エネルギーの物語
とりわけ Rudolf Diesel への感謝

京都大学 工学研究科 航空宇宙工学専攻
吉田英生
sakura@hideoyoshida.com
www.wattandedison.com

１．はじめに２．近代製鉄の幕開け
３．初期の蒸気機関
４．熱力学の確立過程
５．蒸気機関の発達
６．エンジンの発明（Rudolf Diesel への感謝）
７．電気の時代に
８．むすびにかえてEnergy : ενερχεια

ギリシャ語 energeia
en ＝ “in”
ergon ＝ “work”
仕事をする能力

Thomas Young(1773-1829)

森本哲郎（1925-2014）：文明の主役
─エネルギーと人間の物語─新潮社2000年12月
特に印象に残ったところから，いくつか引用してみたい．まず，貿易風を利用してローマのネロがインドとの交易で異国的な東洋の物産を夢中で買い求めたことについて，以下のような叙述がある．『そのさまは「ただ，ピリッとした（胡椒の）味覚を満足させるために，何という無駄な労力を費やすのか」とプリニウスを嘆息させる体のものであった．しかし，それが「文明」というものの正体なのではなかろうか．すなわち，人間の欲望が交易を活発化させ，その動機が世界の航路を開拓する，という構図である．現代におけるグローバルな経済システムも，その延長線上にあるのだ．』 また，電灯の恩恵に浴した福沢諭吉が「一身にして二生」を得た，と述懐したことに対し，現代を生きる著者は『私には自分の生涯が「三生」どころか「四生」にさえ思えてくる』という．
あとがきにかえた最終章には，次のような叙述がある．『文明興亡の歴史をふりかえると，文明を衰亡させ，ついに死に至らしめたのは例外なく，エネルギーの浪費であった．戦争は，その最たるものだ．エネルギーは文明を発展させる「起動力」であるとともに，文明を滅亡へと向かわせる「破壊力」でもある．
だから，その使い方いかんによって，生体はもとより，文明そのものを破滅へ追いやるのである．』
吉田英生：書評、エネルギー・資源、2002年3月号
http://wattandedison.com/Morimoto_Tetsuro.pdf

ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの違いは京都大学新聞 2015年10月16日
http://wattandedison.com/article.html

http://takaratomy.co.jp/products/tomica/lineup/town/index.htm

２．近代製鉄の幕開け

資源・エネルギー源と動力に関する年表
年
1709
1712
1765
1800
1824
1825
1843
1859
1876
1882
1884
1885
1898
1903
1908
1930
1939
1939
1942

前
307
304
251
216
192
191
173
157
140
134
132
131
118
113
108
086
077
077
074

人あるいは項目
Darby：近代製鉄のはじまり（コークス・高炉）
Newcomen：蒸気機関の本格導入
Watt：蒸気機関の改良（分離凝縮器）
Volta：電池
Carnot：熱力学第２法則
Stephenson：蒸気機関車
Joule：熱力学第１法則
Drake：石油
Otto：ガス （ガソリン） エンジン
Edison：パール・ストリートの電気照明
Persons：蒸気タービン
Deimler：二輪自動車、Benz：三輪自動車
Diesel：ディーゼルエンジン
Wright 兄弟：初飛行
Ford：四輪自動車 Model T
Whittle：ジェットエンジン特許
Ohain：ジェットエンジン搭載機
BBC (ABB)：産業用ガスタービン(4000kW)
Fermi：初の原子炉 Chicago Pile 1

近代製鉄の発祥の地：英国Coalbrookdale

Coalbrookdale
Ironbridge Gorge Museums

Abraham Darbyの高炉 (1709)

http://www.bbc.co.uk/history/british/victorians/launch_ani_blast_furnace.shtml

世界最初の鉄橋─文字通りのＩｒｏｎｂｒｉｄｇｅ─

アイアンブリッジ渓谷博物館 http://www.wattandedison.com/ib.pdf
京橋メンテック㈱ http://www.kyobashi.net/index.html
http://wattandedison.com/Ironbridge.jpg

