがって、ろうそくが6gの条件において物質量は、0.01422molとなり、上記の20000をかけ算すると、約284kJ が燃焼エンタルピーとなる。また、これを仕事量の単位に換算すると、284÷3600に対応するため、0.079kWhとなることが分かった。 ②グループワークではランボルギーニアヴェンタドールが1kWhで走れる距離を求めた。1kWhは、3.6MJに相当し、ガソリン1L当たりの燃焼エンタルピーは34MJ/Lと設定すると、1kWhは、0.106Lに対応することが分かる。この車の燃費が5km/Lであることから、計算すると、0.53km走行が可能であると考えられた。 ③自分なりにこの授業で気になったことは、ろうそく6g分のエネルギー量で水素自動車がどれだけ走れるかということである。水素自動車は、水素を燃料電池で電気に変え、モーターを回して走るため、電費は、電気自動車に劣り、4.5km/kWhであるとすると、走行距離は約0.35kmに対応すると分かった。同様にして、7km/kWhの電気自動車の走行距離も推定すると、0.55kmに対応し、20km/Lガソリン車の走行距離は、0.17kmに対応することが分かった。この情報から、実際の車両でのエネルギー効率は無視した状態での理論値は、電気自動車の燃費が一番高く、次いで水素自動車、ガソリン車という位置づけになった。
A. 燃料の燃焼によって得られる熱エネルギーは、様々な形で利用される。ノートには、燃料のエネルギー密度や、内燃機関の効率を考える際の計算が記されている。例えば、ガソリンの燃焼によって得られるエネルギーを車が走る仕事に変換する場合、その効率は熱力学の法則によって制限される。熱力学第一法則はエネルギー保存則を、第二法則はエントロピーの増大を説いており、これは熱機関の効率が100%になり得ないことを示している。燃料が持つ化学エネルギーをいかに有効に利用するか、その効率を上げるための知恵が求められる。 1kWhで何が作れるかを考察し、冷蔵庫の消費電力、アルミ缶の製造に必要な電力、金属精錬のエネルギー消費などを比較した。特に、アルミ缶のリサイクルでは新規製造よりも圧倒的に少ない電力量で済むという点に注目した。 エネルギーの単位であるkWhを具体的にイメージするために、家庭での電気製品の使用例を調べた。冷蔵庫は年間で数百kWhを消費し、1kWhで作れるアルミ缶は数十本であることが分かり、エネルギー消費の「重み」を実感した。
A.石油は大体50MJ/kgであることから大体270kJくらいとなる。こういう求め方をフェミル推定という。W=J/sから大体半分消費したので270kJ÷2で135kJである。これを使って、135kJ/3600s=0.0375kW(37.5W)である。電池はエネルギー密度(MJ/kg)が高くない。電気エネルギーは送電線があれば輸送できるため、電車は効率が良い。車くらいのサイズであるは、車のほうが効率が良い。しかし、温暖化問題があるため、電気自動車が普及し始めている。 私たちの班では、ランボルギーニとプリウスで比較した。ランボルギーニは、1kWh=3.6MTである。なので、1LのガソリンのΔH=3.6MT/34.2MT=…=0.105Lよって、ランボルギーニの燃費は、1kWhで0.525km走れる。対してプリウスは、1kWhで7.46km走れる。よって、プリウスのほうが燃費が良いと分かった。 ろうそくはパラフィンでできている。今回はC??H??として考える。 反応式は、2C??H??+61O?→40CO?+42H?Oとなる。水のエンタルピー:-285.8kJ/mol、二酸化炭素のエンタルピー:-393.51kJ/mol、C??H??のエンタルピー:-691.075kJ/molであるからC??H??+(61/2)O?→20CO?+21H?Oでの燃焼エンタルピーは-21131.12kJ/molである。ろうそく1本3.75gであるから1本0.013molであることが分かった。よってろうそく1本の燃焼エントロピーは274.7kJである。
