生活の中の熱とエネルギー -...
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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: [email protected]
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