エネルギーの変換と保存
カワウソ先生エネルギーの総量はいつも変わらないよ。「効率」は、目的のエネルギーがもとのエネルギーのどれだけの割合かを表すんだ。
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- 電気・熱・光・音・化学・運動・位置・核エネルギーなど、エネルギーには様々な形態があり、日常生活や社会ではこれらを変換して利用している。
- モーターは電気エネルギーを運動エネルギー（新しいタブで開きます）に、発電機（新しいタブで開きます）は運動エネルギーを電気エネルギーに、光電池（新しいタブで開きます）は光エネルギーを電気エネルギーに変換する。
- エネルギーを変換しても総量は保存されるが、その一部は利用目的以外のエネルギー（多くは熱）に変わる。目的のエネルギーの割合を変換効率という。
詳しく
エネルギーの変換と保存
エネルギーには、電気エネルギー・熱エネルギー・光エネルギー・音エネルギー・化学エネルギー・弾性エネルギー・位置エネルギー・運動エネルギー・核エネルギーなど様々な形態がある。日常生活や社会では、これらを目的に応じて変換し、利用する場面が多い。
例えば、模型用のモーターに電流を流すと軸が回転し、電気エネルギーが運動エネルギーに変わる。逆に軸を回して発電機として使うと、運動エネルギーが電気エネルギーに変わるしくみだ。太陽電池（光電池）は光エネルギーを電気エネルギーに変換する。
様々な形態のエネルギーは相互に変換されるが、変換の前後でエネルギーの総量は変わらない。これをエネルギーの保存という。
例題：変換効率を求める
例題1：ある白熱電球に100Jの電気エネルギーを与えたところ、光になったのは5Jだけで、残りの95Jはおもに熱になった。この電球の変換効率は何％か。効率＝目的のエネルギー÷もとのエネルギー×100なので、5÷100×100＝5％。
例題2：同じ100Jの電気エネルギーをLED電球に与えたところ、光になったのは20Jだった。変換効率は20÷100×100＝20％。LED電球は白熱電球より変換効率が高く、同じ明るさをより少ない電気エネルギーで得られる。
例題3：例題1の白熱電球で、光にならなかった95Jのエネルギーは何になったと考えられるか。フィラメントが熱を持つことから、熱エネルギーになったと考えられる。
なぜ効率は100％にならないのか
モーターで糸につけたおもりを引き上げる実験をすると、電気エネルギーのすべてが位置エネルギーになるわけではない。軸と軸受けの間の摩擦や、コイルの電気抵抗による発熱（新しいタブで開きます）などで、一部のエネルギーは利用目的以外の熱や音になって逃げていく。
このように、エネルギーを変換するときには、目的のエネルギー以外にも必ず一部のエネルギーが生まれるのだ。そのため、実際の装置の変換効率は100％より小さくなる。
変換効率を高めることは、同じ目的のエネルギーを得るために必要な資源やエネルギーを少なくすることにつながる。LED照明への切り替えなどは、この効率を高める工夫の一例である。
確認問題
確認問題（解答用紙）
スマホやタブレットで読み取ると、この問題をその場で解けます。
https://manazoo.com/science/energy-conversion-and-efficiency/?from=print#quiz
模型用のモーターに電流を流すと軸が回転した。このとき起きたエネルギーの変換として正しいものはどれか。
- ◯ 運動エネルギー→電気エネルギー
- ◯ 電気エネルギー→運動エネルギー
- ◯ 化学エネルギー→熱エネルギー
- ◯ 光エネルギー→電気エネルギー
正解：電気エネルギー→運動エネルギー
モーターに電流（電気エネルギー）を流すと軸が回転する。これは電気エネルギーが運動エネルギー（新しいタブで開きます）に変換された例である。100Jの電気エネルギーを与えたLED電球で、光になったのは20Jだった。このLED電球の変換効率は何％か。
- ◯ 5%
- ◯ 20%
- ◯ 50%
- ◯ 80%
正解：20%
変換効率＝目的のエネルギー÷もとのエネルギー×100なので、20÷100×100＝20%。糸につけたおもりをモーターで引き上げる実験で、電気エネルギーの一部が摩擦によって熱や音になった。このとき、変換の前後のエネルギーの総量について正しいものはどれか。
- ◯ 熱や音になった分だけ総量は減る
- ◯ 摩擦があると総量は増える
- ◯ 総量は測ることができない
- ◯ 目的のエネルギー以外に変わっても、総量は変わらない
正解：目的のエネルギー以外に変わっても、総量は変わらない
エネルギーは変換の前後で総量が保存される。一部が熱や音という利用目的以外のエネルギーに変わっても、総量そのものは変わらない。白熱電球に100Jの電気エネルギーを与えたところ、光になったのは5Jだった。残りの95Jは主に何になったと考えられるか。
- ◯ 化学エネルギー
- ◯ 位置エネルギー
- ◯ 音エネルギー
- ◯ 熱エネルギー
正解：熱エネルギー
白熱電球はフィラメントが高温になって光るしくみで、光にならなかった大部分のエネルギーは熱エネルギーになる。
単元のポイント
- エネルギーの形態 電気・熱・光・音・化学・弾性・位置・運動・核エネルギーなど
- エネルギーの変換 モーター・発電機・光電池などで、エネルギーの形を変えて利用すること
- エネルギーの保存 変換の前後でエネルギーの総量は変わらない
- 変換効率 目的のエネルギー÷もとのエネルギー×100（％）。残りは主に熱になる