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| 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| 仕分 | 支出 | 備考 | |
|---|---|---|---|
| 住居費 | 76000 | ||
| 食費 | 90000 | ||
| 通信 | 20000 | ||
| 車の維持費・燃料費 | 50000 | ガソリン代 170円/L | |
| 電気代・ガス代 | 25000 | 夏 ガス代10000円として、 30円 kWhとして、500kWh | |
| 35000 | 冬 | ||
| 水道代 | 7000 | 夏 水道給水 356L /人日 し尿収集量 1.6L /世帯日 | |
| 5000 | 冬 |
米沢キャンパスだけで、 1500kWもの 電力を使っています。 太陽光発電で賄えるのは、 昼間の日光があるときで、せいぜい30kW。 再生可能エネルギー の太陽光だけでは、電気が全然足りません。
スマートグリッドでは、 センサーを使って電力を計測し、インターネットの通信を使って、発電量を制御します。気候に左右されやすい再生可能エネルギーでは、余剰電力を電池に蓄えます。
米沢キャンパスだけで、 1500kWもの 電力を使っています。 太陽光発電で賄えるのは、 昼間の日光があるときで、せいぜい30kW。 再生可能エネルギー の太陽光だけでは、電気が全然足りません。
スマートグリッドでは、 センサーを使って電力を計測し、 インターネットの通信を使って、 発電量を制御します。 気候 に左右されやすい再生可能エネルギーでは、余剰電力を 電池 に蓄えます。
XMLでデータ交換することもできます。
英語ではエナジーと言う。日本ではドイツ語のエネルギーと言う。１９６３年からアニメ放映された手塚治虫の「鉄腕アトム」でドイツ語の「エネルギー」が国民に定着してしまった。１９９２年からアニメ放映された「 美少女戦士セーラームーン」では、英語の「エナジー」が使われたが、ドイツ語を払拭するには至らなかったようだ。
水を電気を使わらずに酸素と水素に分解するとしたら、どのような方法が考えられるか？またそのときどのような課題を解決しなければならないか？
LCCM住宅（ライフ・サイクル・カーボン・マイナス住宅）とは、ZEH（ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス）よりさらに省CO2化を進めた先導的な脱炭素化住宅で、建設時、運用時、廃棄時において出来るだけ省CO2に取り組み、さらに太陽光発電などを利用した再生可能エネルギーの創出により、住宅建設時のCO2排出量も含めライフサイクルを通じてのCO2の収支をマイナスにする住宅です。 ※
V2Hとは、 電気自動車の電池を、 住宅の電池(ESS)にリユース することです。 電気自動車の 電池容量は、 40kWh程度とすれば、住宅の電池10kWhの4世帯分に相当します。
しかし安全に リユース するには、バッテリーのインスペクションが欠かせません。
| 工業製品 | システム | 電池の種類 |
|---|---|---|
| 住宅 | 据え置き型電池（卒ＦＩＴ）（ＥＳＳ／ＢＥＳＳ * ） | ＬＩＢ 、建物付属の蓄電池電源設備としての法定耐用年数は６年。 |
| スマホ | 内蔵 | 充電式電池（ ＬＩＢ ） |
| ＰＣ | ＵＰＳ | ＬＩＢ |
| 自動車 | 駆動用 | ＬＩＢ ニッケル水素（ モノポーラ、バイポーラ） |
| 自動車 | 始動用 | 鉛電池（モノポーラ、バイポーラ） |
| リモコン | 乾電池 ×2 | 乾電池 |
| 電動歯ブラシ | 乾電池 | |
| ◇ 時計 | 乾電池 |
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。
