熱力学

【熱力学】エネルギーを表す単位、ジュール、カロリー、ワットの違いは?

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エネルギーを表す単位には、ジュール、カロリー、ワットなどがありますが、熱について考える際にはこれらの単位を自在に変換できることが重要です。

1. ジュール、カロリー、ワットの違い

1-1. ジュール

まず、もっとも基本となるジュールについて考えてみます。

ジュールは1Nの力で物体を1m動かすのに必要なエネルギーで、式に表すと次のようになります。ジュールと言う名前の由来はジェームズ・プレスコット・ジュールという人名から来ているようです。

$$J=N・m=\frac{kg・m^2}{s^2}$$

ジュールはこれ以外にも、1ボルトの電圧の中で1クーロンの電荷を動かすのに必要な力としても表せますが、ここでは省略します。

1-2. ワット

次に、ワットについて考えます。

ワットはポンプやタービン、温水器など様々な機器の能力を示す指標として使われており、仕事率などと言われます。蒸気機関の祖であるジェームス・ワットにちなんでつけられています。

ワットは毎秒1ジュールのエネルギーを生じさせる仕事率と定義されており、SI組み立て単位であらわすとJ/secという単位になります。式で表すと次のようになります。

$$W=\frac{J}{s}=\frac{kg・m^2}{s^3}$$

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1-3. キロワット時

キロワット時は電力量などを表すときに使用します。電気代の請求書などには、使用した電力量としてkWhという単位が記載されていると思います。

これは1キロワットの仕事を1時間続けたときのエネルギーを表しています。1時間は3600秒なので式に表すと次のようになります。単位はkJ(キロジュール)です。

$$kWh=kW・3600s[kJ]$$

k(キロ)=10の3乗

M(メガ)=10の6乗

1-4. カロリー

最後にカロリーについて考えてみます。

最近、カロリーを使用して熱計算をしている人はあまり見ませんが、年配の方などはカロリーで話したほうが理解してもらいやすいこともあります。調べてみると、かつてはカロリーが主流でしたが、1948年の国際度量衡総会でジュールを使用していくという方針に変わったようです。

食品のエネルギー表記にはカロリーが表記されていますが、日本の計量法では「食物または代謝の熱量の計算」のみに使用できると決まっているようです。

カロリーのもともとの定義は「1グラムの水の温度を標準大気圧下で1℃上げるのに必要な熱量」です。ただ、水の比熱自体が温度によって多少変わるので複数のカロリーが存在するようです。

一般的には平均カロリーが用いられており、式に表すと次のようになります。

$$cal=4.190J$$

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2. まとめ

$$J=N・m=\frac{kg・m^2}{s^2}$$

$$W=\frac{J}{s}=\frac{kg・m^2}{s^3}$$

$$kWh=kW・3600s[kJ]$$

$$cal=4.190J$$

ジュール、ワット、キロワット時、カロリーなどの定義は基本的な内容ですが、しっかり理解しておかないとタービンなどの熱機関について考えるときによく分からなくなります。

単位そのものについても試験で問われることがあるので、理解しておく必要がありますね。

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エコおじい

プラントエンジニアです。2017年から工業技術に関する情報をまとめて発信しています。最近、Youtubeも始めました。応援していただけるという方は更新情報などを発信するので、Twitterのフォローお願いします。

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