ライター／通りすがりのペンギン船長
現役理系大学生。エネルギー工学、環境工学を専攻している。これらの学問への興味は人一倍強い。中学時代に、DIYで太陽光発電装置を製作するために、独学で電気工事士第二種という資格を取得してしまうほど熱い思いがある。
エネルギーの単位を考える前に、そもそもエネルギーとは何かを考えてみましょう。そうすると、私たちが普段使っている「エネルギー」という言葉の定義が曖昧であることが分かってきます。例えば、「エネルギーを消費する」という表現は正しいでしょうか？例をとって考えてみましょう。
ガソリンを使って自動車を走らせるということを考えます。ガソリンを燃焼させると熱が発生しますね。その熱でエンジンを動かし、タイヤを回転させます。そして、ブレーキを踏むと、やがて自動車は止まることでしょう。では、自動車が停止した後、ガソリンのエネルギーはどこへいってしまうのでしょうか？消えてしまったのでしょうか？実は、摩擦をおこして熱となります。
このように考えると、「エネルギーを消費する」という表現は不適切です。どうやら、私たちは自分たちのとって有用なエネルギーの形でなくなってしまうと、「消費する」という表現を用いるようですね。しかし、物理学では違います。私たちが使えない形のものも含めて、すべてエネルギーと呼ぶのです。
この記事で、紹介するエネルギーの単位は物理学的な考え方に基づきます。以下では、動力、熱、電気、光、音などの能力を統一的に扱うためのエネルギーの単位を解説していきますね。この言葉通り、以下で登場するエネルギーの単位は、力学、電磁気、熱力学、光学などすべての分野で用いることが可能です。
それでは、ここからは代表的なエネルギーの単位をいくつか紹介します。使用目的、各単位の定義、他の単位との換算法などを中心に解説していきますね。
カロリーは、私たちにとって最も馴染みのあるエネルギーの単位ではないでしょうか？アルファベットで表記するとcalです。ほぼすべての食品に、キロカロリー表示がなされていると思います。ダイエット中に気にしてしまう数字ですね。他にも、ガスコンロやガスストーブの性能を示すためにも、カロリーという単位が使われます。
では、カロリーという単位の定義を考えてみましょう。1カロリーは、1kgの水を1℃温度上昇させるのに必要なエネルギーです。当初は、蒸気機関の開発研究のために作られた単位でした。また、食品に表示されるキロカロリーは、人間が体内で食品を消化したときに最終的に放出される熱量となっています。たんぱく質、脂質、炭水化物などの各栄養素から得られるエネルギーを重みづけして計算していますよ。
＼次のページで「ジュール(J)」を解説！／
image by Study-Z編集部
続いて、ジュールについて考えましょう。ジュールは、物理学や化学に詳しい方には、馴染みのある単位だと思われます。アルファベット表記はJです。サイエンスの分野では、現在最も頻繁使われるエネルギーの単位でしょう。
では、ジュールという単位の定義を考えてみます。1ジュールは、1Nの力で物体を1m動かすときのエネルギー(仕事)と定義されているのです。このとき、力の向きと移動方向は同じとします。SI基本単位を用いて表すと、kg・m/s2 となりますね。また、先ほど説明したカロリーとは、1cal≒4.2Jという式を用いて単位変換できます。また、この単位の由来は、英国の物理学者であるジェームズ・プレスコット・ジュールです。
ワットという単位も、私たちの生活の中で目にすることの多い単位ですね。アルファベット表記はWです。電気製品の消費電力を表記する際などに用います。ただし、ワットは正確にはエネルギーの単位ではありません。ですが、エネルギーの単位と深い関連があるので紹介します。
ワットは、1秒あたりになされる仕事(J)を表す単位です。つまり、W=毎秒Jということですね。このような単位時間あたりの仕事量を仕事率といいます。また、電磁気の分野では電力と呼ばれることもありますよ。ワットという単位は、スコットランド出身のジェームズ・ワットという物理学者の名前に由来します。ジェームズ・ワットは蒸気機関の開発を進め、産業革命のきっかけを作りました。
最後に、ワットアワー(Wh)という単位を紹介します。ワット時と表記することもありますね。こちらも、私たちの生活の中で見かけることのある単位です。電気料金の請求書には電力量がkWh(キロワット時)で記されていますね。また、近年は電気自動車の性能を示す単位として、Wh/kmという単位も用いられるようになりました。これは1km走行するために、どれくらいの電気エネルギーが必要かを表しますよ。
1Whは、1Wの仕事率(電力)で1時間仕事を行った場合に必要なエネルギーのことを指します。1時間は60×60=3600秒です。したがって、1Wh=3600Jとなります。Whは、電磁気の分野で用いられることが多いです。また、電磁気の分野では、エネルギーのことを電力量と表現することもあります。
＼次のページで「エネルギーの単位を理解しよう」を解説！／
エネルギーの単位は、複数存在し、使用される場面も様々です。ゆえに、各単位をしっかりと理解している方は多くありません。ところが、これらの意味を理解しておくと、私たちが口にする食品のエネルギーがどのような計算で求められているかということが分かります。電気製品を買うときに、省エネのものを選ぶこともできますね。
このように、私たちの身近な場所で目にするエネルギーの単位を、ぜひこの機会に学んでみてください。雑学として知っておくと、ものの見方が変化するかもしれませんよ。
エネルギーの単位は、複数存在し、使用される場面も様々です。ゆえに、各単位をしっかりと理解している方は多くありません。ところが、これらの意味を理解しておくと、私たちが口にする食品のエネルギーがどのような計算で求められているかということが分かります。電気製品を買うときに、省エネのものを選ぶこともできますね。
このように、私たちの身近な場所で目にするエネルギーの単位を、ぜひこの機会に学んでみてください。雑学として知っておくと、ものの見方が変化するかもしれませんよ。
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