エネルギーについて知っておくべきことすべて

2020年11月10日午前9時

運動エネルギー、電位エネルギーなどのさまざまな種類と、化石燃料から太陽光までのさまざまなエネルギー源について説明します。

私たちの世界はエネルギーで動いていることは明らかです。車の運転、洗濯、家の暖房、そしてコンピューター（この記事を読むために）を動かすことさえも、これらすべてにエネルギーが必要です。しかし、このエネルギーはどこから来るのでしょうか？そもそも重要なのでしょうか？はい、本当に重要なのです。エネルギーの種類によっては気候変動に寄与するものもあれば、再生可能なものもあります。私たちは皆同じ地球に住んでいるので、こうしたエネルギーの選択は非常に重要になります。つまり、誰もがエネルギーについて基本的な理解を持つべきだということです。ご安心ください。私は、すべての人が理解できるレベルで説明していきます。

エネルギーとは何ですか?

エネルギーは実際には実在するものではなく、私たちが相互作用を記録するための手段に過ぎません。（人間は常に非現実的なものに対処しています。言葉は「実在」するものではなく、人間が他の人間とアイデアを共有するための手段に過ぎません。）様々な相互作用におけるエネルギーの変化をすべて記録すると、エネルギーは保存されることがわかります。つまり、相互作用前のエネルギーをすべて測定できれば、相互作用後のエネルギーの総量は同じであることがわかります。エネルギーは場所によって異なるだけです。

エネルギーの単位はどうでしょうか？科学で最も一般的なエネルギーの単位はジュールです。1ジュールは、1ニュートンの力で1メートル押し進めるのに必要なエネルギー量です。しかし、これだけではこの単位の意味をあまり理解できません。例えば、床に落ちた教科書を拾い上げてテーブルに置くと、約10ジュールのエネルギーになります。

エネルギーを様々な種類に分けて説明することも非常に有用です。ここでは、皆さんが話題にするであろう最も一般的なエネルギーをご紹介します。

運動エネルギー。これは運動している物体に関連するエネルギーです。運動エネルギーは物体の質量と速度の両方に依存します。
電位エネルギー。2つの電荷があれば、当然相互作用します。電位エネルギーはこの相互作用の尺度です。このエネルギーは実に重要です。ほとんどすべての物質は電荷（陽子と電子）でできているため、他の多くのエネルギーもこのエネルギーに基づいています。
重力による位置エネルギー。これは、質量を持つ物体（つまり、ほぼすべての物体）間の重力相互作用に関連するエネルギーです。
熱エネルギー。物体の温度を上げるにはエネルギーが必要です。そのため、物体には熱エネルギーがあると言われています。物質は粒子で構成されているため、これは実際には運動エネルギー（粒子の運動による）と位置エネルギー（原子間の相互作用による）の組み合わせです。
化学ポテンシャルエネルギー。エネルギーを伝達する何らかの化学反応がある場合、これを化学ポテンシャルエネルギーと呼びます。これには、人間が食物を食べること、ガソリンを使用する自動車、化学電池などが含まれます。しかし実際には、これは単に電気ポテンシャルエネルギーを言い換えただけのものです。繰り返しますが、原子間の相互作用はほぼすべて電荷による相互作用であるためです。
粒子エネルギー。まあ、最適な言葉ではないかもしれませんが、私は気に入っています。基本的に、すべての粒子は、その運動（厳密には運動エネルギーもこれに含まれます）と質量の両方によってエネルギーを持っています。つまり、静止している粒子でさえエネルギーを持っているということです。質量はエネルギーの一種です。

もう1つ言及しておきたいのは、電力です。床に置いてあった教科書をテーブルに移動させると、10ジュールのエネルギーが必要になると言いました。しかし、その移動に1秒かかるか1時間かかるかでは、明らかに違いがあります。どちらの場合も必要なエネルギーは同じですが、電力は異なります。ここでは、電力をエネルギーの変化率と定義します。

電力は実際にはエネルギー消費率なので、時間変化に対するエネルギー変化について論じます。このエネルギー変化の単位がジュールで、時間変化の単位が秒の場合、電力はワットの単位になります。上記の教科書的な例では、最初のリフトには10ワットの電力が必要ですが、2番目のリフトにはわずか0.0028ワットしか必要ありません。一般的な（LED）電球は約20ワットの電力を消費し、電気自動車であれば約20キロワットの電力を消費します。

ただし、注意が必要です。よく目にする単位の一つにキロワット時があります。電力の単位のように見えますが、そうではありません。実際にはエネルギーの単位です。上記の電力の定義から始め、ΔEを解くと、エネルギーの変化は電力に時間間隔を掛けたものに等しいことがわかります。つまり、エネルギーの変化は電力と時間の単位で表すことができます。これがキロワット時です。1キロワット時は、1キロワットの電力を1時間（3,600秒）かけて得られるエネルギー量です。つまり、1キロワット時は360万ジュールに相当します。

