エネルギー変換効率について
４年Ｂ組 行松 美樹
４年Ｃ組 中森 春奈
指導教員 藤野 智美

１． 要約
サイエンス研究会地学班は、東日本大震災をきかっけにエネルギーに関する研究活動を行っている。この研究では、抽象的なイメージの強いエネルギーというものを、科学的に分析することを目的としている。今回は、電気エネルギーから光エネルギーに変換される際のエネルギーの変換効率について考察した。本稿ではその実験の一部を考察したい。
キーワード：電気エネルギー、熱エネルギー、光エネルギー、変換効率２． 研究の背景と目的

ーへの変換が白熱電球と比べると少ないと前回までの研究を通して、位置エネルギいう話をよく耳にする。そこで私たちは、ーを電気エネルギーに変換するしくみと、白熱電球や LED 電球における光エネルギ

その変換効率について理解することができーへの変換効率の測定に興味を持った。した。そこで、今回は違う種類のエネルギーかし、光エネルギーを直接求めることは難変換を調べようと思い、電気エネルギーかしい。そこで、今回は電気エネルギーと熱ら光エネルギーへの変換について考察するエネルギーを求め、その差から光エネルギことにした。

ーを算出することにした。
次に理論的背景について説明する。電気３． 研究内容

エネルギーE[J]は、電流を I[A]、電圧を V[V]、（１）基礎知識

時間を t[s]、電力を P[W]とすると、以下の電球を光らせたとき、電気エネルギーが式で与えられる。

すべて光エネルギーに変わっているように

E=IVt=Pt …①

みえるが、実際はそうではない。光エネル

また、熱エネルギーQ[J]は質量をｍ[g]、ギーだけでなく熱エネルギーにも変換され比熱を c[J/(g･K)]、温度変化を ∆t[℃]とするている。白熱電球の場合、発生する光エネと、以下の式で与えられる。

ルギーと熱エネルギーの割合は約 2：8 程度

Q=mc∆t …②といわれており、熱エネルギーへの変換が比熱とは、物質 1g を温度 1℃だけ上昇さとても大きい。つまり、本来取り出したいせるのに必要な熱量のことであり、一般的光エネルギーへの変換効率が低いことがわに水の比熱は 4.2J/(g･K)とされている。

かる。これに対し、LED 電球は熱エネルギ

今回の実験では、①から②を引いて得られたエネルギーを光エネルギーとして扱う。

ガラス製のものに変えた。

（２）実験内容
図１のように、豆電球または白熱電球を直接水につけ、水の温度上昇から熱エネルギーを算出した。また、電気エネルギーは、電球の規格に基づいて算出した。

図２ 実験２の様子[実験結果２]
水温は 28.0℃から 30.3℃まで、2.3℃上昇した。よって、以下の値が求められる。
図１

電気エネルギー(E)=40×6×60=14400[J]熱エネルギー(Q)=400×4.2×2.3=3864[J]＜実験１＞

光エネルギー(E-Q)=14400－3864=10536

室温 28.7℃の部屋で、水温 27℃の水が400mL 入ったプラスチックのビーカーに、5V,6.9W の豆電球をひたし、138mA の電流＝1.05×104[J]すなわち、電気エネルギーの約 73％が光エネルギーに変換されたことになる。

を流して 6 分間様子をみた。
[分析２][実験結果１]
温度変化はみられなかった。

本来、白熱電球における光エネルギーへの変換は約 20%であるのに対して、実験２では 73%であった。その理由として、以下[分析１]
使用した豆電球が小さかったため変化が見られなかったと考える。のことが考えられる。
・容器が小さすぎたため電球全体が水の中に入っていなかった。
・白熱電球と温度計の間の距離が近すぎた。

＜実験２＞

これらの分析を考慮し、実験３を行った。

温度変化をわかりやすくするため、室温27.8℃の部屋で、電球を 100V,40W の直接＜実験３＞

コンセントにさすものに変え、実験１と同室温 28.2℃の部屋で、水が 3000ml 入っ様に 6 分間様子をみた。また、ビーカーをたプラスチック製の水槽に実験２と同じ電球を水にいれ、時々混ぜながら６分間温度

