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エネルギー変換効率は何で決まる？理系学生ライターが徹底わかりやすく解説！

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よぉ、桜木建二だ。今回は省エネルギー化を実現する上で重要となる「エネルギー変換効率」について解説していくぞ。

人類が直面しているエネルギー問題の改善策の1つに省エネルギー化がある。省エネルギー化とは、今よりも少ないエネルギーを使って、今と同じだけの利益やサービスを得られるようにすることだ。この方法を考えるためには、「エネルギー変換効率」という概念を理解する必要がある。ぜひとも、この記事を読んで「エネルギー変換効率」の考え方を学んでくれ。

エネルギー工学、環境工学を専攻している理系学生ライターの通りすがりのぺんぎん船長と一緒に解説していくぞ。

この記事の目次

解説／桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

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。

エネルギー変換効率とは？

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私たち人間は、エネルギーを使いやすい形に変えて使用することがよくあります。例えば、火力発電所では、化学エネルギーを有する化石燃料から電気エネルギーを取り出しますね。また、モーターを駆動させることで、電気エネルギーを運動エネルギーに変えるといったこともできます。このように、あるエネルギーから別の種類のエネルギーを取り出し、利用することをエネルギー変換というのです。

エネルギー変換を行う際、元となるエネルギーのすべてを、取り出すエネルギーに変えることはできません。つまり、必ずエネルギーをロスしてしまうのです。これをエネルギー損失といいます。そして、元となるエネルギーに対して、どの程度のエネルギーを取り出せたかを表す指標をエネルギー変換効率というのです。エネルギー変換効率は、(取り出すエネルギー)/(元のエネルギー)または1－(エネルギー損失)/(元のエネルギー)で求められますよ。

この記事では、熱機関と太陽電池を例に挙げ、エネルギー変換効率を決定づける要因やエネルギー変換効率を向上させる方法について考えます。そして、エネルギー変換効率と省エネの関係性についても解説していきますね。

あるエネルギーを、別の種類のエネルギーに変換するときには、必ずロスが発生するぞ。

熱機関のエネルギー変換効率

熱機関は、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する装置です。熱機関の例として、自動車のエンジン、火力発電所のタービンなどが挙げられます。前半は、この熱機関のエネルギー変換効率について考えてみましょう。

必ず熱は捨てないといけない？

image by PIXTA / 29723219

化石燃料などを燃やして発生する熱エネルギーのすべてを、運動エネルギーに変化させることができる熱機関は存在するのでしょうか？この問いの正解は、「存在しない」です。実はこのことを説明している法則があります。熱力学第二法則です。熱力学第二法則は様々な表現方法がありますが、「ただ1つの熱源から正の熱を受け取り、動作し続ける熱機関は存在しない。」というオストワルドの表現がこれに該当します。

では、熱機関を動かし続けるためにはどうすればよいか考えましょう。熱機関を連続的に動作させるためには、高温の熱源から熱エネルギーを受け取り、その一部を低温の熱源に受け渡す必要があります。つまり、熱機関は泣く泣く熱エネルギーの一部を、運動エネルギーに変換する際に捨てなければならないのです。