位置エネルギ　と　熱エネルギ　の変換

Question

中学生の娘から質問されて困っています。
最近、理科の授業でエネルギについて勉強しているようです。

位置エネルギや電気エネルギ運動エネルギなどですが、それらを変換している現象や機械で、具体的にどのようなものがあるのかという問題です。

今回質問したいのは、タイトルの「位置エネルギ」と「熱エネルギ」を”直接”変換している現象についてです。

位置エネルギを運動エネルギに変換して、さらに熱エネルギに変換するということであれば、たとえば、滑り台を滑ったときにお尻をこすって摩擦で発熱するなど、結構考えられます。　が、運動エネルギなど、別のエネルギを介さないで直接変換するとなると、今のところ思いつきません。

何か、ありますか？　もし、思いついたら宜しくお願いします。

a-saitoh · Accepted Answer

例に挙げられたブレーキをかけながら下るという事例は、位置エネルギーと熱エネルギーの直接変換の事例と考えることは出来ませんか。

動き出したところでブレーキを強めて、速度が変わらないように調整すると言うことを考えてみてください。速度が変わらない以上、運動エネルギーは変わっていません。その一方、ブレーキでは熱が発生しています。

最後に減速する時点で、運動エネルギーが熱に変わっていますね。

そもそも、熱エネルギーの実体は分子レベルの運動エネルギーなので、運動エネルギーが間に入るとか入らないかを悩むこと自体が不毛ですが。

ht1914 · Answer

＃４です。
教科書に書いてあるエネルギーの相互関係の図についてなのですね。同じような図は高校の教科書にも出てきます。これは自然界でのエネルギーの移り変わりを整理してみようという立場のものですからＡ→Ｂ、Ａ→Ｃ→Ｂ、Ａ→Ｃ→Ｄ→Ｂ、・・・のどれでも構わないはずです。Ａ→Ｂだけであれば自然界の現象や道具、機械でのエネルギーの移動を整理し切れません。現象を整理していくというのはＡ→Ｂの変化を押さえた上で途中のＣとかＤを考えていくことになります。
多分電気エネルギーへの移り変わりも出てくるはずです。発電が出てくれば＃４で書いたように最初と最後だけを問題にしていることになります。
私は原子力発電も説明します。水力発電よりは火力発電の方に近いということを言います。これは途中のステップを考えてどちらとの共通点が多いかということです。どれも発電機を回しますから電気エネルギーの直前は運動エネルギーです。（ここだけで言えば自転車の発電機でも同じです。）この運動エネルギーをどこから得るかで方法が異なります。高いところから落とした勢いのよい水を用いるのが水力発電です。お湯を沸かして作った高温、高速の水蒸気を用いるというのは火力発電と原子力発電です。この二つは熱源が違うだけだということになります。熱源の区別をすれば化学エネルギーと原子力エネルギーとなります。（鉄腕アトムの胸の中にある原子炉というようなイメージをひっくり返したいという気持ちもありました。）

位置エネルギーから熱エネルギーに移るという場合、運動エネルギーをどう扱うかというのは混乱した議論になります。私はその混乱に落ち込まないように別の道筋を考えました。「あるエネルギーＡが減って、別のエネルギーＢが増えればＡ→Ｂの移動が起こったと考える。Ａが減ってＢ、Ｃが増えていればＢ←Ａ→Ｃと考える」とはじめに言ってしまったのです。だから位置エネルギーが減って運動が起こり熱が発生すれば、「熱←位置→運動」です。場面によって熱、運動に行く割合が変わります。最終的に止まったのであれば「運動→熱」の矢印を追加することになります。その後で「熱に行く割合が出来るだけ多いようなものとしてはどんなものが考えられるか」という問を立てることは出来るでしょう。中学校や高校で考えているときは「無限にゆっくり」というような想定はしません。ミクロとマクロを混ぜてしまうようなこともしません。現実的な場面を考えるはずです。