化石燃料

では、エネルギーの使用方法に関する実用的な側面に移りましょう。化石燃料はおそらく最も一般的なエネルギー源であり、人類が最も長い間使用してきたものです。化石燃料エネルギーの基本的な考え方は、炭素を酸素と結合させて二酸化炭素とエネルギー（私たちが求めている部分）を生成することです。はい、それは本当です。エネルギーは化学結合を形成することから得られるのであって、化学結合を切断することから得られるのではないのです。もちろん、酸素は通常大気（約 21 パーセントが O2 です）から得られます_が、炭素はどこから得られるのでしょうか。そうですね、木を切り倒して燃やすこともできますし、長い時間をかけて石炭、石油、天然ガスに変わった古い木を掘り出すこともできます。これらは非常に古い木なので、化石、つまり化石燃料なのです。

では、化石燃料由来のエネルギーの何が素晴らしいのでしょうか？一番の利点は、その簡単さです。地中から物質を掘り出して燃やすだけです。まるで人間が使うのを待っている、瞬時のエネルギーのようです。また、ほとんどの化石燃料はエネルギー密度が高いです。ガソリンにはかなりのエネルギーがあり、エネルギー密度は46.4MJ/kgです。自動車の効率はわずか25%ですが、わずか1kgのガソリンで1160万ジュールのエネルギーを生み出すことができます。教科書を地面からテーブルの上に持ち上げるのに10ジュールかかったことを思い出してください。だからこそ、たった1ガロンのガソリンで車は20～50マイル走行できるのです。これは本当に素晴らしいことではないでしょうか。

では、化石燃料の何がいけないのでしょうか？おそらく、この質問の答えはもうお分かりでしょう。化石燃料を燃やすと二酸化炭素が発生します。二酸化炭素は温室効果ガスであり、気候変動の一因となります。化石燃料を燃やし続ければ、二酸化炭素の増加によって気候が変化し、人類がこれまで行ってきたこと、例えば海岸近くに住んだり、特定の地域で農作物を栽培したりといった生活を続けることが困難になるでしょう。これが化石燃料の悪い点です。

でも、はっきりさせておきたいことがあります。自動車でガソリンを使うだけではありません。私たちは住宅などで使う電気エネルギーを生み出すためにも、化石燃料を燃やしています。基本的な仕組みは、化石燃料を燃やして水を熱し、蒸気に変換することです。この蒸気で電気タービンエンジンのブレードを回転させ、タービンを回転させます。回転するタービンは、電線と磁石のループを使った電磁相互作用によって電気エネルギーを生み出します。実際、回転するタービンは様々なエネルギー源で利用されています。

太陽エネルギー

晴れた日に外に出るだけで、その温かさを実感できるでしょう。太陽の光との相互作用によって体が温まっていくのを感じるでしょう。実際、太陽系における私たちの位置では、太陽は1平方メートルあたり約1,000ワットの電力を供給しています。もちろん、このエネルギーを電気エネルギーなど、より有用なものに変換することが鍵となります。その方法の一つが、ソーラーパネル（光起電力セル）です。これは基本的に固体素子（可動部品なし）で、光が電子エネルギーの遷移を引き起こし、電流を発生させます。はい、これは少し単純化しすぎていますが、要点はご理解いただけると思います。光エネルギーを電気エネルギーに変換するのです。

でもちょっと待ってください！太陽エネルギーを利用する別の方法があります。それは集光型太陽光発電所です。たくさんの鏡を並べて太陽光を一点に反射させるというアイデアです。すると、太陽の焦点にある物体が非常に高温になり、その高温物を使って水を加熱して蒸気を発生させ、タービンを回すことができます。ちなみに、この高温物というのは通常、液体、例えば溶融塩のようなものです。こうすることで、ある物質を加熱し、それを動かして蒸気を発生させながら、液体の他の部分を加熱し続けることができるのです。

では、太陽光発電も再生可能でしょうか？再生可能エネルギー源だと言うのは構いませんが、厳密に言えばそうではありません。太陽エネルギーは太陽から来ます（これはおそらく明白でしょう）。しかし、太陽がエネルギーを生み出すのは主に中心部の核融合反応によるものです。考えてみてください。50億年後には太陽のエネルギーは枯渇します。つまり、厳密に言えば再生可能ではありませんが、太陽の寿命の範囲内では、実質的に無限と言えるのです。

