【中学3年理科】エネルギー・熱の移り変わりと発電方法

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中学3年理科。今日はエネルギーの移り変わりや熱の伝わり方について学習します。どのような装置が何エネルギーを何エネルギーに変換しているのかを理解し、3つの熱の伝わり方をマスターしましょう。火力・水力・原子力の発電方法でのエネルギーの移り変わりも見ていきます。

エネルギーの移り変わり

下の図は、ガスバーナーでフラスコの水を加熱し、出てきた水蒸気で羽根車を回す装置です。羽根車にはおもりをつけた糸が巻き付けてあり、羽根車が回転すると糸が巻き取られ、おもりの位置が高くなっていきます。

エネルギーの移り変わり

このときのエネルギーの移り変わりを見ていきましょう。まずはガスバーナーから出るガスです。ガスに火をつけると燃焼し、高温になります。燃焼という化学変化で、ガスから熱エネルギーをとり出せました。ということは、ガスには何かしらのエネルギーがあったということになります。ガスのように、化学変化で取り出せるエネルギーを化学エネルギーといいます。

次に、ガスが燃焼し出てきた熱エネルギーですが、この熱によってフラスコ内の水が温められ沸騰し、水蒸気が発生しています。この水蒸気により羽根車が回転します。回転したということは運動エネルギーになったということですね。

最後に、羽根車が回転することで、おもりが巻き上げられます。おもりの位置が上昇したので、位置エネルギーが発生しました。

このように、ガスが持つ化学エネルギーが移り変わり、最終的におもりの位置エネルギーに変化しました。

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エネルギーの変わり方

上の装置でのエネルギーの移り変わり方です。

  1. ガス…化学エネルギー

    燃焼(化学変化)
  2. 水…熱エネルギー

    沸騰(水蒸気の発生)
  3. 羽根車…運動エネルギー

    糸を巻き上げる
  4. おもり…位置エネルギー

このとき、熱エネルギーの一部は、空気中に逃げていることも覚えておきましょう。

いろいろな道具とエネルギーの変わり方

普段、生活の中で使っている道具は、さまざまなエネルギーを利用しています。これらの道具で、何エネルギーが何エネルギーに変換されているのかを確認しておきましょう。

エネルギーの移り変わり

火おこし器(火きり)

摩擦によって熱を発生させ、火を起こす器具です。

運動エネルギー→熱エネルギー

エンジン

車を動かすエンジンでは、ガソリンを燃焼させ発生した熱により車を動かしています。

熱エネルギー→運動エネルギー

発電機

発電機内には磁石とコイルがあり、発電機を回すことで電磁誘導を起こし電気を取り出しています。

運動エネルギー→電気エネルギー

モーター(電動機)

電流を流すことで、モーターが回転します。発電機とは逆の関係になっています。

電気エネルギー→運動エネルギー

電熱線(電気ストーブ)

電流を流すことで、発熱し熱くなります。

電気エネルギー→熱エネルギー

ペルチェ素子

2枚の金属板に電流を流すと温度差が生じ水を温めたり、水滴を凍らせたりすることができる装置です。逆に2枚の金属板に温度差を生じさせると、電流が取り出せます。

電気エネルギー↔熱エネルギー

スピーカー

電流が流れると、スピーカー内のコイルが振動し音が出ます。

電気エネルギー→音エネルギー

マイク

音(空気の振動)で電磁誘導を起こし、電流が流れます。

音エネルギー→電気エネルギー

豆電球

電流を流せば光ります。

電気エネルギー→光エネルギー

光電池

光をパネルに当てると、電流が流れます。

光エネルギー→電気エネルギー

ろうそく

火をつけると燃焼し、光や熱を出します。

化学エネルギー→光エネルギー+熱エネルギー

光合成

植物は、日光を浴びてデンプンをつくりだします。デンプンの中には化学エネルギーがあります。

光エネルギー→化学エネルギー

以上がよく出る道具や装置です。

熱の伝わり方

熱が物体を伝わる方法には、大きく次の3つがあります。

  • 伝導(熱伝導)
  • 対流(熱対流)
  • 放射(熱放射)

固体や液体、気体などによってどの方法で熱が移動するのかが変わります。これから詳しくその仕組みを見ていきましょう。その前に、熱の伝わる方向についても学習します。

熱の伝わる方向

熱は温度の高い物体から温度の低い物体に移動します。熱いお湯が入ったコップと、冷たい水が入ったコップを接しておくと、温度の高いお湯から、温度の低い水に熱が伝わり、温度が一緒になると熱の移動がストップします。この状態を熱平衡といいます。

熱の移動

伝導(熱伝導)

加熱しているところから順に熱が伝わることを伝導(熱伝導)といいます。金属などの固体や接しているものどうしで、熱が伝わっていくことが伝導です。フライパンで料理をしているとき、フライパンの持つ部分が熱くなるのはこのために。