A.①今回の授業では、ろうそくやパラフィンについて学んだ。パラフィンの燃焼エンタルピーを式を用いて求めた。パラフィンの分子量は377g/molであるため、そこから名称エンタルピーを求めると79.6 Jであることがわかった。これをキロワットアワーにすると、35ワットアワーであることがわかった。また自動車の燃焼エンタルピーについても学んだ。 ② 今回のグループワークでは、自動車が1kWhの電力で走れる距離を計算した。私たちの班はトヨタの「プリウス」で求めた。1Lのガソリンの発熱量は35MJ、単位換算を行うと35MJは10kWh変換効率を30％とすると、そのうち3kWhが運動エネルギーに使われる。計算すると26/3.0＝8.67km/kWhとなる。同じくプリウスのプラグインハイブリット車をEV走行させると電費：10.54km/kWhとなる。よって二つの自動車についてほとんど差が生まれなかったと考えた。 ③今回の授業では、身の回りの生活におけるエネルギーや動力や電力について学んだ。ろうそくやパラフィンについて学び、パラフィンの燃焼エンタルピーを計算した。分子量377g/molから求めた名称エンタルピーは79.6Jで、約35Whに相当する。また、1kWhで自動車が走れる距離も計算し、ガソリン車（プリウス）は約8.67km/kWh、EV走行のプリウスPHVは約10.54km/kWhと、燃費に大きな差は見られなかった。
A. クラウンについて取り上げた。電気自動車とガソリン車の燃費の違いを比べる。電気自動車のクラウンスポーツは6.06km/kwh、ガソリン車である新型クラウンは18.0km/Lであった。ガソリン１Ｌあたりの発熱量は33.4ＭＪであり、1kwhあたり3.6×10^6Jであるため、ガソリン１Lあたりの電気量は9.27ｋｗｈであった。よって、１ｋｗｈあたり走行できる距離を求めると、新型クラウンは1.941ｋm/kwhだった。このことから、電気自動車のほうが。長い距離を走行でき、燃費がいいと考えられる。また環境によいと思う。 ろうそくの原料として、利用されているパラフィンを基にエネルギーを求めた。まず、パラフィンを６ｇとして、このろうそく全体が燃えるのに必要なエネルギーを求める。フェルミ推定として、１ｇあたり５００００Ｊという値を使用した。すると、燃焼に伴うエンタルピーは２７０ｋＪであった。また、ろうそくが１時間で半分燃焼したため、２時間で全部燃焼するためには、270/7200=37.5wだと分かった。 共有結合は局在化していて、電気が流れない。金属結合は非局在化していて、電気が流れない。
A. 燃費とは、ある距離を走るのに、どれだけ燃料を使うかを表す指標のことであり、車や機械の燃料効率を示す。燃焼とは物質が酸素と化学反応を起こして熱や光を出しながら燃えることであり、酸化反応である。また、?の主成分はパラフィンであり、一般式はCnH2n+2で表される。エンタルピー変化はΔH=ΔU+ΔpVで表される。フェルミ推定より、6gの蝋が完全に溶けるのに生じたエネルギーは270kJと求められた。 1キロワットアワーで走れる距離の発表ではトヨタのプリウスを選んだ。グループ名はチームプリウスであり、グループメンバーは私を含め菅野隼太郎、那須桂馬、平方誠二郎、須藤春翔、鈴木奏逞であった。また、私の役割は執筆であった。プリウスの燃費は約29.0km/Lであり、1Lのガソリンの発熱量が35MJから約10kWh、変換効率を30%とすると1キロワットアワーで走れる距離は29.0/10×0.3より10kmであることが求められた。 平常演習のろうそく一本の燃焼エンタルピーを求めようでは、まずろうそくの主成分であるパラフィンの燃焼の化学反応式を求めた。CnH2n+2+(3n+1)/2O2→nCO2+(n+1)H2Oと求められた。パラフィンの炭素数は18?30程度であるため、ここでn=25と仮定すると、C25H52+38O2→25CO2+26H2O であり、ΔH=42kJ/gであるため、ろうそく一本（６ｇ）の燃焼に伴うエンタルピーはH=42kJ/g×6g＝252kJである。したがって、2時間ですべて燃焼しきったときのワット数は 252×10^3J÷7200s=35J/s=35Wと求められた。
