i

目次
第1章 緒論
1・1 エネルギーの形態 ..................................................................................................................................... 1
1・1・1 力学的エネルギー（機械エネルギー） ....................................................................................... 1
1・1・2 熱エネルギー ................................................................................................................................... 2
1・1・3 電気的エネルギー ........................................................................................................................... 2
1・1・4 光エネルギー ................................................................................................................................... 3
1・1・5 化学エネルギー ............................................................................................................................... 3
1・1・6 核エネルギー ................................................................................................................................... 4
1・2 エネルギー変換の可能性.......................................................................................................................... 41・3 エネルギー資源 ......................................................................................................................................... 5
1・3・1 化石燃料 ........................................................................................................................................... 5
1・3・2 バイオマスと廃棄物 ....................................................................................................................... 6
1・3・3 核燃料............................................................................................................................................... 6
1・3・4 自然エネルギー ............................................................................................................................... 7
1・3・5 二次エネルギー源 ........................................................................................................................... 7
1・3・6 一次エネルギー源の構成 ............................................................................................................... 8
1・3・7 わが国のエネルギーフロー ........................................................................................................... 9
1・4 エネルギーの環境への影響.................................................................................................................... 10
1・4・1 人間の活動による熱エネルギーの増加 ..................................................................................... 10
1・4・2 熱エネルギーの増加による地域への影響 ................................................................................. 11
1・4・3 エネルギー資源物質の影響 ......................................................................................................... 11
1・4・4 エネルギー資源に付随する物質の影響 ..................................................................................... 11
1・4・5 排出物，廃棄物の影響 ................................................................................................................. 12
1・4・6 温室効果ガスと地球温暖化問題 ................................................................................................. 13
エネルギー基礎編
第2章 機械エネルギー
2・1 力学的エネルギー ................................................................................................................................... 15
2・1・1 仕事と位置エネルギー ................................................................................................................. 15
2・1・2 運動エネルギー ............................................................................................................................. 16
2・1・3 抵抗力によるエネルギー ............................................................................................................. 17
2・1・4 動力................................................................................................................................................. 17
2・2 力学的エネルギー保存の法則 ................................................................................................................ 17
2・2・1 質点の移動 ..................................................................................................................................... 17
2・2・2 振動問題の解析 ............................................................................................................................. 18
2・2・3 エネルギーを用いた運動方程式の導出 ..................................................................................... 192・3 連続体のエネルギー ............................................................................................................................... 202・3・1 棒のひずみエネルギー ................................................................................................................. 202・3・2 棒の衝撃引っ張り ......................................................................................................................... 202・3・3 せん断およびねじり弾性エネルギー ......................................................................................... 212・3・4 曲げ弾性ひずみエネルギー ......................................................................................................... 222・3・5 弾性体の一般的なひずみエネルギー ......................................................................................... 23
2・3・6 カスチリアノの定理と変位の計算法 ......................................................................................... 24
2・3・7 連続体の運動エネルギー ............................................................................................................. 242・3・8 エネルギー法による連続体の振動解法 ..................................................................................... 252・4 塑性エネルギー ....................................................................................................................................... 25
2・5 機械エネルギーを利用した装置 ............................................................................................................ 26
演習問題 ............................................................................................................................................................... 27
第3章 熱エネルギー
3・1 熱エネルギーと温度 ............................................................................................................................... 31
3・1・1 熱力学第0法則 ............................................................................................................................... 31
3・1・2 熱力学的温度，絶対温度，分子論的温度 ................................................................................. 31
3・1・3 熱量................................................................................................................................................. 32
3・2 熱力学第1法則 ......................................................................................................................................... 32
3・2・1 内部エネルギー ............................................................................................................................. 32
3・2・2 密閉系における熱力学第1法則 ................................................................................................... 33

