平成29年度 福井大学 教員免許状更新講習

生活の中の熱とエネルギー

大学院工学研究科 物理工学専攻

葛生 伸

平成29年8月18日（金） 09:00～16:30

E-mail: kuzuu@u-fukui.ac.jp

URL: 「葛生伸」で検索してください

Part I 熱とさまざまなエネルギー

美浜町エネルギー環境教育体験館 「きいぱす」2

本日の予定

1.はじめに（講義の概要と試験の説明）

2.熱とは?エネルギーとは?

3.温度と熱

5.火と光と熱

6.熱と熱機関

7.低温から高温へ熱を移す

8.電気とエネルギー

I. 熱と様々なエネルギー （09:00～11:10）

II. 熱機関とエネルギーの利用 （11:10～14:00）

9.私たちの生活と熱エネルギー

（昼食休憩 12:00～13:00 ）

（途中休憩 10:15～10:30）4. 「小さなあばれん坊」と内部エネルギー

本日の予定

9.地球も一つの熱機関

10.身近な現象と熱力学

IV.テスト （15:30～16:30）

III. 身の回りの熱力学 （1４:10～15:30）

（休憩 14:00～14:10 ）

最初に試験問題を提示（問題配布）

11.これからの社会とエネルギー

1. はじめに―開講の意図

身近な物事と「熱とエネルギー」の関わりを学ぶ

ストーリー性をもった理解・色々な事柄のつながりをストーリー性を持って学ぶ

⇒学ぶよろこび，面白さを知る。生きた知識を得る

cf.自己学習達成の評価基準（私の場合）・拙くても良いから，何かを考える事ができる・自分の言葉で説明できる

・日常の現象と結びつけて分かりやすく，親しみやすく

⇒理科を日常生活や将来の職業選択と結びつける

「自分ならどう教えるか」考えながら学ぶ← 試験の答案を考えながら学ぶ

⇒学ぶよろこび，面白さを知る

私の考える効果的学習法（コラム2）

2.熱とは?エネルギーとは?

9:10を目安

細長風船をつかった実験1

細長風船(ペンシルバルーン）を両手でもって急にひっぱると？

クイズ

持ち上げる

= 仕事

エネルギー：

力を使ってものを動かすこと

仕事：

仕事に変えることができるもの

エネルギー

仕事と位置エネルギー

ものを高いところに持ち上げる ← 仕事

持ち上げられた物体はエネルギーを持つ

位置エネルギー＝

定数(重力加速度)×高さ×質量

櫓時計

位置エネルギーと

運動エネルギー

ジェットコースター9:25を目安

3.温度と熱

9:25を目安

熱平衡

熱平衡と温度計の原理

話に夢中になるとコーヒーは・・・ 冷たい飲み物

が飲めるのは

レトルト食品を温める

測りたい物体と温度計を熱平衡

温度計の原理

接しているもの

同じ温度

セッ氏目盛

⇒間の目盛は物体の体積（正式には気体）

100℃

0℃

100℃

0℃

等間隔に目盛

ボトル缶に風船をかぶせ火であぶると？

温度計

気体，固体などの体積変化

電気抵抗，起電力など

氷水

気体の体積は圧力に反比例温度は同じ

ボイルの法則

0.01 0.015 0.02

100

150

200

圧力

（kP

a）

１/体積 （cm-3）

80 100 120 140 16050

60

70

80

90

100

110

体積 (cm3)

圧力

（kP

a）

100 120 140 1600

10000

20000

体積 (cm3)

体積

× 圧力

（kP

a c

m3）

9:40を目安

熱くなると元気になる!

分子

＝ 小さなあばれんぼう

身の回りのものは分子からできている

4. 「小さな暴れん坊」と内部エネルギー

9:40を目安

空気の分子

＝小さな あばれんぼう

熱くなると元気になる!