水力発電

これを「水力発電」ではなく「水力発電」と呼びたいのですが、皆が一般的に使っている呼び方です。実は、私たちは古くから何らかの形で水力発電を利用してきました。水車は電気の発明よりもずっと古いのです。電気エネルギーという観点から言えば、それほど複雑ではありません。実際、化石燃料から得られる電気エネルギーとほぼ同じです。ただし、蒸気を使って電気タービンを回す代わりに、落下する水、つまり厳密に言えば、高さの変化によって生じる水の流れを利用します。

あらゆる形態の水力発電の鍵となるのは、水が地球の中心に近づこうとする性質です。1キログラムの水が1メートル下がると、重力による位置エネルギーの変化は約10ジュールになります（そうです、教科書を持ち上げるのとは逆です）。これは大したエネルギーではないように思えるかもしれませんが、湖全体を1メートル下げることを想像してみてください。これは膨大なエネルギーです。

しかし、水力発電は枯渇してしまうのでしょうか？海面上にある水をすべて海面まで移動させたらどうなるでしょうか？そうなれば水力発電は終わりを迎えます。しかし、太陽光発電のおかげで、それは起こりません。そうです、水力発電は太陽光発電の一種です。太陽は水を熱し、蒸発を引き起こします。つまり、空気中に水蒸気が存在し、最終的には地表に戻ってきて、湖やその他の水を満たします。水力発電は太陽光発電と同様に再生可能です（太陽が輝き続ける限り）。

風力

あの電気タービンを回すには他に何が使えるだろうか？タービンの前面に大きな羽根をつけて、風力で回せるようにしたらどうだろう？そう、それが風力発電だ。

エネルギーは保存されるので、風力タービンから電気エネルギーを得ると、何か他のもののエネルギーが減少するはずです。はい、これは事実です。風がタービンを通過すると、ブレードが押し出されて回転します。この相互作用の過程で、空気の速度はたとえわずかでも低下します。つまり、空気の運動エネルギーが減少し、そこから電気エネルギーが得られるのです。

そもそもなぜ空気は動くのでしょうか？そう、それが「天気」と呼ばれる現象です。しかし、風の少なくとも一部は太陽の影響を受けていると聞いても、それほど驚くことはないかもしれません。太陽が大気を温めると、空気の圧力が高まり、膨張します。すると、気圧の高い領域と低い領域が生まれます。空気は気圧の低い領域へと移動し、それが風となります。風力発電は、太陽光と同様に再生可能エネルギーです（太陽が輝き続ける限り）。

ああ、こんなことを言いたくはないのですが、念のため付け加えておきます。いいえ、風力タービンはがんを引き起こしません。

原子力

厳密に言えば、原子力には核融合と核分裂の2種類があります。人類はまだ効率的な核融合炉の作り方を完全に解明できていないので、ここでは核分裂反応に焦点を当てたいと思います。核分裂炉は、ウラン235のような重い原子に中性子を衝突させることで発生します。原子はこの中性子を吸収してウラン236になります。しかし、ウラン236は不安定で、より小さな粒子、おそらくパラジウム117とパラジウム118、そしていくつかの中性子に分解されます。しかし、ここで奇妙な点があります。元のウラン236の質量と、すべての粒子の質量を比較すると、それらは同じではありません。2つのパラジウム原子と中性子の質量は、ウランの質量よりも小さいのです。つまり、質量は保存されませんが、エネルギーは保存されるのです。ここから有名な E = mc ²方程式が生まれます。ここでcは光速 (約 3 x 10 ⁸ m/s) です。

粒子系における質量の減少は、他の種類のエネルギーが増加することを意味します。この場合、結果として生じる粒子の運動エネルギーの増加です。cの値が非常に大きいため、質量のわずかな減少が運動エネルギーの大幅な増加につながります。さて、そのエネルギーを使って…ちょっと待ってください…水を加熱して蒸気を作ります。そして、この蒸気を使って電気タービンを回します（驚かないでください）。しかし、質量をエネルギーに変換するだけでこのエネルギーが得られることを覚えておいてください。これは非常に驚くべきことで、まるでエネルギーを無料で得ているように見えるかもしれません。

電気エネルギーを得る完璧な方法のように見えるかもしれませんが、小さな問題が一つあります。残ったパラジウムなどは放射性で化学的にも活性です。誰も危険な放射性化学物質の近くにいたくはありませんが、この核廃棄物は安全な場所に保管しなければなりません。箱に入れてゴミとして埋めるほど単純ではありません。なぜなら、何千年も放射能を帯び続ける可能性があるからです。それほど長い間物を閉じ込めておくことができる箱を作ることを想像してみてください。問題が分かります。しかし、これは一見「無料」のエネルギーを得るために支払う代償なのです。

では、どの発電所が最善なのでしょうか？現時点では明確な答えはありませんが、化石燃料はおそらく最悪の選択肢でしょう。将来に向けて何か解決策を見つけられることを願っています。

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