光熱費を節約したいけど、寒いのはいやですね。家庭で使われるエネルギーは、厨房、給湯、暖房、冷房、照明など。そのうち給湯と暖房が半分以上を占めます。 冬の寒い季節に、暖房で室温 T 〔K〕を上げて、ぽかぽかの生活を送りたいと願うのは今も昔も変わりません。 熱は温度の高い方から低い方へ移動します。暖かい部屋からは常に冷たい外気へ排熱されているのです。暖房費は排熱費と言っていいです。 化学（固体燃料、液体燃料、気体燃料）・電気 輸送にかかる力学的エネルギーがあります。エネルギーの場所を移動するのにも排熱が必要です。固体燃料は備蓄に便利ですが、輸送にエネルギーがかかります。
| 分類 | 項目 | 注釈 |
|---|---|---|
| 給湯 | エコキュート | 🔥熱 |
| 暖房 | 🚂 エアコン（家電リサイクル法対象品） | 🔥熱 |
| 厨房 | 🚂 冷蔵庫（家電リサイクル法対象品） | |
| 電子レンジ | 🌟光 | |
| 湯沸かしポット | ||
| 炊飯器 | ||
| 照明ほか |
照明器具（ＬＥＤ・蛍光灯・白熱電球） ◇ テレビ（家電リサイクル法対象品） 、 パソコン、 スマホ |
|
| 動力 | 洗濯機 |
家電で、生活に必須と思われているのは、冷蔵庫、洗濯機、 スマホなどです。 家庭で使われるエネルギーは、 電気が最も多く、 平均世帯あたり 400～500kWh程度となっています。 次いで、都市ガス、ＬＰガス、灯油となっています。 冷暖房が最も多くなっています。 電気は、そのまま 備蓄ができません。今使っている電気は、今、作っている電気です。
| 大分類 | 小分類 | 性質や特色 | 応用例 | |
|---|---|---|---|---|
| 丸ボイラー | 立てボイラー | |||
| 炉筒煙管ボイラー | ||||
| 水管ボイラー | 自然循環式水管ボイラー | |||
| 強制循環式水管ボイラー | ||||
| 貫流ボイラー | ||||
| 特殊ボイラー | 廃熱ボイラー | |||
| 特殊燃料ボイラー | ||||
| 熱媒ボイラー |
密閉容器に水を入れて加熱し、必要な 温度・ 圧力の蒸気または温水をつくる部分をボイラー本体と言います。 燃料 を空気とともに送り込んで燃焼させ熱を発生させる空間部分を燃焼室といい、燃料に応じた燃焼装置（バーナー）を備えています 4 ) 。
熱エネルギー（電力量）〔Wh〕＝温度〔K〕× 熱容量〔Wh/K〕
熱エネルギー（電力量）〔Wh〕＝温度〔K〕× 比熱〔Wh/kg〕×質量〔kg〕
拡散は熱移動だけでなく イオン移動や物質移動でも起こります。
| 機能 | 区分 | 部品 | 働き |
|---|---|---|---|
| 走る | 動力発生装置 | エンジン（ガソリン・ディーゼル）、モーター、ECU * 、 電池 | |
| 動力伝達装置 | クラッチ、変速機 | ||
| 走行装置 | 車軸、ホイール、タイヤ、フレーム | ||
| 懸架装置 | スプリング、ショックアブソーバ、リンク機構 | ||
| 曲がる | 舵取り装置 | ステアリング | |
| 止まる | 制動装置 | ブレーキ | |
| 支える | 車体・その他 | ボデー、外装、内装、（ガラス、ランプ、メータ）・その他 |
| 物理量 | 単位 | 応用例 | |
|---|---|---|---|
| 物質量 | mol | ||
| 質量分率 （ 重量分率 ） 重量百分率 | 質量% 、wt%、mass%、ppm | 食塩相当量などは、重量百分率のほうがわかりやすいと思う。 | |
| 体積分率 体積百分率 | 体積% 、vol%、ppm | 気体では、 体積分率 と モル分率 と 分圧 は同じ。 二酸化炭素濃度など。 | |
| モル分率 （濃度百分率） | 相対湿度とか。 | ||
| 質量体積分率 （重量体積分率） | 化学的酸素要求量 生物化学酸素要求量 | ||
| 体積モル濃度 | mol/m3 mol/L | 滴定とか。 | |
| 重量モル濃度 | mol/kg | ||
| 質量/体積濃度 | mol/kg |
また，質量百分率（質量パーセント），体積百分率，物質量百分率のような用語は用いる べきではない（後述の計量法は例外） 6 ) 。
溶媒蒸気圧は、ラウールの法則に従い、 ガスの溶解量はヘンリーの法則に従う。 このよう溶液の溶媒または、溶質の化学ポテンシャル μ は、濃度表示法に対応して、各々次式で表される ただし、x,m,Cは、注目成分のモル分率、重量モル分率、容量モル分率を各々示す。 7 )
