物理?
において、
エネルギ?
(
?
:
Energie
)または
エナジ?
(
英
:
energy
)は、
仕事
をすることのできる
能力
のことを指す
[1]
[2]
。物?や系が持っている仕事をする能力の??
[4]
。エネルギ?の
SI?位
は、
ジュ?ル
(記?:J)である。
エネルギ?の?位
[
編集
]
?際?位系
におけるエネルギ?、
仕事 (物理?)
および
熱量
の
?位
は
ジュ?ル
(J) である
[5]
。日本の
計量法
においても、仕事、熱量、
電力量
の
法定計量?位
は、ジュ?ル、
ワット秒
または
ワット時
である。
計量法は、
?養?
や
食品
の分野における
熱量
の計量に限って
カロリ?
(cal) の使用を認めている。1999年10月以降、カロリ?は正確に 4.184 J である
[6]
。
?際?位系は、カロリ?の使用を全く認めていない。1948年の第9回
?際度量衡??
は、「熱測定の??結果は、できるだけジュ?ルで表すこと、やむなくカロリ?で表す場合は、ジュ?ルとの換算値を示すこと」を要請したが
[7]
、日本では依然としてカロリ?が頻繁に使われている。
エネルギ?の?位とその分類は
?際?位系?際文書
および計量法の規定によれば、次のようになっている。
- SI組立?位
- ジュ?ル(J)
- ワット秒(Ws または W?s)= ジュ?ル (
法定計量?位
)
- 法定計量?位
である非SI?位
- ワット時(Wh または W?h) = 3600 J (
キロワット時
(kWh または kW?h) (= 3.6 MJ)は、
SI接頭語
を付した?位の一例である。)
- SI?用?位
- 電子ボルト
(eV) =
1.602
176
634
×
10
?19
J
(正確に) (ただし、法定計量?位ではない。)
- 特殊の計量に用いる法定計量?位
(「人若しくは動物が?取する物の熱量又は人若しくは動物が代謝により消費する熱量の計量」に限って使用できる。)
- カロリ?(= 4.184 J)、キロカロリ?、メガカロリ?、ギガカロリ?(キロ、メガ、ギガ以外の
SI接頭語
を付することはできない。)
- ヤ?ド?ポンド法の?位(航空?係、法定計量?位と?記した輸入品の一部に限られる。)
- 英熱量
(Btu) = (正確に)1055.06 J
[8]
語源
[
編集
]
現在用いられているようなエネルギ?という
?念
が確立したのは
19世紀
後半のことであるが
[9]
、?念の確固たる成立はともかくとして、「エネルギ?」という用語は、19世紀のはじめ、
トマス?ヤング
が1807年に著書『自然哲?講義』(
英
:
A Course of Lectures on Natural Philosophy
) の中で、??使われていた「力」を意味するラテン語
vis
の代わりとして提案された
[4]
。
「エネルギ?」の語源となった
ギリシア語
の
?ν?ργεια
(
ギリシア語ラテン?字
:
energeia
) は、
?νεργ??
(
ギリシア語ラテン?字
:
energos
) に由?する。これは、
?ν
(エン)と
?ργον
(エルゴン)を組み合わせた語で、
?ν
は
前置詞
、
?ργον
(
ギリシア語ラテン?字
:
ergon
) は「
仕事
」を意味する語である。つまり、「
物?
?部に蓄えられた、仕事をする
能力
」という意味の語である。エネルギ?という?念は「仕事」という?念と深い?わりがあるのである。
このようにエネルギ?という語??念は「物?が仕事をなし得る能力」を意味したが、その後、
自然科?
の?明?系が?化し、
熱
?
光
?
電磁?
