【物理基礎】エネルギーの利用を図解で総まとめ—エネルギーの変換・原子力・再生可能エネルギー｜武蔵野個別指導塾

火力・水力・原子力・太陽光・風力の変換経路を図で整理し、発電効率と半減期の例題を解きます。資源ごとの利点と課題を、保存則や放射線の性質に結びつけて説明できる力を育てましょう。

よくあるのは、夏休みの課題の山を前に、発電方法の名前までは埋められたのに、「エネルギーの変換を説明しなさい」という欄で鉛筆が止まる場面です。火力も原子力も電気をつくることは知っていても、最初に何のエネルギーがあり、途中で何を動かすのかがつながらないのです。さらに「エネルギーは保存する」と「省エネルギーが必要」が並ぶと、なくならないものをなぜ節約するのかという疑問も生まれます。

この単元は、発電方式の名前を別々に暗記するだけでは整理しにくいところです。エネルギーの入口、変換の経路、目的に使える出口を順に追うと、共通点と違いが見えてきます。原子力についても、燃料から熱を得る仕組みと、放射線の性質を分けて考えることが出発点です。計算では発電効率と電力量を、説明では資源の供給や環境への影響を扱い、同じ基準で比べられるようにしましょう。

この単元で身につけること

• エネルギーの種類を具体物と結びつけます。高い所の水には位置エネルギー、動く空気には運動エネルギーがあり、燃料には化学エネルギーがあります。
• 発電の変換経路を矢印で表します。タービンという羽根車や発電機を使う方式と、太陽電池で光から直接電気を得る方式を区別します。
• エネルギー保存と効率を両立させて説明します。目的の電気にならなかった分も熱などとして残り、入力とすべての出力の合計が対応します。
• 原子核と放射線の用語を使い分けます。放射線そのもの、放射線を出す能力、その能力を持つ物質は、それぞれ別の言葉です。
• 資源の利点と課題を条件つきで述べます。再生可能かどうか、出力を調整しやすいか、どの段階で環境への影響が生じるかを確かめます。

中学校で学んだエネルギー変換を土台に、物理基礎の仕事、熱、電力、電磁誘導を一つの流れにつなげます。計算式を増やすよりも、すでに知っている式がどの変換段階を表すかを見つけることが、この単元の学習につながります。

基本の考え方

エネルギーは形を変え、使いやすさも変わる

エネルギーは、物体が仕事をする能力を表す量です。運動エネルギーは動いている物体が持つエネルギー、重力による位置エネルギーは基準の高さに対する位置に関係するエネルギーです。化学エネルギーは物質の化学変化によって取り出せるエネルギーで、燃料や電池に関係します。光が運ぶエネルギー、電流によって運ばれる電気エネルギー、原子核の変化に関係する核エネルギーもあります。

物体の内部では、原子や分子が運動し、互いに力を及ぼしています。その運動などに関係するエネルギーの総和を内部エネルギーといい、温度の上昇にはその増加が関係します。「熱」は、温度の違いによって物体間を移動するエネルギーを指します。発電の変換経路では、燃焼などで得て水や蒸気へ伝えるエネルギーを、熱エネルギーとして整理します。熱と温度は同じ量ではなく、温度の単位が ℃ であるのに対し、エネルギーの単位は J です。

エネルギー保存則は、出入りも含めた全体で見ると、エネルギーの総量が変わらないという法則です。発電機に入ったエネルギーがすべて電気になるわけではありません。摩擦によって周囲が温まるなど、目的以外の形へ移る分がありますが、その分が消えたわけではありません。

一方、周囲に広がって温度差が小さくなった熱を、すべて元の電気に戻すことはできません。総量が保たれていても、目的に利用しやすい形は減ることがあります。したがって省エネルギーとは保存則を否定する考えではなく、同じ目的を少ない資源や少ない入力で達成する考えです。照明をつける目的なら、必要な明るさをより小さい電力で得られるかが問題になります。

5つの発電方式を入口から出口までたどる

図1のように変換経路を並べると、同じ発電機を使っていても、入口のエネルギーが異なることがわかります。図の「回転」はタービンや風車の運動エネルギー、「電気」は電気エネルギーを表します。矢印は変換の順序を示し、長さや太さはエネルギーの量を表していません。