温度 、 圧力 、 流量 、液位 （ 液面）、 組成 （成分、濃度） は、プロセス変量（プロセス変数）と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。
| 向き | 熱サイクルの種類 | 性質や特色 | 応用例 | |
|---|---|---|---|---|
| 温度差 ⇒ 力学 | カルノーサイクル 8 ) 9 ) | 理論・受験（完全気体を仮定するので、計算が容易） | ||
| オットーサイクル | 火花点火式式容積型 内燃機関 （燃料＝ガソリン、プロパン、水素） （作動流体＝排気ガス＝二酸化炭素、水） | 自動車（ガソリンエンジン） タクシー（プロパンガスエンジン）、水素自動車（水素エンジン） | ||
| ディーゼルサイクル | 圧縮着火式容積型 内燃機関 （燃料＝軽油） （作動流体＝排気ガス＝ 二酸化炭素 、水） | バス・船（ディーゼルエンジン） | ||
| ランキンサイクル | 実在流体サイクル （流体＝水、 冷媒 ） | 蒸気機関・ 火力発電 10 ) ・原子力発電 | ||
| ブレイトンサイクル | オープンサイクル：燃料＝（灯油、軽油、化石燃料） クローズドサイクル：作動流体＝（ヘリウム） | 火力発電、複合発電 （タービンエンジン）・ジェット機（ジェットエンジン） * | ||
| アトキンソンサイクル | ||||
| クラウドサイクル | ||||
| スターリングサイクル | 外燃機関 | |||
| 力学 ⇒ 温度差 | 逆ランキンサイクル | 作動流体： 冷媒 （有機流体） | ヒートポンプ * （ 🚂 エアコン 11 ) 、冷蔵庫）・冷凍機 | |
| リンデサイクル 12 ) | 液化、酸素の製造 |
熱サイクルにはいろいろな種類があります 13 ) 。 エアコンや冷蔵庫の作動流体である冷媒は、 温室効果ガスになります。
効率化のために燃料にアンチノック剤などを添加
バイオマス燃料などが使える。
運転時の環境への懸念
廃棄時の環境への懸念
| 大分類 | 小分類 | 性質や特色 | 応用例 | |
|---|---|---|---|---|
| ＡＣモーター | インダクションモーター 14 ) | 単純な構造でコストが安く、大型化するほど高効率になる | 化学プラント 機械の動力、鉄道、扇風機 | ＤＣモーター | ステッピングモーター | フィードバックなしの位置決め制御 |
モーターは、 電力から動力への エネルギー変換を します。 *
磁性材料が使われます。
ファラデー定数は、電気量とモノの架け橋。96500C/molまたは、27kAh/molです。
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、
電気エネルギーは電気量と電圧の積です。
ここで注意しなければならないのは、右辺のnは、電子の物質量だということだ。
アボガドロ数で割って電子１個あたりに書き直したのが次の式だ。
時代は 電気自動車
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。
温室効果ガスである二酸化炭素の増加は危機的状況だ。
2024年12月4日の CO2 濃度は、 推定447ppm。 この100年間で、地球大気中の二酸化炭素の 濃度は1.4倍になった。 前史時代の二酸化炭素濃度は、280ppmでほぼ一定だった。 石炭 を使い始めた産業革命から指数的に増加を始めた。 石油を使い始めてからは指数項が加わった。
今、地球がヤバい。 脱炭素社会 には 再生可能エネルギー の活用が必須。そのためには、 電気エネルギーを 備蓄 する電池が必須なのだ。
二酸化炭素の 生成熱 を熱化学方程式で表すと下のようになります。
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 15 ) 。 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 16 ) 。
色温度toRGB 黒体放射| 年号 | 出来事 |
|---|---|
