エネルギー変換

エネルギー変換は、エネルギーをある形から別の形に変えるプロセスです。^[1]物理学では、エネルギーは、仕事や移動（物体を持ち上げるなど）を行う能力を提供する量、または熱を提供する量です。変換されることに加えて、エネルギー保存の法則によれば、エネルギーは別の場所や物体に転送できますが、生成または破壊することはできません。

エネルギーはさまざまな形で自然のプロセスに利用されるほか、暖房、冷蔵、照明、機械を操作するための機械的作業など、社会に何らかのサービスを提供するためにも使用されます。たとえば、家を暖めるには、炉で燃料を燃やし、その化学位置エネルギーを熱エネルギーに変換して、家の空気に伝達し、温度を上げます。

他の形態のエネルギーから熱エネルギーへの変換は、100% の効率で発生する可能性があります。^{[2] [自費出版ソース? ]非熱的形態のエネルギー間の変換はかなり高い効率で発生する可能性がありますが、}摩擦や類似のプロセスにより、熱的に消散するエネルギーが常に存在します。 ^{[3]物体が真空中に落下するときに位置エネルギーが}運動エネルギーに変換される場合など、効率が 100% に近づく場合があります。これは逆の場合にも当てはまります。たとえば、別の物体の周りを楕円軌道で回っている物体は、親物体から離れるにつれて、運動エネルギー (速度) を重力による位置エネルギー (他の物体からの距離) に変換します。最も遠い地点に到達すると、プロセスが逆転し、加速して位置エネルギーを運動エネルギーに変換します。宇宙は真空に近いため、このプロセスの効率は 100% 近くなります。

熱エネルギーは、ほとんどの場合（柳のように）他の形態のエネルギーに変換できないという点で独特です。熱/熱エネルギー（温度）の密度の差だけが仕事を行うために使用でき、この変換の効率は（はるかに）100％未満になります。これは、熱エネルギーが特に無秩序な形態のエネルギーを表すためです。熱エネルギーは、システムを構成する微視的粒子の集合の利用可能な多くの状態の間でランダムに分散しています（各粒子の位置と運動量のこれらの組み合わせは、位相空間を形成すると言われています）。この無秩序性またはランダム性の尺度がエントロピーであり、その定義的な特徴は、孤立したシステムのエントロピーが決して減少しないことです。高エントロピーシステム（一定量の熱エネルギーを持つ高温の物質など）を低エントロピー状態（それに応じてエネルギーが低い低温の物質など）に変換することはできません。そのエントロピーはどこか他の場所（周囲の空気など）に移動する必要があります。言い換えれば、エネルギーを他の場所に分散させずにエネルギーを集中させる方法はないのです。

特定の温度で平衡状態にある熱エネルギーは、すでにすべての可能な状態の間でエネルギーが最大限に均等化されている状態を表しています^{[4] 。なぜなら、}熱エネルギーは「有用な」形態、つまり温度に影響を与える以上のことができる形態に完全に変換できるわけではないからです。熱力学の第二法則は、閉鎖系のエントロピーは決して減少しないと述べています。このため、熱エネルギーとそのエントロピー含有量の消失に伴うエントロピーの減少を補うために、宇宙のエントロピーが他の手段で増加した場合にのみ、システム内の熱エネルギーを 100% に近い効率で他の種類のエネルギーに変換できます。そうでない場合、その熱エネルギーの一部のみが他の種類のエネルギー (したがって有用な仕事) に変換されます。これは、残りの熱をより低い温度の熱貯蔵庫に移すために保存する必要があるためです。このプロセスによるエントロピーの増加は、残りの熱を他の種類のエネルギーに変換することに伴うエントロピーの減少よりも大きくなります。

エネルギー変換をより効率的にするためには、熱変換を避けることが望ましい。例えば、原子核の運動エネルギーが最初に熱エネルギーに変換され、次に電気エネルギーに変換される原子炉の効率は約35％である。^{[5] [6]}中間の熱エネルギー変換を排除して運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換することで、エネルギー変換プロセスの効率を劇的に向上させることができる。^[7]

宇宙における時間の経過に伴うエネルギー変換は、通常、ビッグバン以来存在していたさまざまな種類のエネルギーによって特徴付けられ、その後、トリガーメカニズムによって「解放」されます（つまり、運動エネルギーや放射エネルギーなどのよりアクティブなタイプのエネルギーに変換されます）。

ビッグバンで生成された水素が惑星などの構造に集まると、エネルギーの直接的な変換が起こり、その過程で重力ポテンシャルの一部が直接熱に変換されます。たとえば、木星、土星、海王星では、惑星の大きなガス大気の継続的な崩壊から生じる熱が、惑星の気象システムのほとんどを動かし続けています。大気帯、風、強力な嵐で構成されるこれらのシステムは、太陽光によって部分的にのみ駆動されています。しかし、天王星では、このプロセスはほとんど起こりません。^{[なぜ? ] [引用が必要]}

地球では、惑星内部から放出される熱の大部分（全体の3分の1から半分と推定）は、惑星の物質がゆっくりと小さくなり、熱を発生させることによって生じています。^[要出典]