３．初期の蒸気機関

Thomas Newcomen (1663-1729)“There is no known imageof Thomas Newcomen”

間違い

製鉄には石炭 → 炭坑の水をかい出す必要性→ 蒸気機関の導入
http://wattandedison.com/museum.html

James Watt (1736 - 1819) の分離凝縮器
Separate Condenser: A New Invented Method of Lessening
the Consumption of Steam and Fuel in Fire Engines
熱機関における蒸気と燃料の消費を減らす新方法（1769）
この段階の蒸気機関は、大気圧と真空の間で作動する機関

http://wattandedison.com/museum.html

James Watt の他の重要発明
1781 Sun-and-planet gear
遊星歯車

1788 Centrifugal governor
遠心調速機（これはWattの発明ではなく17世紀に発明されていたのを活用）

1782 Double-acting engine
複動式機関

熱機関の熱効率の変遷

河宮信郎：必然の選択，海鳴社，59，1995

馬力
仕事率[W] = [J/s] は、SIの基本単位である[J]と[s]から構成される組立単位である。歴史的には、ワットによって [HP] あるいは [hp]（horse power 馬力）の方が先に定められた。
ワットは、蒸気機関の性能を評価するため、動力すなわち仕事率を定量化しようとした。このため、図のような負荷のかかる装置で馬を周回運動させた。
・腕木の長さは12 [ft = 0.3048 m]
・馬は一分間に2.5回転
・馬にかかる負荷は
175 [lbf = 0.4536×9.807 N]
であり、このときの仕事率を1 [HP] と定義した。これはSI単位では745.7[W]となる。
参考：人間の馬力 階段（1階分の高さ3.6m）を4秒で駆け上ると秒速0.9m、体重を50kgとすると0.6馬力（富塚清 「動力の歴史 動力にかけた男たちの物語」 三樹書房2008）

４．熱力学の確立過程

熱力学の成立とパイオニア

CarnotThomson(=Kelvin)

Gibbs

Joule

Helmhortz

Clausius

1824：Carnot カルノーの原理・第2法則
1843：Joule 熱の仕事当量・第1法則
1847：Helmholtz エネルギー保存則・第1法則
1850：Clausius 第2法則
1851：Thomson （のちのKelvin卿）
Maxwell
1854：Clausius エントロピー 第2法則
1850年代：Maxwell 気体分子運動論
1870年代：Boltzmann 統計力学
1873-76：Gibbs 自由エネルギー
http://wattandedison.com/UK-Giants.pdf

Boltzmann熱学の形成に関わった人物と年代

吉田英生：熱素説（熱量保存則）とエネルギー保存則─山本義隆氏「熱学思想の史的展開」からの抜粋ノート─、日本機械学会誌，113，1097，pp. 234-239 (2010).
http://wattandedison.com/JSME-Yoshida.pdf

熱力学第１法則：山本義隆の名著
http://www.wattandedison.com/JSME_Yoshida.pdf

熱素説から熱力学第１法則へ
熱素（calorique）とは熱エネルギーの実体として想定された熱物質のこと．熱素の概念の源流は17世紀に生まれたといえるが，熱素という語は18世紀後半にラヴォアジェにより名付けられた．熱素が存在すること，そして熱素が不滅であり熱量が保存されると考える学説を，熱素説（caloric theory）あるいは熱量保存則という．熱力学第1法則（エネルギー保存則）が19世紀前半に正しいことが証明されて，熱素説は間違いであることが判明するまで，近世の熱学史において長期間支配的な学説であった．
なお，熱素説と熱力学第1法則の対比を，熱物質論と熱運動論の対比ととらえられることも多いが，これは正しくない．熱力学第1法則は，熱と力学的仕事の等価的互換性を主張しているにすぎず，必ずしも熱運動論を前提とするわけではないからである．
熱素の概念に基づく熱量保存則が間違いでエネルギー保存則が正しいことは，ラムフォード，ヤング，マイヤーらを経て，1840年代のジュールの精密な実験により決定的となった．
http://www.scienceandsociety.co.uk/results.asp?image=10301513