ii

3・2・3 開放系における熱力学第1法則 ................................................................................................... 34
3・2・4 内部エネルギーとエンタルピー ................................................................................................. 35
3・3 熱力学第2法則 ......................................................................................................................................... 37
3・3・1 サイクル ......................................................................................................................................... 373・3・2 可逆サイクルと不可逆サイクル；カルノーの定理.................................................................. 38
3・3・3 エントロピー ................................................................................................................................. 39
3・4 エクセルギー ........................................................................................................................................... 40
3・4・1 最大仕事と自由エネルギー ......................................................................................................... 40
3・4・2 エクセルギー ................................................................................................................................. 41
3・5 物質の性質 ............................................................................................................................................... 42
3・5・1 相律................................................................................................................................................. 42
3・5・2 状態面............................................................................................................................................. 43
3・5・3 状態変化 ......................................................................................................................................... 44
3・6 流れと熱エネルギー ............................................................................................................................... 46
演習問題 ............................................................................................................................................................... 50
第4章 電気エネルギー
4・1 電気エネルギーの特徴 ........................................................................................................................... 55
4・2 電磁場の基本的性質 ............................................................................................................................... 56
4・2・1 電磁場の基本方程式 ..................................................................................................................... 56
4・2・2 電磁場の積分形式 ......................................................................................................................... 57
4・2・3 静電場の方程式 ............................................................................................................................. 57
4・2・4 静磁場の方程式 ............................................................................................................................. 58
4・2・5 電磁誘導 ......................................................................................................................................... 59
4・2・6 変位電流と電荷保存の法則 ......................................................................................................... 61
4・2・7 電磁波............................................................................................................................................. 61
4・2・8 電磁場のエネルギー ..................................................................................................................... 624・3 電場のエネルギー ................................................................................................................................... 63
4・3・1 静電エネルギー ............................................................................................................................. 63
4・3・2 コンデンサと静電容量 ................................................................................................................. 64
4・4 磁場のエネルギー ................................................................................................................................... 65
4・4・1 静磁エネルギー ............................................................................................................................. 65
4・4・2 コイルとインダクタンス ............................................................................................................. 65
4・4・3 コイル系の保有するエネルギー ................................................................................................. 66
4・5 電磁気力 ................................................................................................................................................... 67
4・5・1 物質に働く力 ................................................................................................................................. 67
4・5・2 ローレンツ力 ................................................................................................................................. 67
4・5・3 仮想変位の方法（エネルギーの保存則） ................................................................................. 68
4・5・4 マックスウェルの応力 ................................................................................................................. 70
演習問題 ............................................................................................................................................................... 71
第5章 光エネルギー
5・1 原子による光の放射 ............................................................................................................................... 77
5・1・1 水素のスペクトル ......................................................................................................................... 77
5・1・2 物質波............................................................................................................................................. 78
5・1・3 ボーアの水素モデル ..................................................................................................................... 79
5・2 黒体輻射 ................................................................................................................................................... 81
5・2・1 レイリー・ジーンズの式 ............................................................................................................. 82
5・2・2 ウィーンの式 ................................................................................................................................. 83
5・2・3 プランクの式 ................................................................................................................................. 84
5・3 光電効果 ................................................................................................................................................... 86
演習問題 ............................................................................................................................................................... 87
第6章 化学エネルギー
6・1 はじめに ................................................................................................................................................... 91
6・2 原子の結合エネルギー ........................................................................................................................... 91
6・3 化学反応と反応熱 ................................................................................................................................... 92
6・4 化学反応による最大仕事........................................................................................................................ 94
6・5 化学ポテンシャルと化学平衡 ................................................................................................................ 96
6・6 化学反応速度 ......................................................................................................................................... 100