火力発電では、石炭・石油・天然ガスなどの化石燃料を燃やし、化学エネルギーを熱として取り出します。代表的な蒸気タービン方式では、その熱でつくった蒸気がタービンを回し、つながった発電機が電気を生みます。発電機では、コイルを貫く磁場の変化によって電圧が生じる電磁誘導を利用しています。火力には燃焼ガスでタービンを回す方式もあるため、「どの火力でも蒸気だけを使う」とはしません。共通する基本は、化学エネルギーから熱を経て回転、電気へ進むことです。

水力発電では、高い所にある水の位置エネルギーを利用します。流れ落ちる水の運動が水車を回し、その水車につながる発電機で電気を得ます。高低差が大きく、利用する水の量が多いほど、取り出せる位置エネルギーは大きくなります。水を燃やして熱を得るわけではなく、火力で必要だった熱の段階を通りません。

原子力発電では、原子核の変化で放出される核エネルギーを熱として利用します。その熱で蒸気をつくり、タービンと発電機を回して電気を得る点は、蒸気タービンを使う火力と共通します。「原子力では核反応がそのまま電流になる」と説明すると、熱から回転への段階を落としてしまいます。燃料を酸素と反応させて燃やす化学変化と、原子核そのものが変化する核反応の違いを、入口で区別してください。

太陽光発電では、半導体を用いた太陽電池に光が当たることで、光エネルギーを直接電気エネルギーへ変換します。基本の変換にタービンや発電機の回転は必要ありません。また、太陽電池は光を受けて発電する装置であり、名前に「電池」がついていても、電気をためる蓄電池とは役割が異なります。太陽の熱で水を温める装置とも区別します。

風力発電では、風、つまり動く空気の運動エネルギーで風車を回し、発電機で電気を得ます。水力と風力はともに流れを利用しますが、水力の説明では水の高低差に着目するのに対し、風力では空気の運動に着目します。図1で太陽光以外の4方式が回転の段階を持つことを確かめると、発電機を使う方式の共通点をまとめられます。

原子核・放射線と資源の特徴を整理する

原子の中心にある原子核は、正の電荷を持つ陽子と、電荷を持たない中性子からできています。陽子の数を原子番号、陽子と中性子の数の合計を質量数といいます。陽子の数が同じで中性子の数が異なる原子は同位体です。同位体の中には、原子核が不安定で、放射線を出して別の原子核へ変わるものがあります。この変化を放射性崩壊といいます。

原子力発電で用いる核分裂は、重い原子核が分裂する反応です。例えばウラン235の原子核が中性子を吸収して核分裂すると、エネルギーとともに中性子が放出されます。その中性子が別の原子核の核分裂を引き起こし、反応が続くことを連鎖反応といいます。原子炉では中性子を吸収する制御棒などを用い、反応の進み方を制御して熱を取り出します。反応を止めた後も核分裂生成物などの放射性崩壊によって熱が出るため、冷却を続ける必要があります。

放射線は、放射性崩壊などに伴って放出される粒子の流れや電磁波です。代表的な α線はヘリウムの原子核の流れ、β⁻線は電子の流れ、γ線は電磁波です。β線には陽電子の流れであるβ⁺線もありますが、ここではβ⁻線を中心に整理します。一般にα線は紙程度で遮られ、β線は薄いアルミニウム板などで弱まり、γ線を大きく弱めるには厚い鉛やコンクリートなどが使われます。ただし透過の程度は放射線のエネルギーや物質の厚さによって変わり、どの条件でも完全に同じとは限りません。

放射線が物質に当たると、原子などから電子をはじき出す電離作用が起こることがあります。放射線を出す能力を放射能といい、その能力を持つ物質を放射性物質といいます。放射能の強さを表す Bq は、1 s あたりの原子核の崩壊数に対応します。一方、Sv は放射線による人体への影響を評価するための線量の単位です。対象としている量が違うので、Bq の値だけから一律に Sv へ換算することはできません。放射線の性質と、実際に受ける量や受け方を分けて考える必要があります。

エネルギー資源とは、エネルギーを取り出すために利用する自然界の物質や現象です。化石燃料は長い時間をかけてできた資源であり、人間が使う速さに合わせて補充されるものではありません。燃焼時には CO₂ が生じるほか、燃料の種類などに応じた排出物への対策が必要です。原子力は少量の燃料から多くのエネルギーを得られ、発電時に化石燃料を燃焼しませんが、ウランも有限の資源です。放射性廃棄物の管理、冷却や事故への備え、施設の廃止まで考える必要があります。

