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公開: 2024年3月8日
投稿者: Tom Krantz, Alexandra Jonker

熱エネルギーとは

熱エネルギーとは、分子や原子のランダムな運動によって生じる系内のエネルギーのことです。運動が大きくなると、より多くのエネルギーが生成されます。このエネルギーは熱という形で伝達されます。

ある系から別の系への熱エネルギーの流れは、熱力学として知られる物理学の一分野の基礎となっています。熱力学の分野での発見により、科学者たちは物理科学全体で革新的な飛躍を遂げました。今日、これらの発見は代替エネルギーの新時代を切り開く原動力となっています。

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熱エネルギーの歴史

「熱エネルギー」という言葉の起源は古代(紀元前500年頃)にさかのぼります。しかし、その発見は、19世紀イギリスの物理学者・数学者・醸造家であったジェームズ・プレスコット・ジュールによるものとされています。

ジュールは機械的エネルギーの変換実験を行い、物質の速度を操作するほど物質が高温になることに気づきました。摩擦や化学反応による温度変化を観察することで、エネルギーが熱のようなさまざまな形で現れること、そして熱と機械的な仕事(力を加えることで物体に伝達される、または物体から伝達されるエネルギー)には直接的な相関関係があることを発見しました。

ジュールとその研究結果は、彼のキャリアを通じて懐疑的に見られていました。にもかかわらず現在では、ある系が生み出す仕事量は、国際単位系(SI単位)のエネルギーの単位であるジュールで測定しています。彼の発見は、孤立した系の総エネルギーが一定であることを示すエネルギー保存の法則への道を開きました。この発見により、熱力学の第一法則が生まれたのです。

熱力学とは

4つの物理科学のうち、熱力学は熱・仕事・温度に焦点を当て、エネルギーやエントロピー、物質や放射線といった物理的特性との関係を探求する物理学の一分野です。これらの要素の挙動は、以下の4つの法則によって説明されます。

熱力学の第0法則

初めは、第0法則は他の3つの法則に含まれると考えられていたため、独立した法則とは見なされていませんでした。この法則は熱平衡に注目しており、近接する2つの物体が同じ温度に達し、熱エネルギーを交換しなくなる現象を説明しています(例: 熱いお湯と冷たいマグカップが共に室温に達する)。この法則は、2つの系がそれぞれ第3の系と熱平衡にある場合、それらの系も互いに熱平衡にあると述べています。多くの点で第0法則は、推移律として機能します。

熱力学の第一法則

熱力学の第一法則は、エネルギー保存の法則の公式です。これは、エネルギーは創造も破壊もできず、ただ一つの形態から別の形態に変換されるだけであるという法則です。したがって、系内の熱量は供給源からの熱量と等しくなります。

熱力学の第二法則

熱力学の第二法則は、熱が高温の領域から低温の領域へ自然に移動することを示しています。ただし、その逆は起こりません。熱は低温の領域から高温の領域へ自然には移動しません。この区別が重要なのは、エントロピー(系内の無秩序や不確実性の度合い)という物理的性質の概念を確立するからです。エントロピーは熱平衡に達するまで増加し続けます。

熱力学の第三法則

熱力学の第三法則は、系の温度が絶対零度に近づくと、エントロピーが最小値に近づくというものです。分子が完全に静止することはあり得ないため、絶対零度の概念は実現不可能と考えられています。ただし、理論的には絶対零度、つまりケルビン温度スケールで-273.15度(華氏-459.67度)が最も低い温度であるとされています。

エネルギーにはどのような種類があるか

エネルギーは運動エネルギーと位置エネルギーに分類されます。運動エネルギーは物体の動きによって測定され、質量と速度を含みます。位置エネルギーは、物体が動く可能性を示すもので、その位置(空中に浮いているか、地面にあるか)、性質(何でできているか)、他の物体との関係(他の物体が動かす可能性があるか)などに基づきます。

例えば、紐で吊るされたボールを考えてみましょう。ボールは吊るされている間、位置エネルギーを蓄えています。動いていませんが、重力が作用しているため動く可能性があります。もし紐が切れてボールが落ちれば、それは運動エネルギーを持つことになります。位置エネルギーと運動エネルギーの代表的な例は以下の通りです。