iii

演習問題 ............................................................................................................................................................. 101
第7章 核エネルギー
7・1 核エネルギーの発生 ............................................................................................................................. 105
7・2 核反応 ..................................................................................................................................................... 106
7・2・1 放射性崩壊 ................................................................................................................................... 106
7・2・2 原子核が他の粒子との衝突によって核エネルギーを生み出す典型的な核反応 ................ 108
7・3 原子炉のしくみと本質的な安全性 ...................................................................................................... 110
7・3・1 核分裂連鎖反応の成立条件 ....................................................................................................... 110
7・3・2 炉心の大きさ ............................................................................................................................... 110
7・3・3 臨界............................................................................................................................................... 110
7・3・4 制御棒........................................................................................................................................... 1117・3・5 崩壊熱........................................................................................................................................... 112
7・3・6 原子炉炉心の熱流動特性 ........................................................................................................... 112
7・3・7 沸騰水型軽水炉の本質的な安全性 ........................................................................................... 113
7・3・8 軽水炉の工学的安全施設 ........................................................................................................... 114
演習問題 ........................................................................................................................................................ 115
第8章 エネルギーの移動
8・1 熱エネルギー：熱力学と伝熱学 .......................................................................................................... 117
8・2 熱伝導 ..................................................................................................................................................... 118
8・2・1 マクロな視点から：拡散現象とフーリエの法則.................................................................... 118
8・2・2 気体の熱伝導 ............................................................................................................................... 119
8・2・3 液体の熱伝導 ............................................................................................................................... 120
8・2・4 固体の熱伝導 ............................................................................................................................... 120
8・3 電気伝導と熱伝導 ................................................................................................................................. 121
8・3・1 自由電子 ....................................................................................................................................... 121
8・3・2 電気伝導度 ................................................................................................................................... 122
8・3・3 金属の熱伝導率 ........................................................................................................................... 122
8・4 対流熱輸送 ............................................................................................................................................. 123
8・4・1 流れの中におかれた物体表面での熱伝達 ............................................................................... 123
8・4・2 境界層とプラントル数 ............................................................................................................... 123
8・4・3 レイノルズ数 ............................................................................................................................... 124
8・4・4 熱伝達率とヌセルト数 ............................................................................................................... 124
8・4・5 沸騰伝熱と凝縮伝熱 ................................................................................................................... 125
8・5 ふく射熱輸送 ......................................................................................................................................... 125
8・5・1 黒体とステファン・ボルツマンの法則 ................................................................................... 125
8・5・2 入射する熱ふく射の吸収・反射・透過 ................................................................................... 127
演習問題 ............................................................................................................................................................. 127
エネルギーシステム編
第9章 機械エネルギーと電気エネルギーの変換
9・1 電気エネルギーと機械エネルギー ...................................................................................................... 129
9・2 電磁場を介したエネルギー変換の基礎原理 ...................................................................................... 129
9・2・1 電気機械エネルギー変換の基本原理 ....................................................................................... 129
9・2・2 静電機械と電磁機械 ................................................................................................................... 131
9・2・3 磁気回路 ....................................................................................................................................... 132
9・2・4 磁気回路の磁気エネルギー ....................................................................................................... 134
9・2・5 電気機械結合系における力 ....................................................................................................... 135
9・2・6 磁気エネルギーと電磁力 ........................................................................................................... 137
9・2・7 回転トルクとエネルギー ........................................................................................................... 139
9・3 電磁場を介したエネルギー変換 .......................................................................................................... 139
9・3・1 電磁機械の基本構成 ................................................................................................................... 139
9・3・2 回転機のインダクタンスと起磁力分布 ................................................................................... 140
9・3・3 固定子コイル ............................................................................................................................... 141
9・3・4 回転磁場と交番磁場 ................................................................................................................... 142
9・3・5 対称三相巻線による回転磁場 ................................................................................................... 142
9・3・6 同期速度 ....................................................................................................................................... 143
9・3・7 交流機の誘導起電力 ................................................................................................................... 143

