熱力学

【熱力学】SI単位?組立単位?熱計算に必要な色々な単位について

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熱や電気の計算をするうえで絶対に欠かせないのが様々な「単位」です。

「単位」が理解できていないと、その数値が一体何を表しているのかわかりません。逆に「単位」について深く理解できていれば、そこから計算式を組み立てることも可能なので非常に有利になります。

今回は、この覚えるのが厄介な「単位」について詳しく解説してみたいと思います。

1. 単位とは?

「単位」というのは、ある量を数値で表す際の基準となる約束された量です。

単位という基準を皆がそれぞれ共通認識として知っているから、量を言葉で表すことができます。単位がなければ他人と共同で何かを作り出すことはできません。どのような単位で統一するかというのは、それぞれの単位に歴史があり語りだすと、きりがありません。

基準というのは、非常に単純に見えて実に奥深いものです。

色々な議論を経て、世界で統一された単位系としてSI単位(国際単位)というものがあります。世界中で単位がバラバラだと、議論できなくなるので、この単位で統一しましょうという約束事です。

皆さんが普段よく使っているメートル(m)という単位も日本がメートル法に正式に加入したのは1885年(明治18年)でそれまでは1里(り)とか1町(ちょう)とか全く別の単位が使われていました。

今でもたまに田んぼの広さを1反(たん)とか言ったりしますがそれも昔の名残です。少し調べてみると、本当に色々な単位があって面白いです。

2. 熱計算に必要な単位

熱量を計算する際に、覚えておかなければならないSI単位は7つのSI基本単位、2つのSI補助単位、6つのSI組立単位のみです。

2-1. SI基本単位

7つのSI基本単位は、すべての基本となる単位です。これを分解して新たな単位が現れるという事はありません。

長さ メートル(m)

1 秒の 299 792 458 分の1の時間に光が真空中を伝わる行程の長さ。

質量 キログラム(kg)

国際キログラム原器(プラチナ 90 %、イリジウム 10 % からなる合金で直径・高さともに 39 ミリメートルの円柱)の質量。

時間 秒(s)

セシウム133原子の基底状態の2つの超微細構造準位(F = 4, M = 0 および F = 3, M = 0)間の遷移に対応する放射の周期の 9 192 631 770 倍の継続時間。

電流 アンペア(A)

真空中に 1 メートルの間隔で平行に配置された無限に小さい円形断面積を有する無限に長い 2 本の直線状導体のそれぞれを流れ、これらの導体の長さ 1 メートルにつき 2 × 10−7 ニュートンの力を及ぼし合う一定の電流。

熱力学温度 ケルビン(K)

水の三重点の熱力学温度の 1/273.16。

光度 カンデラ(cd)

周波数 540 × 1012 ヘルツの単色放射を放出し、所定の方向におけるその放射強度が 1/683 ワット毎ステラジアンである光源の、その方向における光度

物質量 モル(mol)

0.012 キログラムの炭素12の中に存在する原子の数に等しい数の要素粒子を含む系の物質量。
モルを使うときは、要素粒子 (entités élémentaires) が指定されなければならないが、それは原子、分子、イオン、電子、そのほかの粒子またはこの種の粒子の特定の集合体であってよい。

こうしてみると、普段何気なく使っている単位一つ一つにも深い意味が込められているという事がよくわかりますね。

この7つがSI基本単位となります。

2-2. SI補助単位

SI補助単位は「基本単位でも組立単位でもないが、補助的に使われる単位」です。

じゃあどっち?(笑)ってなりますが2つしかないので覚えちゃいましょう。

平面角 ラジアン(rad)

円周上の弧の長さが、半径の長さと等しくなりような2本の半径の間の平面角。

立体角 ステラジアン(sr)

球の中心を頂点とし、その球の半径を1辺とする正方形の面積と等しい面積をその球の表面上で切り取る立体角。

この二つはほとんど使うことがありません。

2-3. SI組立単位

SI組立単位はSI単位を組み合わせてできる単位のことです。多数存在しますが、熱量を計算する際に使用するのは以下の6つです。

速さ メートル毎秒(m/s)

1秒間に進む距離(m)

面積 平方メートル(m2)

縦1m 横1mの広さ

密度 キログラム毎立方メートル(kg/m3)

1m3当たりの重さ(kg)

力 ニュートン(N)

1ニュートンは、1キログラムの質量をもつ物体に1メートル毎秒毎秒 (m/s2) の加速度を生じさせる力。

周波数 ヘルツ(Hz)

電気振動(電磁波や振動電流)などの現象が、単位時間(ヘルツの場合は1秒)当たりに繰り返される回数。

電気抵抗 オーム(Ω)

1ボルトで1アンペアの電流が流れるとき、導線が示す抵抗

そのほかにも熱力学では、基本単位を組み合わせ、様々な単位が使われいています。

2-4. それ例外でよく使うもの

熱量 ジュール(J)

1 ジュールは標準重力加速度の下でおよそ 102.0 グラム(小さなリンゴくらいの重さ)の物体を 1 メートル持ち上げる時の仕事。

仕事 ワット(W)

1ワットは毎秒1ジュールに等しいエネルギーを生じさせる仕事率と定義され、SI組み立て単位で表すとジュール毎秒(J/s)。

乱雑さ エントロピー(S)

エネルギーを温度で割った次元を持ち、SIにおける単位はジュール毎ケルビン(記号: J/K)。

圧力 パスカル(Pa)

1平方メートル (m2) の面積につき1ニュートン (N) の力が作用する圧力。

エネルギー エンタルピー(h)

エネルギーの次元をもち、物質の発熱・吸熱挙動にかかわる状態量である。等圧条件下にある系が発熱して外部に熱を出すとエンタルピーが下がり、吸熱して外部より熱を受け取るとエンタルピーが上がる。(kJ/kg)

3. まとめ

単位と一言で言っても、その種類は実に様々です。

熱計算で使う単位としてはこんなものではないでしょうか?

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エコおじい

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