３週目

エネルギー変換工学 第3週目

力学的エネルギーの基礎:

1. 力学的エネルギー:
• 力学的エネルギーとは、物体に力を加えて移動させる際の仕事の能力を指します。
• 仕事の大きさは「力 × 距離」で表され、1[J] = 1[N] × 1[m] です。
2. 力の定義:
• 摩擦のない水平面上で質量1[kg]の物体に1[N]の力を1[s]間加えると、速度が0[m/s]から1[m/s]に増加します。このときの力を1[N]と定義します。
• 加速度は速度の変化率であり、1[m/s²]です。
3. 重力の影響:
• 地球上での重力はF=Mgで表され、gは9.8[m/s²]です。
• 1[kg]の物体には9.8[N]の重力が働きます。
4. 位置エネルギー:
• 位置エネルギーは、高さh[m]にある物体が持つエネルギーで、Mgh[J]で計算されます。
• 例えば、102[g]の物体を1[m]持ち上げると、1[J]の位置エネルギーが必要です。
5. 運動エネルギー:
• 物体が速度V[m/s]で運動する際のエネルギーで、1/2MV²[J]で計算されます。
• 力Fを加えて速度をV1[m/s]からV2[m/s]に増加させた場合の仕事Eは、E = 1/2M(V2² - V1²) です。

エネルギーの基本単位:

• エネルギーの単位はジュール[J]です。
• 1[kWh]は860[kcal]に相当し、1[kg]の水の温度を1[℃]上げるための熱エネルギーは1[kcal]です。

流体力学の基礎:

1. 水の特性:
• 水の重さは1g/cm³ @ 4℃です。圧力による体積変化は非常に小さいため、実用上無視できます。
2. 水中の力の作用:
• 水中の物体に働く力はその面に直角で均等に働きます。深さH[m]の水柱の底面に働く力Wは、W = wHAです。
3. 連続の式:
• 水流の密度をρとすると、断面積Aを持つ水路を流れる流量Qは、Q = Av = const です。
4. ベルヌーイの定理:
• 位置エネルギー、運動エネルギー、圧力エネルギーの和は一定であり、これを位置ヘッド、速度ヘッド、圧力ヘッドと呼びます。

水力発電の原理:

1. 水力発電:
• 高所の水の位置エネルギーを水車により機械エネルギーに変換し、発電機を回転させて電気を生み出します。
• 有効落差Hは総落差Hgから損失落差Hl（水管の摩擦など）を引いた値で計算されます。
2. 発電効率:
• 水車効率ηwと発電効率ηGを考慮して、発電機の電気出力PGは、PG = 9.8QHηwηG [W]です。

参考資料:

• 水力発電の歴史と原理に関する動画
• 発電の実際についての詳細説明

この週では、力学的エネルギーとその基本的な原理、流体力学の基礎、水力発電の仕組みと効率について学びます。