iv

9・3・8 回転トルク ................................................................................................................................... 144
9・4 電気機器と基本特性 ............................................................................................................................. 144
9・4・1 発電機の種類 ............................................................................................................................... 144
9・4・2 同期機の特性 ............................................................................................................................... 146
9・4・3 直流機の特性 ............................................................................................................................... 147
9・4・4 誘導機の特性 ............................................................................................................................... 149
9・4・5 車載動力用モータ ....................................................................................................................... 150
9・4・6 回転機の機械的大きさと出力係数 ........................................................................................... 151
9・5 電力の変換・制御とパワーエレクトロニクス .................................................................................. 152
9・5・1 電力の変換・制御 ....................................................................................................................... 152
9・5・2 電力用半導体素子 ....................................................................................................................... 153
9・5・3 電力変換装置 ............................................................................................................................... 153
9・5・4 パワーエレクトロニクスの応用分野 ....................................................................................... 154
第10章 化学エネルギーから熱エネルギーへの変換
10・1 燃料の化学エネルギー........................................................................................................................ 155
10・1・1 発熱量........................................................................................................................................... 155
10・1・2 当量比........................................................................................................................................... 157
10・1・3 熱効率........................................................................................................................................... 159
10・2 燃焼と火炎 ........................................................................................................................................... 159
10・2・1 予混合燃焼と拡散燃焼 ............................................................................................................... 159
10・2・2 燃焼速度 ....................................................................................................................................... 161
10・2・3 噴霧火炎 ....................................................................................................................................... 162
10・2・4 石炭燃焼 ....................................................................................................................................... 163
10・3 燃焼生成物と有害排出物.................................................................................................................... 164
10・3・1 燃焼生成物 ................................................................................................................................... 164
10・3・2 消炎と燃焼排出物 ....................................................................................................................... 164
10・3・3 窒素酸化物 ................................................................................................................................... 165
10・3・4 SOxとダイオキシン類 .............................................................................................................. 166
10・4 燃焼装置と熱エネルギー利用 ............................................................................................................ 167
10・4・1 ボイラ........................................................................................................................................... 167
10・4・2 燃焼装置と保炎 ........................................................................................................................... 167
10・4・3 燃焼負荷と燃焼効率 ................................................................................................................... 168
10・4・4 熱エネルギーの変換プロセス ................................................................................................... 169
演習問題 ............................................................................................................................................................. 170
第11章 機械エネルギーと熱エネルギーの変換
11・1 はじめに ............................................................................................................................................... 177
11・2 熱機関 ................................................................................................................................................... 178
11・2・1 熱機関の分類 ............................................................................................................................. 178
11・2・2 往復運動機関の基本動作 ......................................................................................................... 179
11・2・3 往復運動機関の理想サイクル ................................................................................................. 180
11・2・4 サイクル解析 ............................................................................................................................. 183
11・2・5 ガスタービン ............................................................................................................................. 184
11・2・6 ターボジェットエンジン ......................................................................................................... 187
11・2・7 ロケットエンジン ..................................................................................................................... 191
11・2・8 蒸気タービン ............................................................................................................................. 194
11・3 冷凍機及びヒートポンプ .................................................................................................................... 195
11・3・1 冷凍サイクルの種類 ................................................................................................................. 195
11・3・2 蒸気圧縮式冷凍サイクル ......................................................................................................... 195
11・3・3 吸収式冷凍サイクル ................................................................................................................. 196
第12章 熱エネルギーと電気エネルギーの変換
12・1 電気エネルギーと熱エネルギー ........................................................................................................ 197
12・2 熱電子発電 ........................................................................................................................................... 197
12・2・1 仕事関数と起電力 ..................................................................................................................... 197
12・2・2 空間電荷の影響 ......................................................................................................................... 198
12・2・3 熱電子発電器の出力と効率 ..................................................................................................... 199
12・3 熱電変換 ............................................................................................................................................... 199
12・3・1 熱電効果 ..................................................................................................................................... 199