もエネルギ?を持つことが知られるようになり、さらに、
質量
までがエネルギ?の一形態である、と理解されるようになった
[2]
。
?史
[
編集
]
現代において「エネルギ?」という語で呼ばれている?念には、
ひな形
(あるいは
萌芽
と呼んでもよいもの)があり、その?念は、
ヨ?ロッパ
近世
においては「エネルギ?」とは呼ばれておらず、
ラテン語
で
vis
(ウィス、
力
の意)と呼ばれていた。この?念が??な?緯を?て、現在の「エネルギ?」という?念に似たものに?化してゆくことになった。
1600年
頃のこと、
ガリレオ?ガリレイ
は、
釘
の頭に(
金づち
よりもはるかに)重い物(
石
など)をのせても、釘は木の中にめりこんでゆかないのに、それよりも?い金づちでも振って打つだけで、釘が木材に入ってゆく、ということを、ひとつの問題として取り上げ、
運動
する物?には何らかの固有の「ちから」がある、との考え方を示した。
デカルト
は、
1644年
に出版された著書において、
衝突
という現象においては、物?の
重さ
と
速さ
の
積
(現在の式で言えば、おおよそ
mv
に相?するような量)が保存されるとし、この量こそが物?の持つ「ちから」である、と述べ、この量は保存されている、と主張した。
ライプニッツ
は、重さと速さの二?の積(現在の式で言えば、おおよそ
mv
2
に相?する量)こそが「ちから」である、とし、この量が保存されている、と主張した。なお?時、
?力?
の分野では、
vis mortua
(死んだ力)という?念があったが、その?念と?比ししつつ、ライプニッツはその力
mv
2
を
vis viva
(生きている力、
活力
)と呼んだ。
デカルトの考え方とライプニッツの考え方では、
?式
上異なった結論が導き出される。デカルト派の人?とライプニッツ派の人?の間で「ちから」の解?に?する論?が起き、この論?は?に50年ほども?いた。この論?を
活力論?
[注 1]
と言う。
この問題について
レオンハルト?オイラ?
は、1745-50年頃執筆された手稿「自然哲?序?」の中で (1) ?主張の差異は運動と力の?係を同一時間で比較するのか(
)または同一距離で比較するのか(
)の違いであること、(2) 慣性を物?に?在する「力」に置き換えることが誤りであること、を示している
[10]
。
その後、
ガスパ?ル=ギュスタ?ヴ?コリオリ
が、活力が
であることを示した
[4]
。これは、今日で言うところの「
運動エネルギ?
」に相?することになる
[4]
。
一方、1840年代に入ると
ロベルト?マイヤ?
や
ジェ?ムズ?プレスコット?ジュ?ル
が
エネルギ?保存の法則
の存在に?づき、1847年に
ヘルマン?フォン?ヘルムホルツ
がこれを熱力?の第一法則とし、1850年には
ルドルフ?クラウジウス
が熱力?の第一法則の定式化を行った。また、1824年には
サディ?カルノ?
が
熱力?第二法則
につながる?見をし、1850年代にはクラウジウスと
ウィリアム?トムソン
(ケルヴィン卿)がそれぞれ?自に熱力?第二法則を導きだした
[11]
。
熱力?
[
編集
]
熱力?
において、ある?件の元で仕事として取り出すことのできるエネルギ?として
自由エネルギ?
が定義される。自由エネルギ?には、
ヘルムホルツの自由エネルギ?
と
ギブズの自由エネルギ?
の 2 つがある。
ヘルムホルツの自由エネルギ?
[注 2]
は等?操作によって熱力?系から得られる仕事の最大値として定義される。
ギブズの自由エネルギ?
[注 3]
は等?等?操作によって得られる仕事の最大値を?える。
自由エネルギ?は、適切な??の下では
平衡?態
の熱力?系のすべての情報を持った
??
、すなわち
熱力?ポテンシャル
となる。また、平衡?態は自由エネルギ?が
極小
である?態として?現する。このように、自由エネルギ?は理論的な道具として良い性質を持った量である。
一方、
工?
などの?用領域においては、熱力?系で
仕事
に寄?する
有?エネルギ?のみに意味があり、それを評?する量として
エクセルギ?
[注 4]
が考案されている。反?に、熱力?系の仕事に寄?せず捨てられる無?エネルギ?を
アネルギ?
と呼ぶ。
カルノ??率
によれば、エクセルギ?とアネルギ?の?生割合は、高?側の熱源と低?側の熱源の?度比のみで規定されている。
古典力?
[
編集
]
古典力?
|
運動の第2法則
|
?史
(
英語版
)
|
|
|
力?
においては、
質点
の持つエネルギ?は
運動エネルギ?
と
位置エネルギ?
に分類される。
運動エネルギ?
は粒子の
運動量
に依存するエネルギ?で、
ニュ?トン力?
では
と定義される。ここで
K
は運動エネルギ?、
p
は運動量、
m
は
質量
、
v
は速度である。また、
|·|
は
絶?値
を表し、太字の量は
ベクトル量
を表す。
位置エネルギ?
