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。
こちらの記事は動画でも解説しているので、動画の方がいいという方はこちらもどうぞ。
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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【熱力学】ワットとジュールの変換方法
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。
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。
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【熱力学】ワットとカロリーの変換方法
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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