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6.1: エネルギーの基礎
目次

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Chemistry

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Education
Energy Basics
 
書き起こし

6.1: エネルギーの基礎

化学反応は、たとえばマッチの火を灯すときに起こるもので、エネルギーの変化だけでなく、物質の変化にも関係します。

化学変化とそれに伴うエネルギーの変化は、日常生活の中で重要な役割を果たしています。 食べ物に含まれる多量の栄養素は、代謝反応を経て、体の機能を維持するためのエネルギーとなります。 さまざまな燃料(ガソリン、天然ガス、石炭)を燃やして、輸送、暖房、発電のためのエネルギーを作り出します。 工業的な化学反応では、膨大なエネルギーを使って原料(鉄やアルミニウムなど)を生産します。 その後、エネルギーはそれらの原材料を自動車、高層ビル、橋などの有用な製品に製造するために使用されます。

人間が使用するエネルギーの 90% 以上は、もともと太陽からのものです。 日々、太陽はその日の世界のエネルギー需要を満たすために必要なエネルギー量の約 10,000 倍を地球に提供しています。 太陽エネルギーを変換して保存する方法を模索し、便利で非汚染の反応や化学プロセスで使用できるようにすることは、今でも課題です。 植物や多くのバクテリアは光合成によって太陽エネルギーを取り込んでいます。 人間は、植物に蓄えられたエネルギーを、木材、石炭、石油、あるいはエタノールなどの植物製品を燃やすことで放出します。 また、植物から直接得られた食物を食べることで、このエネルギーを体に供給しています。

熱化学

化学的・物理的変化に伴って吸収または放出される熱の量に関係する重要な科学分野の基本的な考え方を、熱化学といいます。 この概念は、ほとんどすべての科学技術分野で広く使用されています。 食品科学者は、熱化学を使用して食品のエネルギー量を測定します。 生物学者たちは、糖を燃焼させて二酸化炭素や水に変える代謝など、生物のエネルギーを研究しています。 石油、ガス、輸送業界、再生可能エネルギー事業者、その他の多くの企業は、商用および個人の需要に適したエネルギーを生成するためのより良い方法を見つけるよう努力しています。 エンジニアは、エネルギー効率の向上、家庭の暖房と冷房のためのより良い方法の発見、食品と飲料の冷蔵、コンピュータや電子機器などのエネルギーと冷却の需要への対応に努めています。 化学者、物理学者、生物学者、地質学者、あらゆるタイプのエンジニアにとって、熱化学の原理を理解することは不可欠であり、あらゆる種類の科学を研究または実行するすべての人にとって重要です。

エネルギー

エネルギーは、熱を供給する能力または仕事を行う能力として定義できます。 仕事 (w) の種類の一つに、反対の力に対抗して物質を動かすというプロセスがあります。 たとえば、自転車用タイヤに空気を充填する場合、タイヤ内の空気の反対側の力に対して物質(ポンプ内の空気)が移動します。

物質と同様に、エネルギーにも様々な種類があります。ある枠組みでは、エネルギーを 2 種類に分類します。 一つは、物体の相対的な位置や組成、状態が持つエネルギーである「位置エネルギー」、もう一つは、物体が動くことによって持つエネルギーである「運動エネルギー」です。

滝やダムの上部にある水には、その位置から潜在的なエネルギーがあります。水が発電機を通して下に流れると、水力発電所での仕事や電力の生成に使用できる運動エネルギーが生じます。 電池には潜在的なエネルギーがあります。これは、電池内の化学物質が仕事可能な電力を生成できるためです。

このテキストは、 OpenStax Chemistry 2e 、 Section 5.1: Energy Basics から引用しています。

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