エネルギーの効率と効率的な利用方法!

エネルギーの保存

止まらない振り子はある?でしょうか。

実際地球上で、止まらない振り子をつくることはできません。

 

あれ?力学的エネルギーは保存されるんじゃないの?と考えられた人は賢いですね。

力学的エネルギーは運動エネルギーと位置エネルギーの間を移っていくので、結果的にその総量は変わらないという法則ですね。

 

実際は、エネルギーは力学的エネルギーだけではなくて熱や音などのいろいろなエネルギーに変わってしまいます

だから、振り子を動かすと出てしまうわずかなや、摩擦で生まれる熱に変換されてしまうので、少しずつ力学的エネルギーが減って、いずれ振り子は止まってしますでしょう。

 

ジェットコースターが運動してる時のエネルギーを図で表すとこんな風になります。

運動エネルギーと位置エネルギーの大きさはそれぞれ変化していて、その合計である力学的エネルギーは減っているね。

でも、その分音や熱エネルギーが増えていてすべてのエネルギーを合計すると一定の値になってますね。

 

エネルギーの移動は力学的エネルギーがほかのエネルギーになるだけでなく、いろいろな変換の時に起きます。

例えば、扇風機は電気エネルギー→運動エネルギーとエネルギーを変える道具ですが、エネルギーの一部は音に変わっているのを感じられますね。

この時電気+運動エネルギーは減っていきますが、音などのエネルギーなどを合わせれば、その合計は一定になります。

 

つまり、エネルギーが移り変わる前後でエネルギーの総量は変わらないってことですね。

これをエネルギーの保存といいます。

エネルギーの効率

つまり、エネルギーを使う時、目的とは違うエネルギーにも変換されてしまいます。

例えば、ジェットコースターの摩擦熱や扇風機の音などですね。

そう、無駄なエネルギーが発生しているということです!

使うなら無駄の少ない道具を使いたいと思いますよね。

 

電球なんかは最近LEDが多いです。これは効率がいいからです。

電球の進化は白熱電球→蛍光灯→LEDライトというように効率がよい形に変わっています。

白熱電球は電気エネルギーを光エネルギーに変えるための道具なのに、光になるのはたった10%ほどで残りの90%が熱エネルギーになってしまうんです!しばらく使ったライトを触ると熱かった経験ありますよね。無駄無駄無駄っ

  白熱電球 蛍光灯 LEDライト
消費電力 54W(ワット) 12W 7W
発光効率 15lm(ルーメン)/W 70lm/W 110lm/W
エネルギー効率 10% 20% 30~50%

LEDはすごいとはいっても、半分は熱エネルギーになってしまうんですね。

ということはさらに効率がいいライトが近未来に出てくるのかもしれませんね。

 

エネルギーのロスがわかりやすいようにエネルギー変換効率というものを考えていきましょう。

エネルギー変換効率は消費したエネルギーの内、利用できるエネルギーの割合を示します

100W使って、20W分の光エネルギーを取り出せたら、エネルギー変換効率は20%ということです。

 

火力発電所のエネルギー効率ってどのくらいだと思いますか?

なんと60%程度なんです!思ったより低くないですか。エネルギーの40%をロスしているんですね、、、非常にもったいない。

 

エネルギーロスの主な原因は熱エネルギーです。熱はエネルギーの墓場といわれるほど、無駄なく利用することが難しいんです。

その理由は、熱エネルギーが空気中や物質中を簡単に移動してしまったり、物体が触れていると摩擦によって熱エネルギーが生み出されてしまうからなんです。

熱エネルギーについてもう少し詳しく学んでみましょう。

熱エネルギーの伝わり方

エネルギーの墓場といわれる熱の伝わり方は3つあります。

イラストで見るとわかりやすいので下のイラストを見ながら説明を読んでください。

伝導(熱伝導)・・温度が異なる物質が接している時、温度が高いほうから低い方に移動します。

触ると熱かったり、冷たかったりするのは伝導だね。

金属の性質として、熱を伝えやすいというのがありました。伝導のしやすさは、物質によって違って熱伝導率といいます。

対流・・加熱された空気や水は上に移動します。これは密度が小さくなるからでしたね。逆に言うと冷たい空気や水は下にきます。この気体・液体の循環によって、熱が伝わることを対流といいます。

放射・・物質からでる赤外線などによって、離れた物質が温まることで、放射を体感するには、太陽もそうですし、お風呂に張ったお湯に手を入れなくてもあったかいやつで確認できます。

コンビニの自動ドアや、勝手につくライトは私たちの体からです赤外線などを感知して、動いています、つまり、私たちの体も放射をしているんですね。

 

まあ要するに、熱エネルギーは簡単に逃げちゃうよってのがわかればOKです。

じゃあ熱エネルギーを逃げづらくすれば、エネルギーを効率よく使えるわけですね!

例えば、水筒の外と中にの間は真空になっているものが多くて、その理由は真空は熱伝導率が低いから、水筒の中身の冷たさをキープできるんです。

熱を逃がさないものとして、発泡スチロールは優秀で、発泡スチロールの98%は空気なのに、動かない(対流しない)から温度をキープできます。

あとは、セーターとかも空気を固定して熱を逃がさないようにしていますね。

まとめ

エネルギーが移り変わる前後でエネルギーの総量は変わらないことをエネルギーの保存という

利用できるエネルギー÷消費エネルギーの値をエネルギー変換効率という

熱エネルギーは伝導・対流・放射の3つで伝わる

中3 物理
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プロフィール
ゆうしろ

私立中・高一貫校の現役理科教員です。
専門は生物学で、中学・高校理科の教員免許を持っています。
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