| 1831年（天保2年） | ファラデー電磁誘導の法則 | 1832年（天保3年） | ピクシーダイナモを発明 |
| 1881年（明治14年） | 世界で初めての水力発電 * |
| 1887年（明治20年） | 日本 で初めての火力発電 * |
| 1891年（明治24年） | 日本 ◇ 琵琶湖疏水の落差を利用した「蹴上水力発電所」（水路式、直流、160キロワット） |
| 1963年（昭和38年） | ◇ 黒４ダム |
錆びにくい金属を貴金属と言います。 イオン化傾向は、金属と金属イオンの平衡反応の酸化還元電位に関係があります。 電位が卑なほど、 腐食しやすく、 還元しにくくなります。 電位が貴なほど、 腐食 しにくく、還元しやすいです。
波長530nmの緑色の光ひと粒が持つエネルギーは、225.7105049531kJ/molです。 これは、2.33932449873963eVです。 定圧下の対称でない多原子分子なら6786.68338445252K相当です。
低圧水銀ランプ。 253.7 nm( UV-B ) の波長で、472KJ/mol（4.9eV） 洗浄
184.9 nm(UV-C,VUV) の波長で、647KJ/mol（6.7eV） 酸素分子がラジカルに乖離 。オゾン発生。
再生可能エネルギーとして、太陽光、風力、水力、地熱、バイオマスが規定さてれています。 山形県東置賜郡高畠町に技術開発拠点をおく グリーンパワーテクノ（株）は、バイオマス発電で、資源問題に取り組んでいます。
| 電源分類 | 資源 | 2010実績 | 2030 目標 |
|---|---|---|---|
| 再生可能エネルギー | 10 | 22 | |
| 地熱 | 0 | 1.1 | |
| 🧪 バイオマス | 0 | 4.6 | |
| 💪 風力 | 0 | 1.7 | |
| 🌟 太陽光 | 0 | 7.0 | |
| 💪 水力 | 10 | 9.2 | |
| 原子力 （ ランキンサイクル） | 25 | 22 | |
| 火力 | 65 | 56 | |
| 🧪 ＬＮＧ | 29 | 27 | |
| 🧪 石油 | 10 | 3 | |
| 🧪 石炭 | 26 | 26 |
バイオマスは、カーボンニュートラルという考え方に基づいており、 長期的に二酸化炭素の収支に影響を与えないと考えられています。
| 種類 | 量 | 説明 |
|---|---|---|
| 情報 | 100TB | 動画（約120分）×1000本×100人ぐらい 2TB×40+4TB×12+600GB×17, キャッシュ用SSD |
| 最大電力 | 1600W | 設計最大消費電力,家庭用 〇電子レンジ2台分 |
| 実測電力 | 1600W | ←設計最大消費電力(DB接続不可のため) |
| ⚡年間電力量 (電気エネルギー) |
14025.6kWh | |
| 年間電気代 | 420768円 | 1kWhあたり30円で算出 |
| 年間排二酸化炭素 | 7.2792864t | 東北電力の基礎排出係数0.000519tCO2/kWhより算出 |
| ソーラーパネル面積 | 24㎡ | 1kWあたりに必要なおおよその面積を15㎡として算出 |
| リチウムイオン電池 | 15kWh | 家庭用蓄電池１台分 |
キャンパスのユーティリティとしての 学術情報基盤センターが消費する電力。
備忘。 7号館のパネルの面積は，忘れました．図面見て計算します． 10kW分のパネルです．7号館は，10kWのシステムが4台，並列でつながっています＜パワコン4台 そのうちの1台が 学術情報基盤センター 米沢分室に送電されています．太陽光の電池は， リチウム電池15kWhです44,730,000円
すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する。
世界人口のおよそ4分の1が電気のない生活をしており、それ以上の人々が料理や暖房のための現代燃料を利用できない。
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銅めっき 米沢高等工業学校本館から 銀電量計を探してみよう。
アノードもカソードも銅だったら、理論分解電圧は何Vになるか？