緑茶ブレーク: 熱力学の第1法則
おにぎり（梅干入り）1個：160kcal体重50kgの人の位置エネルギーに換算
2
 kg ⋅ m   kg ⋅ m [J ] = [N ⋅ m] =  2 ⋅ m =  2  s  s
mgh = 160[kcal] = 160 × 4.2[kJ ] = 670[kJ ]670 ×103 [J ]h== 1370[m ]250[kg ]× 9.8 m s[]→3個食べれば富士山登頂ができる？
→1個食べて1370mまで登って飛び降りたら、もし空気抵抗がなければ、

v = 2 gh = 2 × 9.8[m/s 2 ] × 1370[m] = 164[m/s] = 590[km/h ]で地面に激突５．蒸気機関の発達

Richard Trevithick (1771 –1833)

Telford Central駅に展示されている蒸気機関車 (1803)
http://wattandedison.com/ib.pdf

Stephenson親子 （Newcastle upon Tyne）

George Stephenson(1781~1848)
Darlington-Stockton 1825, Active号（後にLocomotion号）
Liverpool-Manchester 1829, Rocket号

標準軌 1,435 mm (4 ft 8 1⁄2 in)はStephensonに由来する

http://wattandedison.com/NRM_MSIM_BL.pdf

Robert Stephenson(1803~1859)すべり弁式（複動式）蒸気機関

蒸気機関車と機関車ボイラ

一色尚次、北山直方 ：新蒸気動力工学、森北出版（1978）

吉田敬介、田坂誠均：
熱工学的鉄道ファンからみた蒸気機関車
http://wattandedison.com/SL.pdf

谷下市松：蒸気工学、裳華房（1984）

今や教科書には出てこない
素朴な蒸気機関のサイクル
e→af→aa→bb→cc→dd→e

吸気弁開、高圧生蒸気挿入
高圧生蒸気挿入後、吸気弁閉近似的に等温膨張とみなす
排気弁開、圧力低下排気行程、排気弁閉
残留蒸気圧縮蒸気機関車では凝縮器（復水器）がないので大気圧で排気

谷下市松：蒸気工学、裳華房 （1984）英国での鉄道網の急激な発達

http://www.thehistorychannel.co.uk/classroom/gcse/transport3.htm
現在ではみつからずRankine サイクル
水の臨界点pTc = 374.15 oC
pc = 22.120 MPa
William John
Macquorn Rankine(1820-1872)

vc = 0.0031700 m3/kg
hc = 2107.4 kJ/kg
sc = 4.44286 kJ/(kg K)v[˚R] = ([˚C] + 273.15)×9⁄5 = [K]×9⁄5hTss

蒸気タービンKarl Gustaf Patrik
de Laval（1845-1913）

Sir Charles AlgernonParsons(1854-1931）

衝動タービン（1882）

多段反動タービン（1884）

・なお、ド・ラヴァルやパーソンズのタービン出現は、今からまさに100年前であるが、この構造は、現在のものと寸分違わないことにも、注目したい。原理、設計とも、そこでほぼ完成したのである。
・これ（ガスタービン）に比べ、蒸気タービンは恵まれている。（中略） 圧縮機という身中の寄生虫がいないからである。
（富塚清：動力の歴史 動力にかけた男たちの物語、三樹書房、2008復活発刊）

６．エンジンの発明（Rudolf Diesel への感謝）ガス （ガソリン） エンジン （1876）
NicholasA. Otto(1832-1891)
当時の一般認識では、液体燃料は動力用エネルギー源でなかった。

http://techni.tachemie.uni-leipzig.de/OTTO/otto_g0_eng.html

Rudolf Diesel (1858-1913)

