熱機関とは

みなさん こんにちは 電験3種傾向と対策研究会です。

 

水蒸気などの気体に熱を加えると膨張します。

ピストンなどの閉ざされた空間に閉じ込められた気体を加熱すると、ピストンが動いて外部に「仕事」をします。

つまり熱エネルギーは内部エネルギーと外部への仕事に変化をします。

 

次に、このピストンを冷やして、つまり加えられた熱エネルギーを取り去ると、ピストン内の気体が縮小して、ピストンは元の位置に戻ります。

ピストンは外部に「仕事」をしました。


このような仕組みを「熱機関」と言います。

そこで、加えた熱エネルギーをQ1、取り去った熱エネルギーをQ2、「仕事」をWとすると次の式が成り立ちます。


W
Q1Q2

そこでこの熱機関の効率は

W/Q1=1−Q/Q1

という式で表されます。

 

熱エネルギーを使って「仕事」をすることが出来ます。

 

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オーランチオキトリウムで車が走る

 

みなさん こんにちは 電験3種傾向と対策研究会です。

 

筑波大学の渡邊信先生は、藻類の研究者です。

彼が沖縄で発見したオーランチオキトリウムという藻は、石油を作る藻です。


アメリカなどが実用化を研究している従来の藻の10倍の石油作成能力があります。


しかし、欠点があります。光合成をしないので、他から糖類などの栄養を与える必要があります。

渡邊先生は、他の光合成を行う藻を使って糖類を作り、オーランチオキトリウムに与える方法を開発しました。


こうして作成された「石油」を、70%という高率で従来の石油に混ぜました。

この「混合石油」を使ってマツダがディーゼルエンジン搭載自動車を走らせることに成功しました。

いずれ、オーランチオキトリウムを燃料にした発電装置が生まれる可能性もあります。


この様子が夢の扉+で放送されました。

日本が「産油国」になるかもしれません。

 

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熱力学第一法則とは

みなさん こんにちは 電験3種傾向と対策研究会です。

 

石炭や石油を燃焼させると熱エネルギーが発生します。

石炭や石油の化学エネルギーが熱エネルギーに変わります。

 

この熱エネルギーを使って水を温めると水の温度が上昇します。

1気圧(101325Pa)の条件下では100℃になると沸騰します。

さらに熱を加えると、水は蒸発して水蒸気になります。

 

水が水蒸気に変化するための熱を「蒸発熱」といいます。

一般的に、一定量の物質を気体に変化させるために必要なエネルギーを蒸発熱、あるいは気化熱と言います。

 

1気圧(10125)の条件下で100℃、1kgの水を100℃、1kgの水蒸気に変化させる為に必要な熱量は2255J/kg)です。

 

加えられた熱量は水蒸気の分子の運動エネルギーに変化します。

これを「内部エネルギー」と言います。

 

水蒸気などの気体に熱を加えると膨張します。

ピストンなどの閉ざされた空間に閉じ込められた水蒸気を加熱すると、ピストンが動いて外部に「仕事」をします。

つまり熱エネルギーは内部エネルギーと外部への仕事に変化をします。

熱エネルギー=内部エネルギー+外部への仕事

 

エネルギーは形を変えて保存されます。

これを熱力学第一法則(エネルギー保存の法則)と言います。

 

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熱エネルギーとは

 

みなさん こんにちは 電験3種傾向と対策研究会です。

 

石油、石炭などを燃焼させると熱エネルギーを発生します。

石油、石炭などの化学エネルギーが熱エネルギーに変化します。

この熱エネルギーを使って水を温めると、水の分子の運動が活発になります。

そして水の温度が上昇します。

温度の一度は、水が凍るときの温度を零、水が沸騰するときの温度を100として、100等分したものです。単位は摂氏(℃)です。

分子の運動が停止するときの温度はー273度です。これを絶対零度と言います。

この絶対零度を零の基準にした温度の単位がケルビン(K)です。ケルビンと摂氏の1度の幅は同じです。

 

1gの水の温度が1度上昇するために必要な熱エネルギーが1cal(カロリー)です。

それでは、m(g)の物体が、T℃の温度上昇をするためにはどれだけの熱エネルギーが必要でしょうか?

これは次の式で求められます。

熱量Q(J) =m(g)×CJ/g・k)×T(K)

CJ/g・k)は比熱です。比熱が大きいほど温まりにくく冷めにくい物質です。

水の比熱は4.19J/g・K)または1(cal/g・K)です。

 

熱エネルギーもエネルギーのひとつの種類なので、物理で定義している「仕事」とは一定の関係があります。

Ical=4.19J)または1(J=0.24cal)が換算式です。1秒当たりの仕事量、1(J/s)=1(W)です。

電験3種でよく使われるのは1kWh=860kcalの換算式です。

(1kWh=0.24×60(分)×60(秒)×1000kcal=860kcal

この式は覚えましょう。

 

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圧力エネルギー

 

みなさん こんにちは 電験3種傾向と対策研究会です。

 

高さhにある質量m(kg)の物体にはmɡhJ)の位置エネルギーがあります。

速度vで運動をしている質量m(kg)の物体には運動エネルギーがあります。

 

いま、縦に長い管があります。

この管の中を水が流れています。

ある高さにある水の塊には位置エネルギーがあります。

ある高さにある水の塊は、流れているので運動エネルギーがあります。

 

そしてある高さにある水の塊には圧力があるので圧力エネルギーがあります。

圧力エネルギーは次の式で与えられます。

mp/ρ

mは質量です。単位はkgです。

pは圧力です。単位はPa(パスカル)です。

ρは密度です。単位はkg/立米(立方メートル)です。

水のρは1000(kg/立米)です。

ρ(ロー)は密度を表すギリシャ文字です。

 

