エネルギー保存の法則
仕事とエネルギーは密接な関係がある。
仕事とエネルギーについて、ポイントをまとめておこう。
- 作業に要する労力の指標として「仕事」を用いる。
- 「仕事」は「要した力」×「移動した距離」で定義する。
- 人間の作業も、機械の作業も、「仕事」が共通の尺度である。
- 「仕事」をする能力・可能性をエネルギーという。
- 移動だけでなく、発光や発熱も仕事である。
モーターやエンジンは仕事をするとき、電気や燃料を消費する。
当然、電気や燃料がなければ仕事ができない。
このことから、電気や燃料がエネルギーであることが分かる。
ところがその電気はモーターを駆動するだけでなく、ヒーターを発熱させたりや電球を発光させたりもできる。
発熱や発光は電気の持つエネルギーによってなされるので、発熱や発光も仕事なのである。
仕事は「要した力」×「移動した距離」で定義されるが、物体の移動以外にも様々な仕事があるのだ。
電気が持つエネルギーを電気エネルギー、燃料が持つエネルギーを化学エネルギーという。
このように、エネルギーには様々な形態がある。
エネルギーの様々な形態を以下に示す。
これらのエネルギーは、相互に変換することができる。
そして、エネルギーの形態が変っても、その総量は変化しない。
これをエネルギー保存の法則という。
エネルギーは、相互に変換することができる。
しかし、簡単に変換できる組み合わせと、高度な技術を要する組み合わせがあることに注意したい。
化学エネルギーを光エネルギーに変換することは、誰でもできる。
乾電池に豆電球を接続し、点灯させればいい。
静止エネルギーから、熱エネルギーを得るには、原子炉が必要になる。
設備、資金、高度な技術、監督省庁への届出が必要だ。
「だれでも簡単に」というわけにはいかない。
このように、変換の手間・難易度の差はあっても、エネルギーは、相互に変換できるのだ。
ここで、十分に注意しなくてはならないことがある。
エネルギー相互に変換されることはあっても、新たに発生することもないし、消滅してしまうこともない。
宇宙全体にあるエネルギーの総量は変化しないということだ。
これが、エネルギー保存の法則なのだ。
エネルギー保存の法則は、力学的エネルギー保存の法則と混乱しやすい。
くどいが重要なので、再度整理しておく。
| エネルギー保存の法則 | 力学的エネルギー保存の法則 |
| エネルギーの形態が変っても、その総量は変化しない。 | 保存力の作用する場で、ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーの和が一定になる。 |
力学的エネルギー保存の法則は、保存力の作用する場に限定して成り立つが、エネルギー保存の法則は、保存力とは無関係に成立する。
エネルギー保存の法則は、あらゆる状況で成り立つ自然界の根本の法則だ。
「力学的エネルギー保存の法則」や「熱力学の第一法則」「ヘスの法則」はその一部分にすぎない。
そして、根本の法則であるために、場面ごとに違った法則となって現れてくる。
物体が保存力のみを受けて運動すれば、力学的エネルギー保存の法則として現れる。
シリンダをピストンで押せば、熱力学の第一法則が現れる。
化学反応時の熱を観察すれば、ヘスの法則となって現れるのだ。
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2005/08/27
2007/12/09
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