位置エネルギー
化学エネルギー

原子や分子の結合に蓄えられるエネルギー。

核エネルギー

原子核を構成するエネルギー。

重力エネルギー

重力場における物体の位置に基づいて蓄えられるエネルギー。

運動エネルギー
電気エネルギー

電子と呼ばれる荷電粒子によって供給されるエネルギー。

放射エネルギー

電磁波を通じて供給されるエネルギー。

熱エネルギー

熱や原子の運動によって供給されるエネルギー。

熱エネルギーは、振動や回転、並進として観測される系内の総運動エネルギーです。しかし、系内のすべての粒子を考慮し、運動エネルギーと位置エネルギーの両方を含む「隠れた」(または微視的な)エネルギーとしての内部エネルギーも存在します。

熱エネルギーの移動の仕組み

熱エネルギーは、伝導・対流・放射の3つの方法で伝達されます。それぞれがどのように機能するかを理解するために、コンロの上で沸騰している鍋を考えてみましょう。

  • 伝導とは、固体を通してエネルギーが流れることです。炎が鍋を加熱すると、エネルギーが物体全体に伝わり、表面温度が上昇します。
  • 対流とは、流体の動きによるエネルギーの流れです。鍋が熱くなると、水は温度差に適応します。冷たい水が下に引き下げられると、温かい水が上昇し、流体の循環運動が生じます。
  • 放射とは、波を通してエネルギーが伝達されることです。炎からの運動エネルギーが電磁波を通して伝わり、物体(この場合は鍋)に触れると熱に変わります。

この例で分配される熱は、固体・液体・気体の3つの異なる状態を移動します。熱エネルギーは各状態で物体を変化させることができ、加えられる熱量によっては相変化を引き起こすこともあります。これは潜熱と顕熱によるものです。

潜熱とは、相変化(例:沸騰した水が蒸気に変わる)を引き起こすのに必要な熱量またはエネルギーのことです。顕熱とは、物質(鍋を熱くする炎)の温度を上げるのに必要なエネルギーのことです。各物体には固有の比熱容量があり、温度を1度上げるのに必要な熱量を示します。水は比熱容量が高いため温度を上げるのに多くのエネルギーを必要とし、空気は比熱容量が低いため温度変化に少ないエネルギーで済みます。

熱エネルギー、熱、温度の区別

熱エネルギーはしばしば「熱」と同じ意味で使われますが、微妙な違いがあります。熱エネルギーとは系内の分子や原子の運動を指し、一方、熱とはある系から別の系への熱エネルギーの移動または流れのことです。熱エネルギーも熱もジュール単位で測定されます。

温度は系内で生成される平均運動エネルギーを指し、摂氏や華氏、ケルビン、ランキンで測定されます。温度は特定の時間における物体の「熱さ」や「冷たさ」を記録するものであり、エネルギーの量を記録するものではありません。例えば、温度では系から出る熱の量を知ることはできません。

これら3つの関係を別の方法で考えると、熱エネルギーは系内のエネルギーの総量、熱はその系から別の系へのエネルギーの流れ、温度は分子の平均運動エネルギーを示しています。

再生可能エネルギーとしての熱エネルギー

気候変動への懸念が高まる中、企業がネットゼロの運営を目指す動きが強まっています。熱エネルギーは、再生可能エネルギー源を採用し、化石燃料から脱却するための機会を提供します。

例えば以下のようなものがあります。
太陽光エネルギー

太陽エネルギーは、太陽の光を集めて集光することで生成されます。反射板と受光器を使用して太陽のエネルギーを増幅し、それを熱伝達流体を含むチューブに向けます。この過程で水タービンが作動し、電気を生成します。

地熱エネルギー

地熱エネルギーは地殻内に存在する豊富な資源です。高温の水が流れる貯水池を深く掘り下げることで得られ、その温水を利用してタービンを回し電気を生成します。

海洋温度差発電

海洋温度差発電(OTEC)は、海水温の変化(海面は暖かく、深海は冷たい)を利用してエネルギーを生成し、通常は電力の形で利用されます。OTECは、豊富な海洋水とその高い発電能力から、実現可能な代替手段です。

再生可能エネルギー源として熱エネルギーを利用することは、企業にとってエネルギー管理戦略を多様化する効果的な方法です。さらに、消費量を削減し、エネルギー節約を改善することで、地球へのさらなるダメージを軽減できます。

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