熱伝導

伝導での熱の伝わり方は、加熱している部分の近いところから遠いところに順に熱が伝わっていきます。

熱伝導率

金属などの固体は伝導(熱伝導)によって熱が伝わりますが、物質によって熱の伝わりやすさは異なります。この熱の伝わりやすさを熱伝導率といいます熱伝導率が大きいほど熱は伝わりやすく、小さいほど熱が伝わりにくくなります。

金属のように熱を伝えやすい物質を良導体、熱を伝えにくい物質を不良導体ということも覚えておけば完璧でしょう。

対流(熱対流)

温度のちがいによって起こる液体や気体の動きを対流(熱対流)といいます空気を例にとってみると、暖められた空気は密度が小さくなり(軽くなり)上昇し、上にある冷たい空気は密度が大きい(重い)ので下に移動します。このように、空気の温度の違いによって、空気が上に行ったり下に行ったりしながら熱を移動させることを対流というのです。

熱対流

伝導と対流の違い

伝導と対流を間違える生徒が大きのですが、大きな違いは、実際に物質の移動が起こるかどうかで区別できます。伝導の場合は、物質が実際に移動することはなく、熱だけが移動しますが、対流の場合は、物質が実際に上に行ったり下に行ったりと移動します。ここが大きな違いですね。

放射(熱放射)

太陽や温められたものから出される赤外線によって熱が伝わる現象を放射(熱放射)といいます太陽に当たるとぽかぽかとあたたかく感じるのは、放射(熱放射)によって熱が伝わっているからです。

熱放射

放射(熱放射)での熱の伝わり方の大きな特徴は、物質がなくても、空間を飛び越えて熱が伝わることです。太陽と地球の間には、真空の宇宙空間が広がっていますが、太陽の熱が伝わるのはこのためです。

発電とエネルギーの移り変わり

現在の私たちの暮らしは、電気エネルギーで補われているといっても過言ではありません。夜に明かりが灯るのも、夏に涼しいクーラーの部屋で過ごせるのも、スマホや携帯が使えるのも、そのほとんどが電気エネルギーを利用しているからです。

では、この電気エネルギーはどのようにつくられいるのでしょうか。ここまで、エネルギーの移り変わりを見てきましたので、みなさんはどのように電気エネルギーがつくられているのかおおよその推測はつくかと思いますが、今日はここを詳しくみていきましょう。

さまざまな発電方法

現在、私たちが使う電気エネルギーは、おもに火力発電や原子力発電、水力発電などでまかなわれています。その他にも、さまざまな発電方法があるので紹介します。

  • 火力発電…天然ガスなどの化石燃料を燃やし発電する。
  • 原子力発電…ウランなどの核エネルギーを利用して発電する。
  • 水力発電ダムに蓄えれれた水を放流することで発電している。
  • 風力発電風の力でタービンを回し発電している。
  • 太陽光発電太陽パネルに太陽光を当て発電している。
  • 地熱発電マグマから出る熱を利用して発電している。
  • 波力発電波の力を利用して発電している。
  • 海洋温度差発電…海洋表層の温水と深海の冷水の温度差を利用して発電。

などなど、さまざまな発電方法があります。

再生可能エネルギー

発電方法には、くり返し使えたり、使っても枯渇しないエネルギーである再生可能エネルギーがあります。太陽光発電風力発電などは再生可能エネルギーで、発電を行っても枯渇しないエネルギーになります。

それに対して、火力発電原子力発電など、燃料が無くなると新しいエネルギーをつくりだせないもの再生不能エネルギーといいます。未来の地球環境を考えると、再生可能エネルギーの利用が地球に良く、現在様々な再生可能エネルギーの利用が進められいます。

再生可能エネルギーの種類

太陽光風力波力地熱バイオマスなど、自然の力でくり返し使えるエネルギー資源になります。枯渇しなくて地球環境にも優しいエネルギー源です。

バイオマスとは、エネルギー資源として利用できる生物体のことです。バイオマス自体は有機物で、燃焼させると二酸化炭素が生じますが、その生物体が成長する過程で、燃焼により生じた二酸化炭素はすべて光合成で吸収されるのが特徴です。や燃料として使える動物のふんバイオエタノールなどがバイオマスになります。

火力発電

火力発電では、天然ガスや石油、石炭などの化石燃料を燃焼させ、蒸気を起こし、タービンを回すことで発電を行っています。化石燃料を燃焼させるため、大量の二酸化炭素を排出するのが特徴です。

火力発電所は、発電に大量の化石燃料を使用するので、タンカーなどで燃料を運べるように、海の近くにつくられています。

火力発電でのエネルギーの移り変わり

火力発電で生み出される電気エネルギーも、何かのエネルギーが移り変わって生じたものです。では、どのようなエネルギーがどのように移り変わっているのか見ていきましょう。

  1. 化石燃料化学エネルギー

    ボイラー
  2. 燃焼熱エネルギー

    タービン
  3. 水蒸気運動エネルギー

    発電機
  4. 電磁誘導電気エネルギー

天然ガスなどの化石燃料をボイラーで燃焼させ、海水を沸かし出てきた蒸気でタービンを回します。タービンには発電機がついており、発電機が回転することで電気エネルギーが生み出されています。