太陽光・風力・水力など、自然の働きによって継続して補われるエネルギーを再生可能エネルギーといいます。これは「どの場所でも、いつでも、必要な量を得られる」という意味ではありません。太陽光は日射、風力は風の状態、水力は水量や地形の影響を受けます。発電時に燃料を燃やさない方式でも、設備の製造や設置、土地や生態系への影響は別に検討します。

電気は使う量と供給する量をその時々で釣り合わせる必要があります。出力が変わる電源の利用には、送電網、出力を調整できる電源、蓄電池や揚水発電などの組合せが関係します。揚水発電は電気で水を高所へくみ上げ、必要なときに落として発電する仕組みです。変換には損失があるので、くみ上げに使った電気より多い電気を生み出す装置ではありません。量を増やすのではなく、エネルギーを使う時刻を移す役割があります。

例題で解き方を確かめる

例題1　発電効率と目的以外へ移るエネルギー

ある発電設備に燃料から 1.0×10³ J のエネルギーを与え、電気エネルギー 4.0×10² J を取り出しました。設備に蓄えられるエネルギーの変化はないものとして、発電効率と、電気以外の形で外へ出るエネルギーを求めます。ここでの発電効率は、入力に対する電気として取り出せたエネルギーの割合です。

1. 入力と目的の出力を分けます。効率の分母は与えた 1.0×10³ J、分子は目的の電気 4.0×10² J です。入力と出力を逆にすると、割合が1を超えてしまいます。
2. 効率＝目的の出力÷入力より、4.0×10²÷（1.0×10³）＝0.40 です。百分率では 0.40×100＝40％ となります。割合には J の単位はつきません。
3. 保存則で残りを求めます。1.0×10³−4.0×10²＝6.0×10² J です。設備にエネルギーがたまらない条件なので、入力から電気の出力を引いた分が、熱などとして外に出ます。

答え：発電効率は 0.40（40％）、電気以外の形で外へ出るエネルギーは 6.0×10² J です。

図2のように同じ縦軸で棒を描くと、電気とその他を合わせた高さが入力と等しくなります。棒の右側の「その他」は、主として周囲へ放出される熱などをまとめたものです。図の数値はこの例題の条件であり、すべての発電設備がこの効率を持つという意味ではありません。

効率を答える際には、どこを入口と出口に決めたかも確かめます。発電機だけの効率と、燃料を入れてから電気を取り出すまでの設備全体の効率は、分母が違います。また、取り出した熱も給湯などに利用する場合には、電気だけを目的の出力とした今回の値とは別に、熱の利用分を含めて評価することがあります。

例題2　水の位置エネルギーから電気を求める

質量 2.0×10³ kg の水が、高低差 10 m を流れ落ちます。位置エネルギーの 80％ が電気エネルギーになり、その電気を 20 s で取り出したとします。電気エネルギーと平均の電力を求めます。重力加速度には教科書で用いる g＝9.8 m/s² を使い、この問題の高低差・時間・効率は有効数字2桁として扱います。

1. まず変換前の位置エネルギーを求めます。下の高さを基準にすると、mgh＝2.0×10³×9.8×10＝1.96×10⁵ J です。水の質量だけでは、高低差による違いを表せないので、mgh を使います。
2. 電気になる割合を掛けます。1.96×10⁵×0.80＝1.568×10⁵ J です。80％ をそのまま80として掛けず、0.80に直します。この値は後の計算にも使うため、途中では丸めずに残します。
3. 電力は単位時間あたりに取り出す電気エネルギーなので、1.568×10⁵÷20＝7.84×10³ W です。最後に有効数字2桁にそろえます。

答え：電気エネルギーは 1.6×10⁵ J、平均の電力は 7.8×10³ W です。

エネルギーと電力の違いは、同じ水をゆっくり使う場合を考えると見えてきます。高低差、質量、効率が同じなら電気エネルギーは同じですが、取り出す時間が長いほど平均の電力は小さくなります。「たくさん発電する」という日常語だけでは、エネルギーの総量と電力の大きさを区別できないことがあります。

例題3　太陽光発電の電力量を二つの単位で表す

太陽電池が平均 2.0 kW の電力を 3.0 h にわたって供給したとします。得られる電力量を kWh と J で求めます。日射の変動は平均の電力に含まれているものとし、この値を夜間などへ延長して使わないことにします。

