関連講座 NO.12エネルギーの話

身の回りにある現象で、知ってるけど、うまく説明できない。考えると、よく分からない。
こんな「?」を、博い知識を有している学園長が歴史や文学なども交えながら、小学生から理解できるように面白く、そして分かりやすくお話してくれています。
それを、生徒たち(元気学園大学生チームがメインとなって)が、文章にして、絵や図の解説をつけました。

NO.12エネルギーの話

前に、温度とは、原子や分子がどのくらい激しく動いているかの尺度だという事を話したね。
では、固体には温度はあるのだろうか?一見動いているようには見えないね。
けれど、固体だって全て原子で構成されているから、温度が高くなれば原子が動き出すんだよ。
たとえば、レールは何故ガタンゴトンという音がするのか知っているかな?
じつは、レールの切れ目は少し間があいているんだよ。
レールも、鉄の原子で出来ているね。
夏、気温が上がると、レールの中の原子達は動き出す。すると、原子同士がぶつかり合ってだんだんふくらんでいく。
そのときに、切れ目の間が狭いと、レールが曲がって電車が脱線してしまう。
この切れ目の所を電車が通ると、ガタンゴトンという音がするんだよ。
この間は、当然夏は狭く、冬は寒くて原子同士がくっつくから広くなる。
だから、冬の方が大きい音がする。


温度が高いと言うことは、エネルギーを持っていると言うこと。
水はゆっくりだけど動いている。だから、氷よりエネルギーを持っているし、水蒸気はもっとエネルギーをもっている。
このように、原子・分子がどのくらい動いているか、というエネルギーを『熱エネルギー』という。
人が走ったり、車が走ったりすると、その人や車もエネルギーを持っている。
このエネルギーは『運動エネルギー』という。
重さをm(g)、速さをV(m/sec)とすると、1/2mV2という式で表せる。
重い物は速く動く→大きなエネルギーを持っている、ということ。
重い物も、そっとぶつかると壊れないけれど、ガンとぶつかると壊れる。

ものを落とすと、投げない限り上に行くことはないね。
これは、地球が引っ張っているから。
ものが高いところにあると言うだけでエネルギーがある。これが『位置エネルギー』。
これはmghという式で表せる。
hとは高さのこと。重い物が高いところにあるほど、エネルギーを持っている、ということになる。


 日向ぼっこをすると、光が当たって、暖かくなるね。
これは、太陽から見えない色々なものが来ているから。
これを、『波・光エネルギー』という。
hv=h/λ という式で表せる。
λ(ラムダ)とは波長。波長の短いほどエネルギーが高い、ということ。
例えば、地震も波。ゆっくりと揺れるよりも、速く揺れる方が怖いよね。
屋根の上に特殊な物をつけると、この光をエネルギーに変えることが出来るよ。『電気エネルギー』というのもある。みんなよく知っているよね。
これは、電流の強さ。100Vより、1000Vの方がエネルギーが高い。
電気エネルギーは皆さんでも作れます。例えば、動物の皮で机をこすると、パチパチと音がする。これは電気が起きたと言うこと。
冬、ドアノブなどを触ったとき、バチっと静電気が起きる。その時の電流は、なんと5万V。普通、100Vの電流が流れても人間は死んでしまうのに、なぜ静電気は大丈夫なんだろう?
それは、電気がすぐに体から逃げてしまうから死なないんだよ。


化学の実験で、希硫酸を作ったことはあるかな?
うすい硫酸水溶液のことを希硫酸という。水に硫酸を加えると、それだけで熱が出る。これを『化学エネルギー』という。
石炭Cに酸素Oを反応させると、二酸化炭素になって、その時に熱が発生する。
炭素は、炭素同士の化学結合を切って、酸素と結合する。その時にエネルギーが発生する。(図)
この場合のエネルギーは、不安定なほど高く、安定しているほど低い。
ひとつのエネルギーは、他のエネルギーに変えることが出来る。
これをエネルギー交換という。
よく、「無駄なエネルギーを消費しないようにしよう」という標語があるけれど、これは、実は科学的には間違っているんだよ。
エネルギーは無くなったんじゃなくて、別のエネルギーに変わっただけ。


人間の筋肉は何故動くのだろう?
それは勿論、毎日ご飯を食べて、デンプン・脂肪などの化学エネルギーを運動エネルギーに変えているから。
二階まで階段を上ったら、その高さ分、運動エネルギーから位置エネルギーに変わる。
すると、その場所の空気を少しだけ暖めるので、熱エネルギーになる。

光というのは、波長が短いほどエネルギーが高いと説明したね。
地表に届く太陽光には赤と紫があり、赤の方が波長が長い。
これより波長が長いのがマイクロ波や、ラジオの音波など。ラジオの音波なんて、そのあたりを沢山通っているのだろうけれど、全く影響はない。
逆に、短いのがX線(レントゲン線)。これは、よく医療などで使われているけれど、あまり浴びすぎると害がある。
さらに短いのがγ線。原子爆弾から出る放射線がそうで、これは、体を通るだけで様々な障害をおこしてしまう。


水力発電というのは、初めは太陽の光。
光が海に当たって水蒸気となり、雲となる。この雲は位置エネルギーを持っている。
雲は、上空で冷やされて、雨になり降ってくる。この雨が地上にぶつかるときに、少しだけ熱が出る。
この雨を高い山のダムにためると、それだけで水は位置エネルギーを持っていると言うことになる。
この水を、そこから勢いよく落とすと、位置エネルギーは水の運動エネルギーに変わる。その運動エネルギーで水車を回し、電気エネルギーに変える。
これが水力発電の仕組みなんだよ。
なぜ水車を回すと電気が起きるのかな?
これは、ファラデーの『電磁誘導の法則』を利用している。
磁石の周りにコイルを回すと、電気が起こる。
また、磁石の周りに電流を流すと、力が発生する。
これを利用したのがモーター(電磁気)。
どの発電も、基本的には、同じ仕組みで発電している。
火力は、火の力でお湯を沸かし、発生する蒸気でコイルを回している。
風力は、風の力で回している。
原子力だって、原子炉で発生する熱でお湯を沸かしている。
他にも、地熱発電や、波力発電がある。


太陽光発電だけは仕組みが少し違っていて、シリコンという半導体に光を当てて電子を+と−に分け、−だけをためておく、という発電方法。

電気エネルギーは、生活のなかでは、お風呂をたいたり、煮炊きをしたりするのに使われる。
また、今の時期、冷房をしたりするのに使われる。
何故冷やすのにエネルギーがいるのかというと、冷房というのは、中の熱をポンプみたいにくみ出して、外に捨てて冷やす、というしくみだから。
中の熱を外に捨てるときに、エネルギーを使うんだね。

エネルギーは無くなることはなく、どんどん別のエネルギーに変わっていくだけなんだ、ということはわかったね。


じゃあ、エネルギーって、永久に使える物なのかな?

残念ながらそうではない。エネルギーは、一般的に使いやすいエネルギーから使いにくいエネルギーに変わる。使いにくいエネルギーから使いやすいエネルギー に変えることも出来るけど、100%は変わらず、ほとんど熱となって散らばってしまう。

この研究は、『熱力学』という学問がある。

これを本格的に考え出したのは、カルノーというフランス人。宇宙というのは、元々は小さな固まりだったらしい。

それがある日、大爆発(ビッグバン)を起こし、それからずっと広がり続けている。

エネルギーは、その頃から形を変えるだけで、無くなったり、新しく生まれたりはしていないという。

じゃあ、宇宙が生まれる前は、一体何があったのだろう?

まだそれは、詳しくは分かっていません。

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