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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。
| 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。
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。 *
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
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。
電気エネルギー（電力量）〔Wh〕＝電圧〔V〕×
◇電気量〔
電気エネルギー〔Wh〕＝電圧〔V〕×
◇電流〔
電気エネルギー〔Wh〕＝電力〔
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、
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。
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。
白熱電球は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、さらに光エネルギーに エネルギー変換します。
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。
| 大分類 | 小分類 | 振動数 （周波数） |
波長
|
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。
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。
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
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。
「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
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