1. 電力量＝平均の電力×時間を使います。2.0×3.0＝6.0 kWh です。kWh は kW と h の積を表すエネルギーの単位であり、時間で割る単位ではありません。
2. J に直すため、1 kW＝1000 W、1 h＝3600 s、1 W＝1 J/s を使います。したがって 1 kWh＝3.6×10⁶ J です。これらの単位換算は、測定値の有効数字を制限するものではありません。
3. 6.0×3.6×10⁶＝2.16×10⁷ J となります。与えられた平均電力と時間に合わせ、有効数字2桁に丸めます。

答え：電力量は 6.0 kWh、J では 2.2×10⁷ J です。

ここで使った 2.0 kW は、問題文で与えた時間内の平均値です。設備に表示された出力を、条件を確かめずに1日中の時間に掛けてよいわけではありません。電力量の計算では、どの期間に対応する電力かを読み取ることが、式への代入より先になります。

例題4　半減期を数えて放射性原子核の数を求める

半減期が 4.0 h の放射性核種について、初めの原子核数が 8.0×10⁸ 個でした。12 h 後にまだ崩壊していない、この核種の原子核数を求めます。半減期とは、十分多数ある放射性原子核のうち、崩壊せずに残る数が初めの半分になるまでの時間です。新たに同じ核種は加わらないものとします。

1. 経過した半減期の回数を求めます。12÷4.0＝3 なので、半分になる変化が3回起こります。時間だけを見て毎時間同じ個数を引く計算にはしません。
2. その時点で残っている数を順に半分にします。8.0×10⁸ 個から、4.0×10⁸ 個、2.0×10⁸ 個、1.0×10⁸ 個へ減ります。半分にする対象は、毎回の残りの数です。
3. 初めの数に対する割合も確かめます。1/2×1/2×1/2＝1/8 なので、最後の数は初めの8分の1です。差し引いた7/8は、この核種としてはすでに崩壊した割合です。

答え：12 h 後に残る原子核数は 1.0×10⁸ 個です。

個々の原子核がいつ崩壊するかを、この計算で決められるわけではありません。半減期は多数の原子核についての規則です。また、元の核種の原子核数が減ることと、物質全体が同じ割合で消滅することは別です。崩壊によってできた原子核なども残ります。

つまずきやすいところと直し方

「効率が40％なら、60％のエネルギーが消える」

誤った書き方は「1000 J のうち400 Jが電気になり、残り600 Jは消滅する」です。違うのは、目的に使えなかったことを、存在しなくなったことと同じにしている点です。正しい書き方は「400 J が電気として取り出され、残り600 Jは熱などの形で周囲へ移る」です。装置の内部にエネルギーがたまる場合には、その増加分も収支へ加えます。

直すときは、装置を囲む線を紙に描き、入る矢印と、電気・熱として出る矢印を書きます。保存則で調べるのは全部の矢印を合わせた収支であり、効率で調べるのは入力に対する目的の出力の割合です。式を選ぶ前に、この二つの問いを言葉にすると混同を防げます。

「再生可能なら、出力は一定で環境への影響もない」

誤った書き方は「太陽光や風力は再生可能なので、必要な電力を常に供給でき、環境への影響はゼロ」です。違うのは、自然から補われるという資源の性質から、供給の安定性や設備の影響まで決めている点です。正しい書き方は「太陽光や風力は自然の働きで補われるエネルギーを使うが、出力は日射や風で変わり、設備の製造・設置などの影響も考える」です。

この誤りを直すには、評価する項目を分けます。「資源が補われるか」「必要な時刻に発電できるか」「発電中に何を排出するか」「設備をつくり処分するまでに何が必要か」は別の問いです。原子力についても、発電時に化石燃料を燃やさないことだけで、廃棄物の管理まで不要になるわけではありません。発電方式の説明では、長所を一つ挙げたら、その長所が成り立つ範囲も添えます。

「半減期が2回過ぎれば全部なくなる」

誤った書き方は「最初の半減期で半分減り、次の半減期でも初めの半分が減るのでゼロになる」です。違うのは、2回目にも初めの数を基準にして引いている点です。正しい書き方は「最初の半減期で1/2になり、次は残った1/2のさらに半分なので、初めの1/4になる」です。同じ時間に減る割合は同じでも、減る個数は同じではありません。

図3のように例題4の各時刻の棒を並べると、初めの 8.0×10⁸ 個が順に半分になる様子を確かめられます。縦軸の1目盛りは 1.0×10⁸ 個です。棒は4つの時刻の原子核数を示したものであり、その間の時間には変化しないという意味ではありません。