大昔の太陽放射エネルギー

火力発電も元をたどれば、太陽のエネルギーが最初のエネルギー源になっています。化石燃料は、大昔に地球上に生息していた生物です。植物や微生物などの死がいが長い年月をかけ化石化して燃料になったものが化石燃料です。ということは、大昔に太陽の光を浴びて、植物は光合成を行い、それを生物が食べることで成長してきたものです。

したがって、火力発電の大元は、昔の太陽放射エネルギーといえるのです。

水力発電

水量く発電は、ダムの水など放流することでタービンを回し発電する方法です。ダムの水が持つ位置エネルギーを利用した発電方法になります。

水力発電は、ダムを建設するところから始まるので、建設場所が限定されるほかに自然を切り開きダムを建設しなければならないといった短所があります。

水力発電でのエネルギーの移り変わり

水力発電でのエネルギーの移り変わりは以下のようになります。

  1. ダムの水位置エネルギー

    放流
  2. タービン運動エネルギー

    回転
  3. 発電機電気エネルギー

ダムの水は高い場所にあるので、位置エネルギーを持っています。このダムの水を放流することで運動エネルギーに変え、タービンを回し発電機を回すことで電気エネルギーをつくりだしいます。

太陽放射エネルギー

では、ダムの水はどのように位置エネルギーを得たのでしょうか。ダムに水がたまるためには、高い山に雨が降らなければなりません。雨が降るためには、太陽が海面を照らし、水蒸気が発生し、上空に上昇することで雲が発生し、その雲から雨が降る必要があります。

つまり、ダムの水が位置エネルギーを得るためには、太陽放射が必要になるのです。したがって、水力発電の大元も太陽放射エネルギーになるのです。

原子力発電

原子力発電は、基本的な仕組みは火力発電と同じですが、火力発電で使用するボイラーを原子炉に置き換え、化石燃料ではなくウランなどの核エネルギーを利用して熱エネルギーを発生させ、蒸気を起こし発電する方法です。

化石燃料を大量に使う火力発電と比べると、二酸化炭素の排出量は減少しますが、原子力発電では、放射性廃棄物の処理の問題が生じます。

原子力発電のエネルギーの移り変わり

核燃料を核分裂させ、生じた熱で蒸気を発生させタービンを回します。

  1. 核燃料(ウラン)核エネルギー

    原子炉
  2. 核分裂反応熱エネルギー

    タービン
  3. 水蒸気運動エネルギー

    発電機
  4. 電磁誘導電気エネルギー

以上が、発電に関するポイントです。特に火力発電や水力発電などはテストにもよく出る内容です。エネルギーの移り変わりをしっかりと覚えましょう。

【練習問題】エネルギーの移り変わり

エネルギーの移り変わり問題右の図は、ガスバーナーでフラスコ内の水を沸騰させ、出てきた蒸気で羽根車を回転させ、羽根車についた糸を巻き上げて物体を持ち上げる装置である。これについて、次の各問いに答えなさい。

(1)ガスバーナーから出るガスに火をつけると炎をあげて燃える。このとき、何エネルギーが何エネルギーに移り変わっているか。

(2)蒸気で羽根車を回し、物体を持ち上げるとき、何エネルギーが何エネルギーに移り変わっているか。

(3)ガスバーナーでフラスコ内の水を加熱しているとき、あたためられた水は上の方に、まだあたためられていない水は下の方に移動しながら、水全体の温度が上昇していく。このような熱の伝わり方を何というか。

(4)次の文は、エネルギーの移り変わりについてまとめたものである。文章中の(①)には文章を、(②)にはあてはまる語句を書きなさい。

エネルギーは、さまざまな形となって移り変わっている。実験では、ガスがもつエネルギーよりも、物体が持ち上げられたことで発生するエネルギーの方が小さくなる。これは、ガスが燃えるときに出た熱エネルギーの一部が(   ①   )からである。しかし、①の熱エネルギーも含めると、ガスが持つエネルギーと、最終的に移り変わって生じたエネルギーの総和は一定で変化しない。これを( ② )という。

【解答・解説】エネルギーの移り変わり

(1)化学エネルギー熱エネルギー

ガスは燃える(化学変化する)ことで周りに熱を発します。このように化学変化で取り出すことができるエネルギーを化学エネルギーといいます。また、温度が上昇することから化学エネルギーが熱エネルギーに変換されたことがわかります。

(2)運動エネルギー位置エネルギー

蒸気によって羽根車が回転することから運動エネルギーが生じていることがわかります。この運動エネルギーで糸が巻き上げられ、物体が上昇していることから位置エネルギーが生じていることがわかります。

(3)対流

気体や液体中での熱の伝わり方を「対流」といいます。気体や液体がグルグルと循環することで熱が全体に伝わっていきます。

(4)①空気中に逃げた ②エネルギーの保存

ガスバーナーから出た熱は、水を温めることにも使われますが、空気中にもどんどん逃げていきます。エネルギーのすべての移り変わりを考えたとき、その総和が一定で変化しないことを、エネルギーの保存といいます。

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