は質点の位置に依存するエネルギ?で、特に質点が持つ位置エネルギ?は、その質点の位置を??とする
??
として定義される。
位置エネルギ?を表す文字としては、しばしば
V
や
U
、
Φ
や
φ
が用いられる。
粒子の持つエネルギ?を一般化して、1 つの力?系に?してエネルギ?を定義できる。
運動エネルギ?に?しては、各粒子が持つ運動エネルギ?の和が系の運動エネルギ?に??する。
ここで
N
は系の粒子?であり、
p
i
は
i
番目の粒子の運動量、
m
i
は
i
番目の粒子の質量である。
位置エネルギ?は、各粒子の位置を??とする??として定義される。多くの場合、位置エネルギ?は 1 ?の
ポテンシャル
と 2 ?のポテンシャルを用いて、
と書き表すことができる。ここで
Φ
は系の位置エネルギ?、
φ
1
は 1 ?のポテンシャル、
φ
2
は 2 ?のポテンシャルであり、
r
i
は
i
番目の粒子の位置を表す。
力?において定義されるこれらのエネルギ?の?和は、熱力?における定義と?比して、しばしば
力?的エネルギ?
と呼ばれる。
力?的エネルギ?の?化量が、系が外界に?してなした仕事に等しい場合、「力?的エネルギ?は保存している」と言い、これを
力?的エネルギ?保存則
と呼ぶ。力?的エネルギ?が保存しない系は、たとえば粒子に?して
摩擦力
が?く系や粒子が
非?性衝突
をする系である。
還元主義
の立場では、このエネルギ?の損失は、粒子やそれが運動する
媒質
などの
?部自由度
を記述し切れていないことに起因すると考えられている。
相?性理論
[
編集
]
アインシュタイン
による
相?性理論
において、物?が持つ
運動エネルギ?
は下の式である。
量子力?
[
編集
]
量子力?
において、
物理量
や
可?測量
は通常の
??
を用いては必ずしも表現できず、
演算子
を用いて表現される
。系の力?的なエネルギ?は、古典論における
解析力?
と同?に系全?の
ハミルトニアン
によって表されるが、量子力?ではハミルトニアンは
?態ベクトル
に作用する演算子となる
。測定によって得られる値は、そのハミルトニアンの
固有?態
に??した
固有値
として?えられる
[注 5]
。ある系について、エネルギ?を測定できる限りにおいて、
エネルギ?固有値
は??に限られるため、系全?のハミルトニアンは
エルミ?ト演算子
でなければならない。
非相?論的
な量子力?では、
正準交換?係
を通じて
運動量
を演算子に置き換えることで、
運動エネルギ?
は、
と定義される
。ここで
ˆ
K
は運動エネルギ?演算子、
ˆ
p
は運動量演算子である。運動エネルギ?を表す文字としてはしばしば
K
や
T
が用いられる。
位置エネルギ?
も同?に位置演算子の??に置き換えられる
。
ここで
V
,
ˆ
V
は位置エネルギ?および位置エネルギ?演算子、
r
,
ˆ
r
は粒子の位置および位置演算子である。
1 粒子系のハミルトニアン
ˆ
H
は運動エネルギ?と位置エネルギ?の和として?えられる。
量子力?においては、古典力?とは異なり、定常?態でとり得るエネルギ?固有値
E
は非負でなければならず、固有値は必ずしも連?的ではなくなる
[9]
。エネルギ?の値がこのように離散的になることの?果が、特に低?での熱的な性質に?著に現れる
[9]
。
電磁??
[
編集
]
電磁??
において、
電磁場
のエネルギ?は、現象論的な
マクスウェルの方程式
から
と?えられる
。ここで
E
は
電場
、
D
は
電束密度
、
H
は
磁場
、
B
は
磁束密度
である。また、
·
は
ベクトルの?積
、
V
は空間全?およびその?積を表す。特に、?空中では電束密度
D
および磁場
H
はそれぞれ電場
E
と磁束密度
B
で置き換えられ、
?際?位系
を用いれば、
?空中の誘電率
ε
0
および
?空中の透磁率
μ
0
を用いて、
と表すことができる。また、被積分??である、電場と電束密度の
?積
E
·
D
、および磁場と磁束密度の?積
H
·
B
の和は
[注 6]
、電磁場のエネルギ?密度を?える
。
?空中のエネルギ?密度は、
である。すなわち、電磁場のエネルギ?密度は電磁場の大きさの
二?