光エネルギー(E-Q)=24000－18648=5352

変化を測定した。

＝5.35×104[J]すなわち、電気エネルギーの約 22%が光[実験結果３]エネルギーに変換されたことになる。

水温は 28.9℃から 29.7℃まで、0.8℃上

また、今回は温度上昇の様子を図３にま昇した。よって、以下の値が求められる。

とめた。R とは相関係数のことであり、R電気エネルギー(E)=40×6×60=14400[J]の 2 乗値が 1 に近づくほど近似曲線の信頼熱エネルギー(Q)=3000×4.2×0.8性が高くなる。

=10080[J]
光エネルギー(E-Q)=14400－10080=4320＝4.32×103[J]すなわち、電気エネルギーの約 30%が光エネルギーに変換されたことになる。
[分析３]
先ほどの実験と比べると、熱エネルギーが大きくなった。しかし、本来の割合と比べるとやはりまだ光エネルギーの割合が高い。その理由として、水槽を通して熱が外部に放熱してしまい、すべての熱エネルギ

図３ 実験４の温度変化ーを測定できていないためだと考えられる。
そこで、外部への放熱を防ぐために、発砲スチロールを使用して実験４を行った。

[分析４]グラフから、時間の経過と温度変化は比例していることが分かった。また、発砲ス＜実験４＞

チロールで周りを囲むことで、ある程度の室温 28.2℃の部屋で、水が 400ml 入った放熱を防ぐことができた。ビーカーと発砲ガラス製のビーカーを大きめの発砲スチロ

スチロールが密着していたらさらに放熱をール容器の中に入れ、10 分間温度変化を測防げたかもしれない。そこで、直接発砲ス定した。電球は 100V，40W のものを使用

チロールに水をいれたら、より正確な測定した。

ができるのではないかと考え、実験５を行った。

[実験結果４]
水温は 26.5℃から 37.6℃まで、11.1℃上＜実験５＞昇した。よって、以下の値が求められる。

1000cm3 の発砲スチロールの容器を製作

電気エネルギー(E)=40×10×60=24000(J)し、その中にビニール袋をしいて水を発砲

熱エネルギーQ)=400×4.2×11.1=18648(J)スチロール容器に直接 700mL 入れたもの

を用意し、室温 17.5℃の部屋で、実験４とせた。外部への放熱をうまく防ぐことがで同じように 10 分間温度変化を測定した。

きたのだろう。また、図３と図４のグラフを比べると、図４の方が温度上昇のばらつきが少なかった。より正確な実験ができていると考える。

４．考察
実験１から実験５の結果をふまえ、次の図４ 発砲スチロールの容器ような考察を行った。
・最終的に、光エネルギーの割合が 14%と[実験結果５]なり、一般的な数値に近づけることがで

水温は 11.0℃から 18.0℃まで、7.0℃上昇きた。

した。よって、以下の値が求められる。

・白熱電球の熱エネルギーによる水の温度

電気エネルギー(E)=40×6×60=24000 (J)

上昇は時間に比例しているようである。

熱エネルギー(Q)=700×4.2×7=20580 (J)・白熱電球は光エネルギーへの変換効率が光エネルギー(E－Q)=24000－20580

低いことが確かめられた。

=3420=3.42×103 (J)すなわち、電気エネルギーの約 14%が光エネルギーに変換されたことになる。
また温度上昇の様子を図５にまとめた。

今回の実験で、熱エネルギーの測定が正確になればなるほど光エネルギーが小さくなっていったため、白熱電球の場合、本当に光エネルギーと熱エネルギーの割合が約2：8 程度であることがわかった。

５．今後の課題
今回の実験で、熱エネルギーを正確に測定することができた。次は光エネルギーへの変換効率が高いとされる LED 電球で実験５と同様の測定を行って、白熱電球とLED 電球の比較を行いたい。

６．謝辞
図４ 実験５の温度変化

サイエンス研究会地学班の活動において、藤野先生、米田先生に多大なご指導を賜り［分析５］
光エネルギーの割合が 14%になり、一般的にいわれているのとほぼ同値の結果を出ました。また、サイエンス研究会のみなさんにもたくさんご協力いただきました。この場で、深く感謝申し上げます。