エネルギーと熱

物理基礎の「力学的エネルギー」では、速さによる運動エネルギー ½mv² と、高さによる位置エネルギー mgh を学びます。摩擦や空気の抵抗がなければ、2 つの和は一定に保たれます。高い所でゆっくり、低い所で速く走るジェットコースターは、この法則のよい例です。

山梨県の富士急ハイランドの「FUJIYAMA」は、1996 年に生まれたコースターです。公式サイトによると、最高部は 79 m、最大落差は 70 m、最高速度は時速 130 km です。70 m 落ちる間に、位置エネルギーがすべて運動エネルギーに変わるとして計算してみます。

½mv² = mgh から、v² = 2 × 9.8 × 70 ≒ 1,372 です。v は秒速約 37 m、時速にすると約 133 kmになり、公式の値にかなり近くなります。少し速めに出たのは、実際には摩擦や空気の抵抗で、エネルギーの一部が熱や音に変わるからです。質量 m は式から消えるので、大人も子どもも同じ速さになります。

宙返り(ループ)では、高さの計算がもっと大事です。レールの内側を走る玉がループの頂上で落ちないためには、頂上で速さが残っていなければなりません。物理の「円運動」と組み合わせると、摩擦がなければ、出発点はループの半径の 2.5 倍以上の高さが必要です。学習指導要領の解説も、レールで軌道の模型を作り、金属球の運動を調べる実験を例に挙げています。

物理の「気体分子の運動」では、気体の圧力を、たくさんの分子が壁にぶつかる力として説明します。圧力・体積・絶対温度の関係をまとめたのが、理想気体の状態方程式 pV = nRT です。温度が同じなら、圧力が下がるほど体積は大きくなります。

富士山に登ると、ふもとで買ったお菓子の袋がぱんぱんにふくらみます。気象庁の平年値(1991〜2020 年)では、山頂の 8 月の平均の気圧は約 649 hPa です。平地の約 1,013 hPa の 3 分の 2 ほどしかありません。温度が同じなら、袋の中の空気は約 1.6 倍に広がろうとします。山頂は 8 月でも平均 6.4℃ と寒く、その分を入れると約 1.5 倍です。

気体は、熱を出し入れしなくても温度が変わります。自転車の空気入れを続けて押すと、筒の下のほうが温かくなります。空気を急に押し縮めると、ピストンが空気に仕事をして、分子の運動が激しくなるからです(断熱圧縮)。部品がこすれる熱も加わります。反対に、気体が膨らんで外に仕事をすると、温度は下がります(断熱膨張)。

雲ができるのも、断熱膨張のおかげです。上空ほど気圧が低いので、持ち上げられた空気は膨らんで冷えます。雲ができる前の空気は、100 m 上がるごとに約 1℃ 下がります。冷えて水蒸気が水や氷の粒になったものが雲です。物理では、熱・仕事・内部エネルギーの関係を、熱力学第一法則としてまとめます。

物理基礎の「エネルギーとその利用」では、水力・化石燃料・原子力・太陽光などのエネルギーが、電気に変わるしくみを学びます。水力発電はダムにためた水の位置エネルギーで、火力発電は燃料を燃やした熱で発電機を回します。原子力発電は、核分裂で生まれる熱を使います。

資源エネルギー庁によると、2024 年度に日本でつくられた電気は 9,911 億 kWh でした。そのうち 67.5% が、化石燃料を燃やす発電です。熱から電気をつくる発電所では、燃料の熱のすべてを電気にはできず、残りは海や空気に捨てられます。熱は全部は仕事に戻らないという性質は、熱力学の大事な法則の一つです。

身近な例がブレーキです。自転車で急ブレーキをかけると、ブレーキの部分が温まります。運動エネルギーが、摩擦で熱に変わったのです。ところが、その熱がひとりでに集まって、自転車がまた走り出すことはありません。物理基礎では、こうした一方通行の変化を「不可逆」と呼びます。

そこで、止まるときの運動エネルギーを、熱にする前に電気として取り戻すのが回生ブレーキです。電車はブレーキのときにモーターを発電機として回し、生まれた電気を架線に戻して、近くを走るほかの電車に使ってもらいます。国土交通省の資料によると、京王電鉄は大手民鉄 16 社で初めて、回生ブレーキなどを全車両に取り入れました。これにより、消費電力を約 45% 減らしています。