ビッグバンからのエネルギーを変換する他のプロセスのよく知られた例としては、ウランやトリウムなどの重い同位体に元々「蓄えられた」エネルギーを放出する原子核崩壊があります。このエネルギーは、これらの元素の原子核合成時に蓄えられました。このプロセスでは、タイプ II の超新星の崩壊から解放された重力の位置エネルギーを使用して、太陽系や地球などの恒星系に組み込まれる前にこれらの重元素を作成します。ウランに閉じ込められたエネルギーは、ほとんどのタイプの放射性崩壊中に自然に放出され、核分裂爆弾で突然放出される可能性があります。どちらの場合も、原子核を結合するエネルギーの一部が熱として放出されます。

宇宙の夜明けに始まった同様の変換の連鎖では、太陽の水素の核融合により、ビッグバンの時に作られた別の位置エネルギーの貯蔵庫が解放されます。当時、ある理論^{[どの理論ですか? ]によれば、空間が膨張し、宇宙が急速に冷却したため、水素はより重い元素に完全に融合できませんでした。この結果、水素は、}核融合によって解放できる位置エネルギーの貯蔵庫となりました。このような融合プロセスは、水素雲が星を生成するときに重力で崩壊することで発生する熱と圧力によって引き起こされ、その後、融合エネルギーの一部が星の光に変換されます。太陽系を考えると、圧倒的に太陽からの光である星の光は、地球に衝突した後、重力による位置エネルギーとして再び蓄えられる可能性があります。これは、雪崩の場合、または水が海から蒸発して海抜の高い場所に降水として堆積する場合に発生します (水力発電ダムで放出された後、タービン/発電機を駆動して電気を生成するために使用できます)。

太陽光はまた、地球上の多くの気象現象を引き起こします。1 つの例はハリケーンです。ハリケーンは、数か月にわたって加熱された不安定な広い温海域が熱エネルギーの一部を突然放出し、数日間の激しい空気の動きを引き起こすことで発生します。太陽光はまた、二酸化炭素と水が炭水化物、脂質、酸素の可燃性化合物に変換される光合成によって、植物によって化学的位置エネルギーとして捕捉されます。このエネルギーは、森林火災の火花によって突然熱と光として放出される場合があります。または、これらの分子が摂取され、酵素の作用によって異化が引き起こされ、よりゆっくりと動物や人間の代謝に利用される場合もあります。

これらすべての変換チェーンを通じて、ビッグバンの時点で蓄えられた潜在エネルギーは、後に中間イベントによって解放され、ときには、解放と解放の間に長期間にわたって、よりアクティブなエネルギーとして、さまざまな方法で蓄えられることもあります。これらすべてのイベントには、熱を含む、ある種類のエネルギーから他の種類のエネルギーへの変換が伴います。

石炭火力発電所では、次のようなエネルギー変換が行われます。

1. 石炭の化学エネルギーは燃焼の排気ガス中の熱エネルギーに変換される。
2. 排気ガスの熱エネルギーは熱交換によって蒸気の熱エネルギーに変換される
3. 蒸気の運動エネルギーがタービン内で機械エネルギーに変換される
4. タービンの機械エネルギーは発電機によって電気エネルギーに変換され、それが最終的な出力となる。

このようなシステムでは、第 1 段階と第 4 段階の効率は高いが、第 2 段階と第 3 段階の効率は低くなります。最も効率的なガス火力発電所は 50% の変換効率を達成できます。^[要出典]石油火力発電所と石炭火力発電所の効率は低くなります。

従来の自動車では、次のようなエネルギー変換が起こります。

1. 燃料の化学エネルギーは燃焼によって膨張するガスの運動エネルギーに変換される。
2. 膨張するガスの運動エネルギーを直線ピストン運動に変換する
3. 直線ピストン運動を回転クランクシャフト運動に変換
4. 回転クランクシャフトの動きがトランスミッションアセンブリに伝達される
5. 回転運動はトランスミッションアセンブリから出力されます
6. 差動装置を通した回転運動
7. 差動装置から回転運動が車輪を駆動するために伝達される
8. 駆動輪の回転運動を車両の直線運動に変換する

あるエネルギー形態を別の形態に変換する機械や変換器は数多くあります。以下にその例をいくつか挙げます。

• ATP加水分解（アデノシン三リン酸の化学エネルギー→機械的エネルギー）
• 電池（電気）（化学エネルギー→電気エネルギー）
• 発電機（運動エネルギーまたは機械的仕事→電気エネルギー）
• 電気ヒーター（電気エネルギー→熱）
• 火（化学エネルギー→熱と光）
• 摩擦（運動エネルギー→熱）
• 燃料電池（化学エネルギー→電気エネルギー）
• 地熱発電（熱→電気エネルギー）
• 熱機関、例えば自動車に使われる内燃機関や蒸気機関（熱 → 機械エネルギー）
• 水力発電ダム（重力位置エネルギー→電気エネルギー）
• 電球（電気エネルギー→熱と光）
• マイク（音→電気エネルギー）
• 海洋温度差発電（熱→電気エネルギー）
• 光合成（電磁波→化学エネルギー）
• 圧電（ひずみ → 電気エネルギー）
• 熱電（熱→電気エネルギー）
• 波力（機械エネルギー→電気エネルギー）
• 風車（風力エネルギー→電気エネルギーまたは機械エネルギー）

• 「エネルギー—第3巻：原子力エネルギーとエネルギー政策」。応用エネルギー。5（4）：321。1979年10月。doi ：10.1016/0306-2619（79）90027-8。
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