水を入れてコルク栓をした試験管

火であぶると？栓が飛ぶ

水の分子

小さなあばれんぼうのパワー

水蒸気のエネルギー

熱

熱に関する実験

くうき

空気の分子

水の分子

ぶんし

みず ぶんし カンの中の水蒸気は水になりカンの中はからになる

なか すいじょうき みず

空き缶つぶし 320 kgの重さ

安全で簡単な熱気球の実験

ドライヤー

b@b

ゴミ袋 （45 L， 0.012 mm）

メンディングテーブ

ドライヤー

上が暖かくなったら手を離す

ペットボトルにドライアイスを入れて風船を被せると

注意

爆発してけがする!!

ドライアイスを入れてペットボトルの蓋を絶対にしないこと。

固体→ 気体

液体→ 気体

体積が1000倍以上に膨張

気体の膨張

お湯を入れた容器の空気を抜くと？

空気の実験ビンの実験

水

空気の実験ビン

空気を5気圧入れてよく振る

栓をあけ，再び栓をして振ってから栓をあける

空気と二酸化炭素の溶ける量

空気の実験ビンを用いた実験

炭酸飲料に溶けるガスは？

気体 溶解度（ℓ/cm3）

空気 0.019

CO2 0.88

（1 cm3の水に溶ける標準状態換算の気体の体積，at 20℃）

→ 空気を水に溶かす

炭酸水作成器→ 二酸化炭素を水に溶かす

熱とは？

カロリック説 摩擦による火起こし

説明できない

熱＝「温度を上昇させる何者か」

分子の衝突による運動エネルギーの伝達

小さなあばれんぼう ＝ 暴れまわる分子

主役は小さなあばれんぼう

消せるボールペンの秘密

ドライヤーであぶるこする（摩擦熱）

⇒消える

ドライアイス／冷凍庫で冷やす

⇒再び現れる

感熱紙をドライヤーであぶると

ドライヤーであぶる

摩擦熱で黒くなる

10円玉でこすると

黒くなる

熱と熱の単位

1 cal = 4.18605 J

1 cal = 1 gの純水を14.5℃から15.5℃に上げるのに必要な熱量

熱はエネルギーの一種

カロリーとジュール

(1 J = 1 kg m2/s2)

エネルギーの単位

10:15を目安休憩 10:15～10:30

5.さまざまなエネルギーと熱

10:30を目安

5.1 電気と熱

電気による発熱エネルギー

(電力)＝ （電流）×（電圧）

単位：W (ワット) A（アンペア） V（ボルト）

W = J/s （1秒あたりに発生するエネルギー）

使用した電気のエネルキー＝電力量

電力×時間＝電力量

[W] × [h] ＝ [Wh]

[W] × [s] ＝ [J]

← 日常生活で使用

← 物理で使用

電力と電流，電圧の考え方

熱の流れ

水の流れ 水車

発電

水力発電

電力量

（仕事の大きさ） = （流れる量）×（高さの差）

高さの差 電圧

１秒あたり流れる量

電流

電流で発熱

シャープペンの芯に電流を流すと発熱

電気抵抗に逆らって電流が流れる時に電気のエネルギーが熱に変わる

オーブントースター

高圧線

同じ電力（電流×電圧）

電線での発熱量＝ （抵抗）× (電流)2

で電流を小さくする

電圧を上げる

高 圧 線： 6,600ボルト（家庭用）特別高圧線： 2万2,000ボルト（工場など）

IH調理器の不思議

豆球に電線をループ状に結ぶ

豆球が点滅

これだけでは，光らないので真ん中にステンレス製のマグカップをおくとよい

ステンレスのマグカップ

IH = Induction Heating （誘導加熱）

アルミドーナツの浮上

ステンレスカップのまわりにアルミドーナツを置いてスイッチON

アルミドーナツが浮上

アルミドーナツ内にくるくる回る電流（渦電流）発生

⇒反発力が働くような磁力（磁場）が生じる

ステンレスのマグカップ

アルミドーナッツ

N

S

電磁誘導

発電原理説明器

磁石

交流電源

磁力線

IHの中身

電磁誘導加熱(IH)

