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

II.エネルギーの利用

10:10～14:00

平成29年8月18日（金） 09:00～16:30

美浜町エネルギー環境教育体験館 「きいぱす」

6.熱と熱機関

11:30を目安

ペンシルバルーンの熱機関

小学生にやらせてみる

お湯を長くかけ続ける

でも，それ以上縮まない

繰り返し運動するためには温めたり，冷やしたりが必要

（熱力学第二法則）

第二種の永久機関

第二種永久機関＝熱力学第二法則に反する熱機関

海水の持つ内部エネルギーだけを船の動力として使うことはできない。

温度差がないと熱機関は働かない

帆船は第二種の永久機関ではない

風を利用地球自体が熱機関

スターリングエンジン

温度差 ⇒運動 =熱機関

湯

⇒熱の流れ

ドライアイス

平和鳥

水

打ち水

高熱源

蒸発熱で頭部冷却

⇒低熱源

その他の部分

11:45を目安

7.低温から高温へ熱を移す

エコキュート

エアコン

冷蔵庫

貯湯ユニット

水の流れ/熱の流れ

水は何もしなければ高いところから低いところに流れる

熱は何もしなければ，高温から低温に流れる

水を高いところにあげるには

仕事をする（＝エネルギーを与える）必要がある

空気を急に圧縮すると・・・

スプレーから出た空気の温度は？

冷たい！プシュ～

冷媒の膨張＋蒸発

水

打ち水

平和鳥

蒸発熱で冷却

ヒートポンプの原理

熱

熱： 低温 →高温 エアコン，エコキュート等

外気温

冷却(膨張･蒸発)

昇温(圧縮･凝縮)

室内温度

冷媒（CO2等）

熱

室外機 室内機

電力熱の移動（冷媒とともに）

熱の移動（冷媒とともに）

冷たい外気からもらった熱

外気からもらった熱の分増加

冷凍機の原理

熱

熱： 低温 →高温 エアコン，エコキュート等

室内温度

冷媒（CO2等）

熱

室外機 室内機

室内温

電力

外気温

冷却(膨張･蒸発)

昇温(圧縮･凝縮)

熱の移動（冷媒とともに）

熱の移動（冷媒とともに）

室内から奪った熱

暑い外気の捨てる熱

エアコンの優れたところ

電気 40石油 100 暖房 200

石油ストーブ

火力発電所

エアコン

石油 100 暖房 80

エネルギー消費効率(COP)=利用できるエネルギー

投入されたエネルギー

COP = 0.8

COP = 5

ヒートポンプ，冷凍機の冷媒

アンモニア

→ フロン （オゾン破壊）ハロゲン化合物の総称，安定な化合物

→ 代替フロン（地球温暖化係数大数百～数万）

→ アンモニア，イソブタン，二酸化炭素

12:00終了を目安休憩 12:00～13:00

関西電力姫路第二発電所

8.電気とエネルギー

13:00開始を目安

家庭で使うエネルギーの半分は電気

出典:資源エネルギー庁「エネルギー白書（2016）」（図第212-2-7）

家庭で使う電気の割合は増えてきた

電気の利用と電車の歴史

日本初の電車は明治28（1895)年京都電気鉄道

http://www.meijimura.com/visit/s24.asp

明治村を走る京都市電（明治44年製)

1882年(M15)

銀座にアーク灯

1879(M13)

白熱電球実用化

1886(M15)

東京電灯会社

各種発電設備容量の推移

出典:資源エネルギー庁「エネルギー白書（2016）」（図第214-1-7）

棒磁石

棒磁石を糸で吊るす

反発力を利用し

吊り下げた棒磁石を回す

モーターの原理の説明

N

S

電磁誘導

発電原理説明器

磁石

発電

発電機を何らかの手段で回せばよい

発電機

回転

手段は？

フ～～ッ

フ～～ッ力発電

水力発電と火力発電の実験

各種発電の仕組み 水力

原子力

火力

温度差→電気

冷却

加熱

海洋温度差発電ペルチェ素子

温度差20℃前後

冷水

温水

ポンプポンプ

タービン

発電機アンモニア（蒸気）

蒸発器

凝縮器

原理違う

原子炉格納容器

蒸気

蒸気→水

熱発生

原子の構造

原子(アトム) 鉄腕アトムのエネルギーは原子力!?

原子核

中性子

電子

陽子

原子核

陽子

中性子

電子

原子力発電の燃料

ウラン238

ウラン235

陽子の数（原子番号） = 92

原子量 = 陽子の数＋中性子の数

安定（そのままでは使えない）

不安定（通常の核燃料）

半減期45億年

半減期7億年

ウラン原子力発電の燃料

99.3% → あすなろ(妹)ウラン

→ ひのき(姉)ウラン0.7%

核分裂のしくみと制御

中性子

ゆっくり

ひのきウラン(ウラン235）

中性子

2～3個

→水中→

次の核分裂へ

ゆっくり

「酸素」に相当 ～ 燃焼

⇒ 中性子不足 核分裂停止⇒

姉ウラン

「酸欠」

中性子を遮断⇒「酸欠」状態

制御棒

停止

冷却水

停止後冷却が必要

13:30を目安

9. 私たちの生活と熱エネルギー

調理器具と加熱のしくみ

５１

湿式

厨房機器の消費電力

５４

電化厨房とガス厨房を比較しよう

５１

このスライドではなくガスとIHの比較の図を示す

電子レンジの働き

蛍光灯が点灯

水分が無いともあたたまらない?

水，油，とうふ，高野豆腐?

電子レンジの仕組み

マグネトロン水分子

食品

マイクロ波2.45 GHz

マグネトロン（一種の真空管）でマイクロ波発生

→ 食品中の水分子を揺さぶる

→ 水分子が激しく運動 ⇒ 温度↑

調理の加熱方式

周りを暖める熱

食品を暖める熱

いろり

たき火

かまど

七輪

電気コンロ

ガスコンロ

ＩＨ

電子レンジ

無駄なエネルギー

？

省エネ

余熱調理

カップ麺

新たな加熱をしない ⇒ 省エネ

シチューなど カップ麺

どんぶりに蓋

スープマグ

カップ麺容器に熱湯を入れる

温度を測る

生卵を入れる

アルミホイルでフタをする

20分待つ

卵を取り出す

温度を測る

余熱調理の実験

熱の伝わり方

高い温度

低い温度

より元気 よりおとなしい

（熱）エネルギー

元気をもらう

熱： 高温 → 低温

暑さ 寒さと衣服体温を逃がしたり／保持したり

放熱／断熱

省エネ クールビズ

ウォームビズ

魔法瓶やスープマグ

真空層をつくり断熱

保温ポット

家の熱の出入りと省エネ

14:00を目安