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令和6年12月22日 (日)

14.自然との共生―バイオと光-

山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  🔋 C1 📛 立花和宏

🔚 🏫 エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 📆 時間割 🕥10:30- 🕛12:00 仮想教室中示範B C1 zero zoom

エネルギーの移動と物質移動

光はほぼ一瞬にしてエネルギーを移動できる。 ではほかのエネルギーはどうだろうか? 力学エネルギーは質量の移動を伴う。 熱や物質の移動の形態は似ている。 熱は、放射、拡散、伝熱。 物質は、拡散、泳動、対流。

  1  エネルギーの変換
🧪 化学 電力 💪 動力 🌟 🔥
🧪 化学 化学反応 👨‍🏫
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
🔥
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

濃度とエントロピーと拡散


蓄積と移動

  2   備蓄と輸送
状態 備蓄 輸送
モノ 野積み(固体)、タンク 4 ) (液体) ・ボンベ(気体) 拡散(🧪化学イオン、🔥熱)、対流(🧪物質、🔥熱)、 🖱 泳動(🧪イオン)
エネルギー 電池 送電(電気)、輻射(🔥熱、🌟光)
情報 ダウンロード・記録 ストリーミング配信・ 通信
カネ 預貯金

時間。 静的か、動的か。 ためておくか、動かすか。 平衡論か速度論か。 コンデンサか抵抗か。


備蓄

  3   エネルギー(燃料)の備蓄と輸送
状態 エネルギー資源 燃焼 備蓄 輸送 用途
固体燃料 🏞 石炭 火格子燃焼、微粉炭と重油による微粉炭燃焼など 野積み 鉄道、船舶 コンベヤー 火力発電ボイラー 蒸気機関
木炭、薪、バイオマス、蝋 暖炉、囲炉裏、ローソク
液体燃料 石油 (重油、軽油、灯油)など。 バーナーで霧状にして、燃焼。 タンク 5 ) ポンプ パイプ ライン ボイラー エンジン
荏胡麻油、菜種油 法灯
気体燃料 LNG・ 液化石油ガス(LPG)、都市ガスなど。水素は将来的に期待。 拡散型バーナーや予混合型バーナーで燃焼。 タンク・ ボンベ パイプ ライン ボイラー エンジン
電気 エネルギー変換 電池 電線 ヒーター、 ヒートポンプ
核燃料 ウラン ボイラー 原子炉

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。 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。

6 )

工場やプラントの ユーティリティ としても欠かせません。

化石燃料 備蓄と輸送

エンタルピーと電気泳動

自由エネルギーは、どこにある?


イオンの移動

  4  イオンの移動
形態 説明 流動
対流 重力・動力(撹拌)
🖱 泳動 電位勾配/ クーロン力/導電率 位置エネルギーを最小に 慣性支配
🖱 拡散 濃度勾配/拡散係数 エントロピーを最大に 拡散方程式 拡散過電圧 粘性支配

拡散と対流は、イオン移動だけでなく物質移動でも起こります。拡散はイオン移動だけでなく 熱移動でも起こります。


電位プロファイルと導電率

  1 101
電位プロファイルと導電率
© K.Tachibana * , C1 Lab.

導電率は、 物性値です。 ベクトル量なので、導電異方性があれば、方向依存性があります。

導電率は、電流密度を電界の強さの比です。 電界の強さは電位勾配であり、電位勾配を見るには位置に対して電位を示した電位プロファイルが便利です。

また 導電率は、 移動度 と電荷密度の積です。 移動度は粘度に反比例し、 電荷密度は、イオンの濃度に比例します。


拡散方程式

  2 拡散方程式
© K.Tachibana * , C1 Lab.

偏微分方程式

  5   偏微分方程式
分類 用途
一般
楕円型(elliptic) Laplace方程式
Poisson方程式
双曲型(hyperbolic) 🖱 波動方程式 波、量子力学
放物型(parabolic) 🖱 拡散方程式 物質移動、 イオン移動熱移動

電気泳動

イオンや荷電粒子の移動には、対流、拡散のほかに泳動がある。電気泳動現象はDNAの分析などにも応用されている。

電気泳動
✍ 平常演習
イオンの移動度から泳動速度を求めよう . エネルギー化学 工業製品への応用―バイオと光-

光は粒子?

  6 0.  29  エネルギーの種類
kWhJ 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-TS 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

  3

地球の上空で垂直に降り注ぐ太陽のエネルギーは、 太陽定数と呼ばれる。 太陽定数の値は、 1.37kW/m2である。 地球表面全体で平均した太陽放射エネルギーは、0.342kW/m2で、 太陽定数の1/4にあたる。 4323.3912kJ/cm2 : 499.2624kJ/cm2 :1032641.98812cal/cm2

入射した太陽エネルギーのほとんどは、地球から放射され、地球は熱平衡の状態にある。 産業革命以降のの人類の活動による二酸化炭素濃度の上昇で、熱平衡が崩れ、温暖化が進んでいる。

入射した太陽エネルギーの0.1%が光合成に使われる。化石燃料は、この0.1%のエネルギーを何万年もかけて蓄積したものだ。

生産者によって光合成で同化されたエネルギーの半分は、被食量であり、成長量は1/5にもみたない。 食物連鎖によって一次消費者、二次消費者と続く。光合成をしない二次消費者の成長と熱排出が21%を占める。

人々は、さまざまな生活の局面で、太陽エネルギーを利用してきた。 農業における食糧生産はもちろんのこと、 灰汁抜き前の天日干し。塩田での塩づくり。


光合成

電気化学的に見た光合成について説明し、チコライド膜の役割について述べなさい。


光触媒

光触媒

電荷担体

  4 電荷担体
© K.Tachibana * , C1 Lab.