London1858：パリ （工芸・技術博物館の隣） で誕生
1870：普仏戦争勃発→ロンドン経由でアウグスブルグへ
職業訓練学校入学
1873：アウグスブルグ工業学校に入学
Berlin
空気式ライタに精通アウグスブルグ機械製作所（後にMAN） を見学

Paris
http://wattandedison.com/Paris.pdf

AugsburgMunchen

Winterthur
https://www.sulzer.com/en/About-us/History

等温変化実現への夢 （1878ごろ）

Carl von Linde(1842-1934)
ミュンヘン工科大学
現在もドイツの企業

1875：ミュンヘン工科大学に入学
1879：スイスのSulzer社でインターン
1880：Lindeの製氷機械 （アンモニア冷凍機）の助手のような仕事でパリ工場に赴任
1890：ベルリンに「当時、私は自らに宿題を負わせた。まだ発明も行っていなかったし、アイデアも固まっていなかった。単にカルノーの理想的サイクルを実用化したい希望だけが、それ以後、私の頭を占有した。学業を終了し、実社会に入ったが、私自身は生活のために社会的地位をまず確立する必要があった。実用化の夢は絶えることなく私について回った。」 （1913）

特許と製造会社 （1893～）
Nr. DRP 67207 1893年2月23日発行
Arbeitsverfahren und Ausführungsart fürVerbrennungskraftmaschinen
内燃機関についての作動様式ならびに実施形態
1892年2月28日より特許発効

MANSulzer

MAN (Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg)
www.corporate.man.eu/en/company/history/museums/Museums.html
Friedrich Krupp, Essen www.thyssenkrupp.com/en/company/history/
Sulzer www.sulzer.com/en/About-us/History

Otto サイクル と Diesel サイクル
pp

燃焼

燃焼VV

燃料：ガソリン
燃料：軽油（自動車）・重油（船舶）
予混合気＋点火プラグあり
高温の圧縮空気に燃料噴射で着火
等積燃焼
等圧燃焼
予混合燃焼（ガス漏時の爆発） 拡散燃焼（ロウソクと同じ）
圧縮比は低い：10＋α程度
圧縮比の制限はない
マツダ SKYACTIV の挑戦 http://wattandedison.com/general2.html

世界初の蒸気船とディーゼル船

蒸気船 Clermont号 （1807）
http://www.henrylivingston.com/history/clermont/index.htm
ディーゼル船 Selandia号 （1912）
https://en.wikipedia.org/wiki/MS_Selandia
Rudolf Diesel に関する参考文献
 E. ディーゼル、G. ゴルドベック、F. シルドベルゲル (山田勝哉訳)：エンジンからクルマへ（原著1957）、山海堂 1984 （山海堂は倒産：本書はたいへん面白い本）
 R. ディーゼル (山岡茂樹訳)：ディーゼルエンジンはいかにして生み出されたか （原著1913）、
山海堂 1993 （本書はDiesel研究者用の本）
 鈴木孝：ディーゼルエンジンと自動車 ─影と光 生い立ちと未来─、三笠書房 2008

自動車のパイオニア （ドイツ）

Gottlieb Daimler Wilhelm / Karl Maybach
1834-1900
1846-1929 1879-1960

Karl Benz
1844–1929

ビールブレーク：それではMercedesは？
On June 23, 1902 'Mercedes' was registered as a brand nameEmil Jellinek (1853-1918)

Mercedes Jellinek (1889-1929)

https://www.mercedes-benz.com/en/mercedes-benz/classic/history/emil-jellinek/

Henry Ford (1863~1947)
Model T : Mass Production
Production time of a complete chassis andprice1908 :
728 minutes$1000
1914:
every 93 minutes$360
Later:every 24 seconds$280
By 1927 nearly 15,500,000 were sold out inthe US alone
In 1914, Ford began paying his employees
five dollars a day, nearly doubling the wages
offered by other manufacturers. He cut theworkday from nine to eight hours in order toconvert the factory to a three-shift workday.
http://inventors.about.com/library/inventors/blford.
htm
http://www3.mistral.co.uk/a.davies/thehenryford.htmガスタービンのサイクル
p