v

12・3・2 半導体の熱電能 ......................................................................................................................... 202
12・3・3 熱電発電器の出力と効率 ......................................................................................................... 202
12・4 磁気冷凍 ............................................................................................................................................... 205
12・4・1 磁気熱量効果 ............................................................................................................................. 205
12・4・2 磁気冷凍サイクル ..................................................................................................................... 205
12・5 電磁流体力学発電（MHD発電） ...................................................................................................... 205
12・5・1 MHD発電の原理........................................................................................................................ 205
12・5・2 MHD発電の種類........................................................................................................................ 207
12・5・3 MHD発電の利用........................................................................................................................ 207
12・6 電気加熱 ............................................................................................................................................... 207
12・6・1 加熱方式 ..................................................................................................................................... 207
12・6・2 電気加熱の特長 ......................................................................................................................... 208
12・6・3 電気加熱の方式と原理 ............................................................................................................. 208
第13章 電気化学エネルギー変換
13・1 電気化学エネルギー変換.................................................................................................................... 211
13・1・1 電気化学エネルギー変換とその種類 ..................................................................................... 211
13・1・2 ギブスの自由エネルギー変化とセルの開回路電圧.............................................................. 211
13・1・3 電池反応に伴う損失 ................................................................................................................. 213
13・2 一次電池と二次電池 ........................................................................................................................... 214
13・2・1 一次電池 ..................................................................................................................................... 214
13・2・2 二次電池 ..................................................................................................................................... 215
13・3 燃料電池 ............................................................................................................................................... 217
13・3・1 燃料電池の構成と種類 ............................................................................................................. 217
13・3・2 燃料電池発電システム ............................................................................................................. 221
第14章 光エネルギーと電気エネルギーの変換
14・1 太陽電池 ............................................................................................................................................... 225
14・1・1 固体の電気特性 ......................................................................................................................... 225
14・1・2 半導体の電気特性 ..................................................................................................................... 226
14・1・3 キャリヤーの密度とエネルギー ............................................................................................. 226
14・1・4 n型およびp型半導体の性質 ..................................................................................................... 230
14・1・5 pn接合面の電界 ......................................................................................................................... 232
14・1・6 pn接合の基本特性 ..................................................................................................................... 233
14・1・7 太陽電池の特性 ......................................................................................................................... 234
14・1・8 太陽の輻射エネルギー ............................................................................................................. 235
14・1・9 太陽電池の種類 ......................................................................................................................... 235
14・1・10 宇宙開発で使用される太陽電池 ........................................................................................... 236
14・1・11 住宅用太陽電池 ....................................................................................................................... 236
14・2 レーザー ............................................................................................................................................... 237
14・2・1 自然放出と誘導放出 ................................................................................................................. 237
14・2・2 反転分布 ..................................................................................................................................... 241
14・2・3 増幅............................................................................................................................................. 242
14・2・4 共振器......................................................................................................................................... 242
14・2・5 核融合実験に使用されるレーザー ......................................................................................... 243
14・2・6 角度を計測するレーザー ......................................................................................................... 243
第15章 核エネルギーから電気エネルギーへの変換
15・1 軽水炉型原子炉を利用したエネルギー変換システム .................................................................... 245
15・1・1 沸騰水型原子力炉 ..................................................................................................................... 245
15・1・2 加圧水型原子力炉 ..................................................................................................................... 247
15・2 他の原子炉を利用したエネルギー変換システム ............................................................................ 247
15・2・1 高温ガス冷却炉 ......................................................................................................................... 247
15・2・2 高速増殖炉 ................................................................................................................................. 248
15・3 核融合炉を利用したエネルギー変換システム ................................................................................ 249
15・3・1 ブランケットの方式 ................................................................................................................. 249
15・3・2 ブランケットの構造 ................................................................................................................. 250
15・3・3 トリチウム増殖 ......................................................................................................................... 250
15・3・4 熱エネルギー回収 ..................................................................................................................... 251

vi

第16章 自然エネルギー，バイオマスエネルギー及び廃棄物エネルギーの利用
16・1 自然エネルギーによる発電................................................................................................................ 253
16・1・1 水力発電 ..................................................................................................................................... 254
16・1・2 風力発電 ..................................................................................................................................... 255
16・1・3 波力発電 ..................................................................................................................................... 256
16・1・4 潮汐発電，潮流発電，および海流発電 ................................................................................. 258
16・1・5 地熱発電 ..................................................................................................................................... 258
16・1・6 太陽熱発電 ................................................................................................................................. 259
16・1・7 海洋温度差発電 ......................................................................................................................... 261
16・1・8 太陽光発電 ................................................................................................................................. 262
16・2 バイオマスエネルギー，廃棄物エネルギーの利用 ........................................................................ 262
16・2・1 バイオマスエネルギーの利用 ................................................................................................. 262
16・2・2 廃棄物エネルギーによる発電 ................................................................................................. 263
第17章 エネルギーの輸送と貯蔵
17・1 エネルギーの輸送 ............................................................................................................................... 265
17・1・1 化石燃料の輸送 ......................................................................................................................... 265
17・1・2 電気エネルギーの輸送 ............................................................................................................. 266
17・1・3 熱エネルギーの輸送 ................................................................................................................. 267
17・1・4 超伝導利用 ................................................................................................................................. 267
17・1・5 水素輸送 ..................................................................................................................................... 267
17・1・6 マイクロ波送電 ......................................................................................................................... 268
17・2 エネルギーの貯蔵 ............................................................................................................................... 268
17・2・1 電気エネルギーの貯蔵 ............................................................................................................. 269
17・2・2 熱エネルギーの貯蔵 ................................................................................................................. 273
索引 ......................................................................................................................................................................... 275