に比例する。
ある空間における電磁場のエネルギ?について、その時間的?化は電場が電荷に?してなす力?的な
仕事
と、
電磁波
として運ばれるものに分けられる
。前者の
電荷
に?する電磁場がなす仕事やそれによって生じる
熱
は
ジュ?ル熱
と呼ばれる
。
ここで
j
は
電流密度
、
A
は領域
V
の表面およびその面積を表す。また、
r
A
は表面
A
上の点を、
n
は表面に垂直で領域の外を向いた
?位ベクトル
を表している。右?の第 1 項がジュ?ル熱、つまり電磁場と電荷の相互作用によるエネルギ?の移動を表し、第 2 項が電磁場の?形によって外部へ流出するエネルギ?の流量を表している。第 2 項の被積分??は
ポインティング?ベクトル
として次のように定義される
。
種類?分類
[
編集
]
上の複?の節において、運動エネルギ?、位置エネルギ?、電磁場のエネルギ?など、物理?で扱うエネルギ??念を?げた。
そのような物理?的で?密な分類もあるが、他方で、人?が慣習的に行う やや曖昧な分類もある。熱機?と熱浴との
?度
の差を利用して取り出されるエネルギ?は、ときに
熱エネルギ?
と呼ばれる。また
化?ポテンシャル
の差を利用して取り出されるエネルギ?は
化?エネルギ?
と呼ばれる。他にも、
電流
によって運ばれるエネルギ?は
電?エネルギ?
、
電磁波
の持つエネルギ?や電磁波によって得られるエネルギ?は
光エネルギ?
、
原子核分裂
や
原子核融合
などの
原子核反?
によって生じるエネルギ?は
原子エネルギ?
などと呼ばれることがある。これらの呼?は慣習的なもので、物理?とも異なる何らかの視点で分類されたもので、必ずしも?格に用いられているわけではなく、また一般に通用する?密な定義も存在しない。
資源としてのエネルギ?
[
編集
]
「エネルギ?」はエネルギ?資源を指していることもある。産業?運輸?消費生活などに必要な動力の源のことを
エネルギ?資源
と呼んでいる
[1]
。
エネルギ?資源の?史
[
編集
]
人類が最初に利用したエネルギ?源は
火
である。
メソポタミア
文明の時代にはすでに水のエネルギ?(
水力
)を利用するために
水車
が作られており、また
風
のエネルギ?を使用する
帆船
も移動手段として古代から存在していた。やがて
風車
が作られることで、移動以外の動力にも風が利用できるようになった
[22]
。
18世紀
までは主要なエネルギ?源はこういった自然のエネルギ?のほか、
薪
、
炭
、
鯨油
などといったものが主であったが、18世紀に入るとイギリスで
石炭
の利用法の改良が行われ、次いで
1765年
、
ジェ?ムズ?ワット
が
蒸?機?
の改良を行った
[23]
。これは人類の利用できるエネルギ?に革新をもたらし、
産業革命
の原動力となった。その後、
電?
エネルギ?の?用化が始まり、20世紀に入ると石炭に?わって
石油
が主に用いられるようになり、また
核燃料
を利用する
原子力
エネルギ?が?用化された
[24]
。
2018年には世界のエネルギ?消費量は138.6億トンに達し、
石油
が34%、
石炭
が27%、
天然ガス
が24%を占め、8割以上が
化石燃料
由?のエネルギ?となっている
[25]
。
エネルギ?消費の構成が急激に大きく?化すること、特に
第二次世界大?
後の石炭から石油への急激なエネルギ?源の?換などを指して
[26]
、
エネルギ?革命
と言う
[26]
。
エネルギ?資源の分類
[
編集
]
エネルギ?は「資源」の?点では、石炭や石油のように地球に埋?されていて使用すると減少する
枯?性エネルギ?
と、太陽光?水力?風力など主に太陽の放射エネルギ?に基づくもので人間の時間尺度?では半永久的に減ることなく再生される
再生可能エネルギ?