図3で1回目に減る数は 4.0×10⁸ 個、2回目に減る数は 2.0×10⁸ 個です。縦軸を読むと、直線的に同じ個数ずつ減る図にはならないことがわかります。さらに、元の核種の放射能の強さも、その核種の残る原子核数に比例して減ります。ただし、崩壊で生じた別の核種も放射線を出す場合があるので、試料全体の放射能を、元の核種の数だけで決めないようにします。

練習問題

練習1

火力、水力、太陽光の3方式について、最初に利用するエネルギーを書き、電気に至る経路を説明してください。火力は蒸気タービン方式、水力は高低差を利用する方式とします。また、この中で基本の変換にタービンや水車の回転を必要としないものを選んでください。

練習2

ある発電設備への入力が 5.0×10⁴ J、電気としての出力が 1.5×10⁴ J でした。発電効率を百分率で求め、電気以外の形で外へ出るエネルギーも求めてください。設備内に蓄えられるエネルギーの変化はないものとします。

練習3

ある風力発電設備が、平均 3.0 kW の電力を 2.0 h にわたって供給しました。電力量を kWh と J で求めてください。途中の単位換算では丸めず、J での答えは有効数字2桁にそろえます。この問題の平均電力を、風の条件が異なる時間にもそのまま使えるかも考えてください。

練習4

半減期が 5.0 h の放射性核種の原子核が、初めに 6.4×10⁸ 個ありました。新たに加わる原子核はないとして、15 h 後に残る数と、初めのうち崩壊した割合を求めてください。また、放射線、放射能、放射性物質のうち、原子核が放射線を出す「能力」を指す言葉を選んでください。

答えと解説

練習1の答えは、火力が「化学エネルギー→熱→蒸気やタービンの運動→電気」、水力が「水の位置エネルギー→水の流れや水車の運動→電気」、太陽光が「光エネルギー→電気」です。回転を必要としないものは太陽光です。火力と水力は発電機を使う点で共通しますが、入口と熱の段階の有無が違います。

練習2の答えは、発電効率が30％、電気以外への出力が 3.5×10⁴ J です。効率は1.5÷5.0＝0.30から求め、残りは5.0×10⁴−1.5×10⁴で求めます。効率には J をつけず、エネルギーには J をつけます。

練習3の答えは、6.0 kWh、2.2×10⁷ J です。3.0×2.0＝6.0 kWh としてから、6.0×3.6×10⁶＝2.16×10⁷ J を丸めます。風の条件が違う時間には平均電力も変わり得るため、3.0 kWを無条件に使うことはできません。

練習4の答えは、残る数が 8.0×10⁷ 個、崩壊した割合が7/8、能力を指す言葉が「放射能」です。15÷5.0＝3回なので、6.4×10⁸ を3回半分にします。残る割合の1/8と、崩壊した割合の7/8を取り違えないようにしてください。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

エネルギーの入口と出口をそろえて考える方法は、化学で燃料や電池を学ぶときにも役立ちます。生物で食物のエネルギーや光合成を考える際にも、物質の変化とエネルギーの移動を区別する土台になります。また、グラフの学習では、電力の時間変化と電力量の関係を読むために、縦軸と横軸の単位を確認する習慣が生きてきます。

家庭では、次の二つをそれぞれ5分で確かめられます。一つ目は、紙に5方式の名前を書き、図1を隠して入口から電気までの矢印を埋めることです。書いた後、熱を経る方式と、回転を経る方式を別々に囲んでください。二つ目は、例題1の数値を入力・電気・その他の三つの欄に分け、割合を求める式と差を求める式を声に出して説明することです。電気器具を分解したり、放射性物質を扱ったりする必要はありません。

個別指導で確かめる際は、発電方式の暗記だけでなく、J と W の意味、割合の分母、位置エネルギーの基準の高さまで戻ります。どの矢印で説明が止まるかを見れば、戻るべき内容を具体的に絞れます。

まとめ

夏休みの課題の説明欄に戻ったら、発電方法の名前の後に、入口、途中の変換、出口を書き足してみてください。「環境にやさしい」「効率がよい」という言葉も、何を比べ、どの条件で判断したのかを添えると、物理の説明になります。原子力では核反応と発電の経路を、放射線では種類と量を分けることで、異なる話題を一つの印象で結論づけずにすみます。

電気にならなかったエネルギーの行き先まで説明できて、発電の矢印はつながります。