電気が流れるのは電気を運ぶ何かが移動するからです。この電気を運ぶ何かをキャリア(担体)と言います。 キャリアには 電子と イオンがあります。金属は 電子伝導、 電解液はイオン伝導です。 欠陥がキャリアになることもあります。電子の欠陥はホール(正孔)であり、イオンの抜け穴はベーカンシー(空孔)です。

固体の導電性は、バンドで説明できます。 9 ) 10 )

金属結合

電解質


電子からみた接触の種類

  7  電子からみた接触の種類
界面 電位差 界面
オーミックコンタクト フェルミ準位が同じになるので、電位差は0 固固界面
金属|金属
銅|アルミニウム
金属|半金属 アルミニウム|グラファイト
金属|半導体 白金|酸化チタン
固液界面
金属| 電解液
白金|Fe2+,Fe3+/ aq
ショットキーコンタクト 界面電位差 (起電力 固液界面
金属| 電解液
銅|銅イオン水溶液
固固界面
金属|半導体
ゲルマニウム|タングステン (接触ダイオード * )
半導体|半導体 アルミニウム(酸化アルミニウム皮膜)|酸化マンガン(Ⅳ)、
金属| 固体電解質 金|ヨウ化銀
エネルギー化学 エネルギー化学特論 0422 1217 1224

物質物質とが 接触すると、その 界面で電気的な相互作用が起こります。

固体同士の接触では、 点接触 になります。 しかし、製膜技術を使ってpn接合などを形成することもできます。


界面

  5
界面
©K. Tachibana

点群と空間群

  8 点群と空間群
ヘルマン・モーガン記号
(Hermann-Mauguin)
シェーンフリース記号
(Schoenflies)
説明
H2O C2v
CH4 Td
LiCoO2 R3_m 便宜的に 六方晶系

集合に定められた演算について、結合律が成り立つとき、その集合は半群です。 さらに交換律が成り立つとき、その集合は可換半群です。 単位元をもつ半群のすべての元が逆元を持つとき、その半群は群といいます 11 )

ハイドロテクトタイル

浴衣と焼きそばと染料

光触媒の身近な応用例について紹介しなさい。


太陽光発電

ソーラーパネル

  6 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

太陽電池は、 光エネルギーを電気エネルギーに 変換します。


太陽電池の分類

  9 太陽電池の分類
用途 概略 説明
シリコン系太陽電池 単結晶Si(バルク結晶)
多結晶Si(バルクまたは薄膜)
水素化アモルファスSi(薄膜)
化合物半導体系太陽電池 Ⅲ-Ⅴ属化合物半導体:GaAs、InP(エピタキシャル膜)
有機半導体系太陽電池 ペンタセン、フタロシアニン、メロシアニンなど
湿式太陽電池 色素増感型(TiO2/Ru化合物色素I-P-)、n-Si/ジメチルフェロセン溶液
エネルギー化学

住宅 のソーラーパネルにも使われます。 12 ) 13 ) 14 )


山形大学の太陽光発電とリチウムイオン電池

  7 山形大学の米沢キャンパス2024-12-22の太陽光発電と リチウムイオン電池
©S.Okuyama

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。

ZEH撤回 次世代住宅ポイント制度
太陽光発電の闇
太陽エネルギー 二酸化炭素 蓄電池 ソーラーパネル 電気自動車
  8 低炭素住宅V2H

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。

色素増感湿式太陽電池

迷走する再生可能エネルギー政策の具体例を挙げ、ひとりひとりがどのようにすればよいか提案しなさい。

©2024 Kazuhiro Tachibana

エレクトロクロミズム現象

  9 ポリアニリン膜を使ったエレクトロクロミズム現象の観察

エレクトロクロミズムのセル

  10 エレクトロクロミズムのセル

スマートウィンドウ

  11 ハイテクウインドウ ボーイング787 エレクトロ クロミック スマートウィンドウ B787 electrochromism

蛍の光(化学発光)

  12 蛍の光(化学発光)
© 2024 K.Tachibana * , C1 Lab.

このマークは本説明資料に掲載している引用箇所以外の著作物について付けられたものです。


参考文献

エネルギー化学
q71
エネルギー化学
✍ 平常演習
💯 課外報告書 Web Class

QRコード
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/public/52255/52255_14.asp
名称: 教育用公開ウェブサービス
URL: 🔗 https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/
管理運用 山形大学 学術情報基盤センター

2024年1月21日 松木健三名誉教授がご逝去されました。

名称:C1ラボラトリー
URL:🔗 https://c1.yz.yamagata-u.ac.jp/
管理運用
山形大学 工学部 化学・バイオ工学科 応用化学・化学工学コース
C1ラボラトリー ( 伊藤智博立花和宏 ) @ 米沢

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