A.【講義の再話】 ろうそくの重さを測ると6gであった。全部パラフィンとして、何molあるか考えたところ0.0125molであった。そこから6グラムの C??H??（ヘイキサコサン）の燃焼によって放出されるエネルギーは約 -276.6 kJ であるとわかる。エンタルピーは１モル燃えるときの熱放出量であり、約-273.8 kJであった。 反応式 CnH2n+2 + (3n+1)O2 → nCO2 + (n+1)H2O を用いて、エンタルピーが658kj/molであることから6/14n+2 ×658 =282 282kjと推定した。 化石燃料もパラフィンもgあたりの取り出せるエネルギー変わらないことがフェルミ推定によって分かる。電力Wは、1秒あたりに発生・消費する熱量Jである。 電池のエネルギー密度とは、単位質量または単位体積当たりで取り出せるエネルギー量である。化石燃料はエネルギー密度が大きいため、電池は石油に勝てないと分かった。 【発表の 要旨】 演題はクラウン(自動車)の燃費、グループ名はクラウンであった。グループに属した人は高橋香桃花、三船歩美、原野美優、大阪琉音、鈴木結唯、増子香奈である。 クラウンの燃費について調べた。私は調査係としてクラウンの燃費について調べた。新型クラウンはWLTCモードでは１８．０㎞/Lのガソリン燃費である。一方で、クラウンSPORT RS(EV)では、電気消費率が６．０６㎞/ｋWhであった。ガソリン１L当たりの発熱量は３３．４MJである。燃費を比較すると、ガソリン車のほうが、３．２１ｋｗｈ燃費に優れていることが分かった。 【復習の内容】 電池のエネルギー密度について復習した。今ある電池の中で最もエネルギー密度が高いのはリチウムイオン電池であった。
A.前回の復習としてエネルギーを表す気体の状態方程式PV=nRTについてを取り上げる。右辺左辺共に熱量を示し、単位はジュールを取る。工学は燃費をよりよくする学問であることからロウソクを取り上げ、ロウソクの燃焼力ことエンタルピーは炭化水素の燃焼およそ50MJ/kgより求められる。このようなざっくりとした数値のことをフェルミ推定という。 演習では好きな自動車を選び１キロワットアワーで走れる距離を計算した。トヨタのセリスを取り上げ、公式のホームページを覗いたところ市街地モードの燃費14.1km/Lとあり、ガソリン１Lの発熱量は35MJより約10Whということがわかった。変換効率は書かれていなかったため似た別の車の変換効率を調べたところ30％だったため30％と仮定して4.7kw/kwhと計算した。 演習でロウソク1本こと6gが2時間で燃焼しきったときのワット数を考えた。ワット数はJ/sで求められることからフェルミ推定を用いて50MJ/kg×0.006kg/（2×60×60s）より、ロウソク1本が燃焼するワット数は41.7Jであると考えることが出来た。
A.①上杉鷹山は固形燃料の作成に挑戦した（漆を基にろうを作った） パラフィン（ろうそく）６ｇの燃焼エネルギーを計算した。 パラフィンはC21H27NO3であった。分子量は341g/mol CCは347KJ/mol、CHは413KJ/mol、NOは201kJ/mol 347×20+413×27+201×3=18694kJ/mol 18694/341=54kJ/g 6gあるので54×6＝324KJ/g くらい 1時間で35ｋJの蝋燭が燃えた。何Ｗか？ 35kJ×0.278Wh/kJ=9.73W 燃料は23ｇ 質量エネルギー密度について、 化石燃料はエネルギー密度が高く、電池は密度上がらない。 電気自動車と化石燃料を燃やすのはどっちが得か計算した。 電気自動車は７km/kWh ガソリン車は19.4km/L（Panasonic） 走行コストは電気自動車の方が燃費は良いが、電気自動車はガソリン車に比べて初期コストがかかるという結果になった。 ② グループではクラウンについて具体的に調べた。
