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2015.10.22
勉強方法

電験3種で使う単位の話 「1[J](ジュール)の仕事の大きさとは」

[J](ジュール)という単位はSI単位系(国際単位系)の一つで、電験3種にはよく出てきます。試験問題では単位にはSI単位を使いますので、熱量の単位も[cal](カロリー)ではなく[J]を用います。
1[kWh] = 3600[kJ] の換算も、発電所の熱効率の問題など、よく使います。
色々な意味合いのある単位[J]について見ていきましょう。

以前取り上げた単位[W](ワット)は、電力を表す単位であり、また同時に仕事率を表す単位でもありました。
電力は、電流による単位時間当たりの仕事量(電力[W]=[J/s])なので、電力(仕事率)[W]に時間[s](秒)をかけると電力量(仕事量)[J]になります。[W・s]=[J]
[W](ワット)と[J](ジュール)はつながりがありますので合わせて見ておいてください。

「1[W](ワット)の電力とは」

今回の単位「J」(ジュール)は、
① 仕事の大きさ(仕事量)、② エネルギー、③ 熱量、④ 電力量 などを表します。

① 物理でいう「仕事」とは、物体に力を加えてその物体を移動させることをいいます。
仕事量[J]=要した力の大きさ[N]×移動した距離[m] 
1[J]=1[N]×1[m] つまり、物体に1[N]の力を加えて、その物体を力の方向に1[m]移動させたときの仕事量が1[J]です。
[J](ジュール)=[Nm](ニュートンメートル)ですが、この[Nm]は、トルク(物体を回転させる力)を表す単位でもあり、混同しやすいので注意が必要です。

② 次に、「エネルギー」とは、仕事をすることのできる能力のことをいいます。
そして、そのエネルギーには、力学的エネルギー(運動エネルギーや位置エネルギーなど)、熱エネルギー、電気エネルギー、光エネルギー、化学エネルギー、核エネルギーなどと、いろいろな種類があります。 

仕事をする能力「エネルギー」によって実際に「仕事」をするわけですから、それらを表す単位は同じ[J](ジュール)になります。

③ 電熱器(抵抗R[Ω])に、電流 I [A]を流すと熱Q[J]が発生します。(ジュール熱という)
熱量Q[J]=抵抗R×電流 I の2乗× 時間 t [s]
ここでR× I の2乗は電力P[W]のことですので、
熱量Q[J]=電力P[W]× 時間 t [s] → [J]=[Ws]
1[W]の電力で1秒間電流をながしたときに発生する熱量が1[J]です。
電気エネルギーが熱エネルギー変わったといえます。熱エネルギーは例えばお湯を沸かすという仕事をします。
また、1[g]の水の温度を1℃上げるのに必要な熱量(熱エネルギー)を1[cal](カロリー)といいますが、1[cal]≒4.2[J]の関係があります。

④ 電力量=電力 × 時間 です。
電力量は電気を使って行った仕事量といいかえることができます。
電気は別のものに形を変えて仕事を行います。
上の③のように熱に変わったり、照明では光に形を変えて周囲を照らすという仕事をします。
電力量の単位は[J]でもよいですが、一般的には[kWh](キロワット時)で表します。
例えば、消費電力500[W]のエアコンを3時間つけると
500×3=1500[Wh]=1.5[kWh]の電力量を使ったことになります。
1[kWh]=1[kW]×3600[s]=3600[kJ]ですので、
1.5[kWh]=1.5×3600=5400[kJ]の仕事をしたことになります。

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