に分類される
[27]
。
エネルギ?資源はその利用形態による分類としては、自然界に存在する?態のままの1次エネルギ?(石炭、原油、水力など)と、それを使用や取り扱いに便利なように?換した2次エネルギ?(ガソリン、都市ガス、電力など)に分類される
[28]
。
省エネ、創エネ、蓄エネ
[
編集
]
「
省エネ
」とはエネルギ?の無?を省いて?率的に使うこと、「創エネ」とは、主として電?を自ら創ること(
自家?電
すること)、「
蓄エネ
」とはエネルギ?を蓄えること、の??である
[29]
。
換算表
[
編集
]
主なエネルギ?の換算表
[30]
|
toe
(石油換算トン)
|
tce
(石炭換算トン)
|
MBtu
|
Gcal
|
MWh
|
GJ
|
toe
|
1
|
0.7
|
0.0252
|
0.0999
|
0.0860
|
0.0239
|
tce
|
1.428 6
|
1
|
0.0360
|
0.1428
|
0.1228
|
0.0341
|
MBtu
|
39.683
|
27.778
|
1
|
0.2778
|
0.0239
|
0.9478
|
Gcal
|
10.007
|
7.0049
|
0.2522
|
1
|
0.8604
|
0.2390
|
MWh
|
11.630
|
8.1410
|
0.2931
|
1.1622
|
1
|
0.2778
|
GJ
|
41.868
|
29.307 6
|
1.055 055 852 62
|
4.184
|
3.6
|
1
|
脚注
[
編集
]
注?
[
編集
]
- ^
英
:
the
vis viva
dispute
- ^
英
:
Helmholtz free energy
- ^
英
:
Gibbs free energy
- ^
英
:
exergy
- ^
系全?のハミルトニアンの固有?態を特に
エネルギ?固有?態
と呼び、固有値を
エネルギ?固有値
と呼ぶ。エネルギ?固有?態とは、エネルギ?がある 1 つの値に定まった?態を指し、エネルギ?固有値はそのときの系のエネルギ?に等しい。
- ^
正確にはその
1
/
2
。
出典
[
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]
?考文?
[
編集
]
?連項目
[
編集
]
ウィキメディア?コモンズには、
エネルギ?
に?連するカテゴリがあります。
外部リンク
[
編集
]
|
---|
線形?直線運動の量
|
|
角度?回?運動の量
|
次元
|
—
|
L
|
L
2
|
次元
|
—
|
—
|
—
|
T
|
時間
:
t
s
|
absement
:
A
m s
(
英語版
)
|
|
T
|
時間
:
t
s
|
|
|
—
|
|
距離
:
d
,
位置
:
r
,
s
,
x
,
?位
m
|
面積
:
A
m
2
|
—
|
|
角度
:
θ
,
角?位
(
英語版
)
:
θ
rad
|
立?角
:
Ω
rad
2
, sr
|
T
?1
|
周波?
:
f
s
?1
,
Hz
|
速さ
(速度の大きさ):
v
,
速度
:
v
m s
?1
|
動粘度
:
ν
,
比角運動量
(
英語版
)
:
h
m
2
s
?1
|
T
?1
|
周波?
:
f
s
?1
,
Hz
|
角速度(の大きさ):
ω
,
角速度
:
ω
rad
s
?1
|
|
T
?2
|
|
加速度
:
a
m s
?2
|
|
T
?2
|
|
角加速度
:
α
rad
s
?2
|
|
T
?3
|
|
躍度
:
j
m s
?3
|
|
T
?3
|
|
角躍度
:
ζ
rad
s
?3
|
|
|
|
M
|
質量
:
m
kg
|
|
|
M L
2
|
慣性モ?メント
:
I
kg
m
2
|
|
|
M T
?1
|
|
運動量
:
p
,
力積
:
J
kg
m s
?1
,
N s
(
英語版
)
|
作用
:
??
,
actergy
:
?
kg
m
2
s
?1
,
J s
(
英語版
)
|
M L
2
T
?1
|
|
角運動量
:
L
, 角力積:
Δ
L
kg
m
2
s
?1
|
作用:
??
, actergy:
?
kg
m
2
s
?1
, J s
|
M T
?2
|
|
力
:
F
,
重さ
:
F
g
kg
m s
?2
,
N
|
エネルギ?
:
E
,
仕事
:
W
kg
m
2
s
?2
,
J
|
M L
2
T
?2
|
|
トルク
:
τ
,
力のモ?メント
:
M
kg
m
2
s
?2
,
N m
|
エネルギ?:
E
, 仕事:
W
kg
m
2
s
?2
, J
|
M T
?3
|
|
yank
:
Y
kg
m s
?3
, N s
?1
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2
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