電熱(1) -電力と熱、用語

電験の機械科目で出題される「電熱」についてご説明します。
電験の問題を解く上で知っておきたい知識にしぼって、動画4回程度に分けて紹介したいと思います。
今回は、熱量と電力の関係及び用語(比熱・熱容量・体積比熱・顕熱・潜熱)についてです。

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【書き起こし】電熱(1) -電力と熱、用語 –

(00:04) 電験の機械科目で出題される 電熱についてご説明します 熱力学は 電磁気学にも匹敵する大きな理論体系です が 電験の問題を解く上で 知っておきたい知識に絞って動画4回程度 に分けて紹介したいと思います 初回は 熱量と電力の関係を見てみましょう 熱量の単位としてはカロリーに馴染みが あると思います 厳密には 色々な条件がありますが1gの水を一度C 上昇させるのに 必要な熱量が1カロリーでした 熱量はエネルギーなので SI単位計におけるエネルギーの単位 ジュールに換算すると1カロリー =4.180度 1ジュール= 0.239カロリーとお互いに変換する ことができます ここに
(01:08) 重度Cで1kgの水があるとき 火にかけて 90°cまで上昇させます 温度差は 80°cです 1000gの水を 80°c 温度上昇させているので 加えた熱量は 8万カロリーです それでは 電気で水を加熱してみましょう 水に抵抗 Rオームを入れて 電流Iを流すと 抵抗では i2Rワットの電力が消費されます 抵抗で消費される電力は12熱といい 熱に変わります 先ほど同様に 80°c 温度上昇させるために 必要な電力を考えてみましょう 電力の単位である1Wは1ジュールを1 秒間で消費または供給するという意味で ありカロリーに換算すると
(02:12) 0.239カロリーパーセカンドです 熱量 重量やカロリーはエネルギーの大きさを 表していますが 電力のワットは1秒という 単位時間あたりのエネルギーの大きさで あることに ご注意ください エネルギーの大きさとするためには ワットにその電力を与え続けた時間 T2ndをかける必要があります 熱量 重量やカロリーのようにエネルギーの大き さを表す電気の単位は 電力量 ワットアワーです 1WHは1Wの電力を1時間与え続けた時 のエネルギーの大きさなので 3610とイコールです カロリーに換算すると 0.239をかけて 860kcalです 1000gの水を 80°c温度上昇させるのに 必要な熱量は8万カロリーでしたのでこれ
(03:17) を860で割ると 93WHの電力量を 与えれば良いことがわかります よって i2Rが 93Wとなる電流を1時間続ければ 80°c温度上昇します 2倍の186Wとすれば 半分の30分で済みます 電力量も 熱量と 同じ次元のエネルギーとして 計算できるのは 不思議な気がします 温度の正体はその物質を構成する原子や 分子の運動の激しさです 熱量とは分子に与える運動エネルギーの 大きさということができ 力学に紐づいています 一方 電力は 電圧×電流で求めるので 電気の世界だけの量のように感じますが こちらも 力学に基づいたエネルギーです 理論で学んだ公式を使えば
(04:22) 力学の仕事率の士を 電力の式に変換することができます 熱量も 電力量も 根っこは同じ力学エネルギーと見ることが できます ここから 熱において大事な用語を説明していきます まず 本チャンネルの 電熱に関する動画では 温度の単位は 国際単位系SIに基づいたケルビンで統一 します ケルビンは熱力学温度であり 絶対0度を 0ケルビンとして基準にしていますので 摂氏温度の0°cは273.15 ケルビンとなります 熱量の単位もカロリーは使用せずに ジュールで統一します さて大事な用語ですが 質量1kgのある物体を1ケルビン上昇さ せるのに
(05:27) 必要な熱量を 比熱と言います 質量Mの物体を椎茸ルビン上昇させるのに 必要な熱量は 比熱をシートすると 9= MCCだとなります また CT=MCと置くと 旧=CTCだとなりある物体を1ケルビン 上昇させるのに 必要な熱量を表しこのCTを熱容量と言い ます 比熱は質量ベースですが 堆積ベースとして 体積1立方メートルのある物体を1 ケルビン上昇させるのに 必要な熱量は 堆積比熱と言います 物体の体積をV 密度を出るたとすると 質量は デルタVとなりますので 堆積比熱 CV= デルタシーが成り立ちます 比熱に密度をかけたものが
(06:32) 堆積比熱になるということです 横軸を 熱量 縦軸を温度にして 温度を上昇させるために 必要な熱量をグラフにします 1kgの水を例とすると 絶対0度である0ケルビンから 273km便までは 氷となっています この間の比熱は2.1です 熱量を加えた分 比熱に応じて温度が上昇します 温度変化を伴う 熱量の移動を県熱と言います この間に加えた熱量は 比熱2.1× 温度差273となり574 キロジュールとなります ここからさらに熱量を加えていくと 氷が溶けて
(07:34) 水に変化していきますがその間は 温度は上昇せずに一定のままです これを誘拐熱と言い 質量1kgの答えを すべて液体に変化させるために 必要な熱量を表します 温度変化を伴わない 熱量の移動を 先月といいこの熱量は 物質の状態変化に費やされます 1kgの氷が すべて水に変わるには 誘拐熱である335キロジュールが必要 です 273ケルビンから 373kmまでは 液体の水の状態です この間の比熱は4.2です 熱量を加えた分 比熱に応じて温度が上昇します よってこの領域は県列でありこの間に加え た熱量は
(08:36) 比熱4.2× 温度差100の 420kgとなります さらに熱量を加えていくと 水が気化して上記に変化していきますが その間は 温度は上昇せずに一定のままです これを蒸発熱と言い 質量1kgの液体を 全て気体に変化させるために 必要な熱量を表します 温度変化を伴わないので 先月であり1kgの水が 全て上記に変わるには 蒸発熱である2257キロジュールが必要 です すべての水が蒸気になった後さらに熱量を 加えると 温度は上昇していきます この間の比熱は2であり 権熱です 373ケルビンからの温度差を デルタティーとすると 加えた熱量は 比熱にかける
(09:39) デルタティーキロジュールとなります 一般的な物質として グラフを書き直しました 権熱の領域では 比熱に 温度差と 質量をかけたものが 与えた熱量となります 先月の領域では 誘拐熱または蒸発熱に 質量をかけたものが 与えた熱量となります これらを合計することで トータルでの与えた熱量を求めることが できます いかがでしょうか 次回は 熱の伝わり方と熱回路について ご説明をします 以上で今回の動画を終わります ご視聴ありがとうございました

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