ズレがなければ摩擦によるエネルギーのロスはないというのは大事な考え方です。摩擦のある斜面でも「滑らずに転がる」という設定であれば熱は発生しません。

ht1914 · Answer

私は疑問にされていることをそのまま答えとして出して良いのではないかと思っています。

いくつかの種類のエネルギーを移り変わっていくときにその移り変わりを追いかけること自体大事なことだと思うからです。エネルギーＡからエネルギーＢに移る場合Ａ→Ｂとなるもの、Ａ→Ｃ→Ｂとなるもの、Ａ→Ｃ→Ｄ→Ｂとなるもの、いろいろ考えられます。それぞれについて対応する現象や機械が異なってくるでしょう。どれもＡ→Ｂだと思います。だから言葉での説明が必要です。
位置エネルギーから熱エネルギーに移る時はふつう運動エネルギーを経て移るということがわかるということだけでも充分立派な勉強だと思います。エネルギーに対する理解が一つ深まるわけですから。私としては問の狙いはここにあると考えたいと思っています。「この場合は～」というふうに一つの答えを要求する問題ではなく、それを手がかりに理解を深めるという問題であって欲しいと思うからです。

これを了解していないと発電の仕組みの比較の時などには困ります。火力発電と水力発電を比較するときは最初と最後で比べています。ふつう「化学エネルギー→電気」、「位置エネルギー→電気」とします。最後はどちらも電気エネルギーですが出発点が異なります。途中に何段階かのステップが入っています。両方に共通であると考えられるステップも存在します。問題によって最初だけを尋ねるときもあれば途中のステップを詳しく尋ねるときもあります。

Ａ→Ｂもはっきり言えない場合があります。Ｂ←Ａ→Ｃかもしれません。これには価値判断が入ってきます。

その道具の目的とするものはどれかを考えます。目的に沿ったエネルギーの移り変わり（Ｂ）と目的から外れたエネルギーの移り変わり（Ｃ）があることになります。この時Ｃはロスだということになります。これで効率を考えることができます。電灯は電気エネルギーを光に変える道具です。照明器具ですから光が目的です。熱も出ます。これはロスになります。白熱電灯（電球）と蛍光灯では熱の出方が違います。電球では火傷をします。蛍光灯も温かくなりますが火傷をすることはありません。蛍光灯の方が効率のいい照明器具だということになります。それがワット数の違いになって現れてきます。発光ダイオード、触ってみてもほとんど発熱を感じることが出来ません。蛍光灯よりも効率がいいということになります。
道具のエネルギーの移動は目的で決まります。一番多いものではありません。ローソクは熱の方が多いです。でも照明器具として考えるのであれば光が目的です。熱はロスです。非常に効率の悪い照明器具であるということになります。ローソクでお湯を沸かすことも出来ます。その時は熱が目的だということになります。光はロスです。加熱調理器具として考えるときは光はロスですから電熱器のニクロム線が赤く光っているのが見えるというのはロスになります。効率のいい加熱器具としては光を出さないものを考えないといけない事になります。

私はこんな風な考えで授業をやってきました。

Scull · Answer

気体等を密閉した容器に重りをのせる時、重りが気体に「位置エネルギーによって圧力をかけ」ます。

これも「重りがわずかながら沈むから圧力が発生するのだ」といわれればそれまでですが、「中学生の理科」ですから、そこまで問う問題ではないと思います。

出題レベルでは
「滑り台から滑り落ちるときに、摩擦でお尻が熱くなる」
「スペースシャトルが大気圏に突入するときに、空気を圧縮して熱くなる」
「空気の入ったタイヤチューブにのしかかると温度が上がる」
などで正解です（中学生の理科なら）。

sekisei · Answer

推測なのですが、そのような現象はないのではないでしょうか。

なぜなら、位置エネルギーの開放は位置が変わることによるものですから位置エネルギーが運動エネルギーを介さずに他のエネルギーに変換されるには瞬間移動しないといけないからです。

ということで思いつきません。

oosaka_ossan · Answer

まったく思いつきません。
位置エネルギーが、位置に関するものであるので、
同じ位置で、位置エネルギーが変化するということは、
たとえば、引力が変化する、質量が変化する
といった、通常ではありえない状況ですね。
ですから、簡単には取り出せないと思うのですが・・・

お役に立てませんで申し訳ございません。

位置エネルギ と 熱エネルギ の変換

例に挙げられたブレーキをかけながら下るという事例は、位置エネルギーと熱エネルギーの直接変換の事例と考えることは出来ませんか。

＃４です。

私は疑問にされていることをそのまま答えとして出して良いのではないかと思っています。

この回答への補足

気体等を密閉した容器に重りをのせる時、重りが気体に「位置エネルギーによって圧力をかけ」ます。

推測なのですが、そのような現象はないのではないでしょうか。

まったく思いつきません。

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