磁力発生コイルで磁力線発生

鍋の中に渦電流（渦状に流れる電流）発生

鍋の電気抵抗のために発熱

数10 kHzの交流

非接触充電器とトランス（変圧器）

充電池

プラグ送電コイル

受電コイル

電磁誘導を用いて電極なしで充電

電圧の比＝コイルの巻き数の比

交流を使うメリット

・ 高電圧にすることによって，伝送損失を少なくできる。

・ 電圧を変えることができる

・直流にすることは容易。

→ 現在では直流を交流に変えることができる。

エジソンの失敗

直流に固執したために，電力事業に失敗

日本の交流の周波数

出展: Ｗｉｋｉｐｗｄｉａ11:00を目安

5.2火と光と熱

人類の発達と火

火の役割

・動物の襲撃をさける

・灯りとしての火

・煮炊きをする

・土器をつくる

・金属器をつくる

火事の危険性利便性と危険性のトレードオフ（二律背反）

行動範囲の広がり

熱源／光源としての火

篝火と松明 油，ロウソク，行灯

ランプ ガス灯いろり

焚き火

七輪

石炭ストーブ

使い捨てカイロをつくってみよう

ファスナー付ビニール袋

バーミキュライト5グラムまたは 活性炭10グラム

5%食塩水5ミリリットル

鉄粉20グラム

よく混ぜる よくもむ

ファスナー空けたまま

熱くなる

空気を追い出しファスナー閉める

⇒ 冷める

昔の火のおこしかた

火打ち石木をこすりあわせる

油を使った灯り

エゴマ

なたね油

イワシなどの魚の油 奈良時代 （約1200年前）

室町時代 （約６00年前）

江戸時代 （約３00年前）

ツナ缶キャンドル

ツナ缶 ＝ マグロの油漬け

ランプ・ガス灯とマントル

ガス灯

炎にマントルを入れると明るくなる

アーク放電の実験

くっつけて少し離すと放電がみられる

シャープペンの芯と備長炭の間で放電

乾電池6本程度使用

見つめ過ぎると目を炒めるので，注意。

アーク灯

明治15年

電気と灯り

銀座でアーク灯

白熱電球1878年 スワンが発明

1879年 実用化エジソン

岩清水八幡宮のエジソン記念碑

全てのものは「原子」から

原子

とっても小さな粒

1億分の1センチメートル原子核 ＋電子

コップ一杯の水

20𥝱個 (2×1025個)

ナトリウムランプと炎色反応

「原子」から出ている光

D線、D1: 589.6 nmとD2: 589.0 nm

水銀灯から出ている光

写真の出展ウィキペディア決まった色の光を出している

ナトリウム

水銀灯

「原子」から出ている光

エレクトロニクス原子力化学

研究

新しい物理法則発見

「量子力学」

蛍光灯

蛍光： 当てた光より長い波長の光がでる

紫外線 → 目に見える光

発光ダイオード （LED)

電気的に電子を高い階に持っていく→ もとに戻る時の光を利用

赤＋綠＋青

あかり

LEDを使った発電実験

＋

乾電池

－

オルゴール

LED

LED懐中電灯

電球型ランプを比べてみると白熱電球40ワット相当の電球型

LED 蛍光灯 白熱電球

感熱紙を当てると？

熱くなる ⇒ エネルギー浪費

種 類 消費電力(ワット)

寿命（時間）

価格（円）

コスト（円/1000時間）

白熱電球 36 1,000 179 935

蛍光灯 9 6,000 780 298

ＬＥＤ 4.0 40,000 2,780 154

LED 4.7 40,000 1,770 143

＊コストは1 kWhあたり21円として計算 ＊価格は某ホームセンター（8/15/2010）

コスト節約 ← 省エネ ← 無駄な熱を出さない

あかりのうつりかわり

熱

光

かがり火

たき火

たいまつ

アーク灯

白熱電球

蛍光灯

ＬＥＤ

有機ＥＬ

無駄なエネルギー

？

11:30を目安