燃焼V

連続燃焼
燃料：ケロシンなど
高温の圧縮空気に燃料噴射で着火
等圧燃焼
拡散燃焼（ロウソクと同じ）
圧縮比の制限はない
吉田英生：George Brayton とその時代、日本ガスタービン学会誌、37巻3号、2009年5月 http://www.wattandedison.com/GT-Brayton.pdf

ジェットエンジン（航空機用ガスタービン）の父

Sir Frank Whittle(1907-1996),
EnglandPatent: 1930
The W.1 turbojet engine

Hans von Ohain(1911-1998),
Germany
From 1933~
The He S-3 engine

The Gloster E28/39 aircraft (1941) First jet aircraft, Heinkel He-178(1939)
http://wattandedison.com/GT-Whittle.pdf
http://wattandedison.com/GT-von_Ohain.pdf

ターボファンエンジン（高バイパス比）

コーヒーブレーク: 最新のジェットエンジン

Rolls-Royce’s Trent 1000

General Electric’s GEnx

http://www.rolls-royce.com/products-and-services/civilaerospace/products/civil-large-engines/trent-1000/trent-1000-ar.aspx
http://www.geaviation.com/engines/commercial/genx/

Jumbo Jet ：Apollo 11と同じ1969年生まれ

Airbus A380-800 (2005- ) 空虚重量：277 t 最大離陸重量：560 t

Boeing 747-8 (1969- ) 空虚重量：213 t 最大離陸重量：442 t

500人を乗せ欧州でも米国東海岸でも12時間
石油というエネルギー源とジェットエンジンという動力機械の発明によってもたらされた奇跡：1969年のジャンボ以来、40年以上経っても基本的には変わっていない─今後も変わらないのではないか

欧米旅行片道：一人あたりドラム缶２本

ETOPS = Extended-range Twin-engine Operational
Performance Standards：1953年には60分→2014年には330分

７．電気の時代に

NY Pearl Streetでの蒸気機関による初の集中発電 (1882)

電流戦争 （General Electric vs Westinghouse）

DC
Thomas Edison(1847-1931)[ Henry Ford(1863~1947) ]AC

Nikola Tesla (1856-1943)
GeorgeWestinghouse(1846 - 1914 )Adams 発電所（Niagara）
AC採用1895京都（大阪）⇄東京の所要エネルギー （１人当たり）
方法
時間
[MJ]
徒歩 （1日あたりの食事：2500kcal）
15日
160
新幹線 （N700系：満席）
2時間30分 200
自動車 （18km/L：4名乗車）
6時間
240
飛行機 （Boeing777-200：満席）
45分
580
注）新幹線は発電効率を50％として電気エネルギーを一次エネルギーに換算

８．むすびにかえて京都大学 大学院 工学研究科
航空宇宙工学専攻 熱工学研究室

ロゴデザインの背景となったエッセー
内田幹樹：『機長からアナウンス 第2便』
http://www.shinchosha.co.jp/ebook/E645451/

それが理想なんだと思う。たとえば滑走路が風向きに応じてグルリと動いてくれても良いが、滑走路が直径三〇〇〇メートルの円だったら最高だ。それなら風向きに応じてどんな方角からでも降りられるし、世界一安全な飛行場の完成となる。ター
ミナルはその地下に作ってもいいし、円の外に作ってもいい。(160ページ)
２００８年１月６日作成／２０１５年４月１２・２９日改訂

最新記事：アポロ計画をふりかえる （伝熱：2016年7月号）
http://wattandedison.com/article.html