A.①ろうそくが一本燃えるのにどれくらいエネルギーを必要とするか実際に計算し、約270kJと導きました。 ②ワークショップでは電気自動車とガソリン自動車の燃費を比較しました。電気自動車は二酸化炭素排出がほとんどなく環境にいい、ガソリン自動車はエネルギー密度が高いため効率がいいという結果になりました。 ③燃焼エネルギーの復習をしました。
A.①今度は、前回の授業で紹介されたエネルギーの活用方法について、主に動力と紐づけて説明してもらった。動力に必要なエネルギーにおいて重要なことは、いかに効率よくエネルギーが動力に変換されるかということである。自動車を例にとって考えてみると、トヨタのヤリスはハイブリッドカーであり燃費が良いとされているが、これは与えられたエネルギー量に対してできる仕事が大きいということである。このような製品の開発に工業に携わる技術者の多くが情熱を燃やしている。 ② ガソリン車の代表としてランボルギーニの燃費を調べると、約5km/Lでした。ハイオクガソリンの燃焼エネルギーは35MJ/Lで、これは電気エネルギーに換算すると約10kWh/Lとなります。変換効率は30%であると仮定すると、運動エネルギーは10*3/10=3kWh/Lです。よって5/3=1.666…=1.67km/kWhとなります。EVの代表であるテスラが6.4km/kWhであることを考えると、スポーツカーは電気自動車の4倍くらい燃費が悪いことがわかりました。エンジニアの視点からは、EVの方がエネルギー効率がいいのでEVになる方が良いという結論に至りました。 ③エネルギー効率の観点から見るととても非効率な車でも、速く走ることができる、加速力が大きい、見た目がかっこいいなどの理由で需要があるので、どこに着目した製品を作り出すかは生産者によって全く異なることを学んだ。
A. ①テーマは熱や電気エネルギーについてである。状態方程式における圧力は、物質の量に依存しない示強因子で体積は、物質の量に依存する示量因子である。また、電力と電力量を混同しやすいが、電力の単位はJ/Sであるのに対して、電力量の単位はkWhであるので両者をしっかりと区別する必要がある。 ②1キロワットアワーでは走れる距離の発表では、EV車として日産リーフXを選び、ガソリン車としてレクサスを選んだ。グループ名はレクサスで、グループのメンバーは私を含めて久保明裕、小笠原大地、久田光稀、山川騎生であり、私の役割は調査であった。日産リーフXは6.45km/Whであるのに対して、レクサスは3.33km/WhであったのでEV車の燃費の方が良いと結論付けた。 ③【平常演習】「ろうそく一本の燃焼エンタルピーを求めよう」で取り組んだ内容を次に示す。ろうそくの原料は、パラフィンであるので化学式をC20H42と仮定する。パラフィン1molあたりの燃焼エンタルピーは約270kJであるので、ろうそく1本(6g)当たりでは約5.7kJと計算できる。また、2時間ですべて燃焼しきったのでワット数は、燃焼エンタルピー5700Jを7200sで割って約0.79wと求められる。
A.今回はパラフィン6gからとれるエネルギーの量を考えました。ドデカンを代表的なパラフィンとして考えました。完全燃焼の式を用いて、ドデカンの標準燃焼熱からモル質量の計算をします。よって4.6gの燃焼熱は278KJと求めることができました。次の実験として、ろうそくが半分燃えた場合のWを計算しました。ドデカン６gで278KJのエネルギーだったため、ろうそくの半分、3gの燃焼の場合は139KJになることがわかりました。これを1時間で消費したとすれば、38Wの出力があるとわかりました。これは家庭用の白熱電球1個分程度のエネルギーであり、パラフィンが効率的なエネルギー源であるおとがわかりました。化石燃料のエネルギー密度と比較すると、劣りますが熱源としての使用量が多いことがわかりました。 グループワークでは、EV車とガソリン車にちて燃費の比較を行いました。日産のリーフとレクサスLSを比較しました。よって断然EVの方が燃費がよいことがわかりました。
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第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