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1月はトランジスタ回路について解説します。

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運動エネルギーとは

みなさん こんにちは 電験3種傾向と対策研究会です。

 

質量m(kg)の物体を、FN=m×ɡの重力に逆らってh(m)の高さに持ち上げるとW=h×ɡ×mの「仕事」をすることになります。

だから、h(m)の高さにあるm(kg)の物体にはmɡhJ)の仕事量が蓄積されています。

これが位置エネルギーです。

 

高さh(m)にあるm(kg)の物体を地上に向けて落とすと、重力加速度ɡによってスピード(速度)が生じます。

スピードが生じた物体がなにか他の物体にぶつかると衝撃が生じます。

だから、この動いている物体にもエネルギーがあります。

これを運動エネルギーと言います。

運動エネルギーは次の式で表されます。

運動エネルギーWJ=(1/2)×m×(vの二乗)

mは質量です。単位はkgです。

vは速度です。単位はm/sです。

運動エネルギーの公式はとても重要です。

 


位置エネルギーとは

 

みなさん こんにちは 電験3種傾向と対策研究会です。

電験3種は電気技術の国家資格です。電気設備を安全に扱うための資格です。

そこで電気エネルギーについての知識が必要です。

それでは、エネルギーとはなんでしょうか?

 

物理では「仕事」を次のように定義しています。

仕事の量=力の大きさ×力の向きに移動した距離

式で表すと次のようになります。

W=Fd(W:仕事量、F:力、d:移動距離)

たとえば重い鞄を持って立っているだけでは「仕事」をしたことになりません。

しかし、鞄を持って階段を昇ると「仕事」をしたことになります。

重力に逆らって上の方向に移動するからです。

 

質量m(kg)の物体には重力が働きます。

F=ma(F:力、m:質量、a:加速度)で求められる力が働きます。

重力の場合、特にaをɡで表します。

だから質量m(kg)の物体にはF=ɡの力が働きます。

 

この力に逆らって質量m(kg)の物体をh(m)持ち上げるとW=F×h=m×ɡ×hの仕事をすることになります。

(高さの場合は一般的にhightの頭文字のhで表します。)

言い換えると、高さh(m)にあるm(kg)の物体は「mɡh」の仕事をされた結果です。

つまり「mɡh(J:ジュール)」の仕事量を蓄えています。

この、蓄えられた仕事量がエネルギーです。

特にこの場合は「位置エネルギー」と言います。

 


仕事とは

みなさん こんにちは 電験3種傾向と対策研究会です。

 

地球上にある質量1kgの鉄球には1ニュートンの重力が働きます。

この力と加速度、質量の関係を式で表すと次のようになります。

Fma

Fは力で単位はN(ニュートン)です。

mは質量で単位はkg(キログラム)です。

aは加速度です。重力加速度の場合は特にɡで表します。単位はm/(sの二乗)(メートル毎秒毎秒)です。

この力に逆らって1kgの鉄球を上に持ち上げてみます。

地上から出発して1mの高さのところまで持ち上げます。

1kg×9.8(m/(sの二乗))=9.8Nの力に逆らって1mの距離を移動します。

物体に力を加えながら、物体を力の方向に移動をします。

これを、物理では「仕事」と言います。一般的にはWで表します。

式で書くと次のようになります。

W=F

Wは仕事です。単位はJ(ジュール)です。

Fは力です。単位はN(ニュートン)です。

sは距離です。単位はm(メートル)です。

9.8N(ニュートン)の力に逆らって1kgの鉄球を1m持ち上げた場合の仕事を計算します。

W=9.8N)×1(m)=9.8J

仕事は上記のように計算します。

 


公式F=maとは

 

公式F=maとは

 

みなさん こんにちは 電験3種傾向と対策研究会です。

 

質量1kgの鉄球を高いところから落とすと、9.8m毎秒毎秒の加速度が加わります。

1秒間経つと鉄球は9.8m/sの速度で落ちていきます。

2秒経つと鉄球は9.8×2=19.6m/sの速度で落ちていきます。

9.8m毎秒毎秒の加速度で落ちていきます。

 

このとき、鉄球にはどれぐらいの力が働いているでしょうか?

鉄球に働いている力は重力です。

1kgという重さを発生させる重力です。

この重力は「質量」に比例します。

そして加速度にも比例します。

質量、力、加速度の関係は次の式で表されます。

F=ma

Fは力です。単位はN(ニュートン)です。

mは質量です。単位はkg(キログラム)です。

aは加速度です。単位はm/(sの二乗)(メートル毎秒毎秒)です。

重力加速度は特にɡで表現します。

F=maは非常に重要な公式です。

 


重力加速度とは

 

重力加速度とは

 

みなさん こんにちは 電験3種傾向と対策研究会です。

 

地球上にある物体には地球の重力が働きます。

1kgの質量の物体は1kgの重さがあります。

これは、1kgの物体には1kgの重さを発生させる力が働いているからです。

 

kgの重さの鉄球を高いところから落としてみます。

すると、地上に向かって落ちていきます。これは、鉄球に重力が働いているからです。

 

1秒間経つと、スピード9.8m/秒で落ちていきます。

さらに1秒経つと19.6m/秒のスピードで落ちていきます。

1秒経つごとにスピード(速度)が9.8m/秒づつ、増えていきます。

 

そこで、この9.8という数字を加速度と言います。特にこの場合は、重力によって生じるので重力加速度と言います。

重力加速度は文字ɡで表します。

 


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