エネルギー — 形は変わっても総量は同じ

1.運動エネルギーと位置エネルギー

エネルギーとは仕事をする能力のことです。単位はJ（ジュール）です。動いている物体がもつエネルギーを運動エネルギー、高いところにあるためにもつエネルギーを（重力による）位置エネルギーといいます。

運動エネルギーは速さの二乗に比例します。そのため速さが2倍になると運動エネルギーは4倍になります。自動車が速いほど制動距離が急に伸び、事故の被害が大きくなる理由はここにあります。位置エネルギーは質量と高さに比例します。

2.エネルギーの保存と変換

エネルギーは新しくつくられたりなくなったりせず、ある形から別の形に変わるだけで、全体の量は一定です。これがエネルギー保存の法則です。これまでにこの法則に反する現象は見つかっていません。

ジェットコースターは頂上で位置エネルギーがもっとも大きく、下るにつれてそれが運動エネルギーに変わります。空気抵抗や摩擦がなければ、両者の和（力学的エネルギー）は一定に保たれます。実際には一部が熱や音に変わるので、ジェットコースターの二つ目の山は最初の山より低くつくられています。

身のまわりの機器は、どれもエネルギーを変換する装置です。電子レンジは電気エネルギーを電磁波に変え、食べ物の中の水分子をゆさぶって熱を生みます。スマートフォンを充電すると、電気エネルギーは電池の中に化学エネルギーとしてたくわえられ、使うときにふたたび電気エネルギーに変わって光や音になります。人は食べ物の化学エネルギーで筋肉を動かしています。

3.仕事と仕事率

科学でいう仕事とは、物体に力を加えて、その力の向きに動かすことです。仕事の量は力と移動距離をかけて求め、単位はエネルギーと同じJです。重いかばんを持ってじっと立っていると腕は疲れますが、かばんは動いていないので、科学的な意味での仕事は0です。

仕事率は1秒間にする仕事の量、つまりどれだけ速く仕事をするかです。単位はW（ワット）で、1 Wは1秒に1 Jの仕事をすることです。同じ階段を歩いて上っても走って上っても仕事は同じですが、走れば時間が短いので仕事率は大きくなります。

4.電力量kWh — 電気料金の単位

電気製品に書かれている消費電力（W）は、仕事率と同じ考え方です。1秒に電気エネルギーをどれだけ使うかを表します。実際に使ったエネルギーの量である電力量は、消費電力に使用時間をかけて求めます。

Jは生活で使うには小さすぎる単位なので、電気料金はkWh（キロワット時）で数えます。1 kWhは1000 Wを1時間使ったときの電力量で、1000 W × 3600 s = 3,600,000 J です。検針票や明細の使用量がまさにこのkWhです。

5.熱と効率

熱は温度の高いところから低いところへ移動するエネルギーです。温度は物質をつくる粒子がどれだけ活発に動いているかを表す値で、熱はその差によって移っていくエネルギーの量だという点で、両者は別の概念です。

エネルギーが変換されるときは、ほとんどいつも一部が熱として散らばり、散らばった熱はふたたび集めて使うのが難しくなります。そこで、入れたエネルギーのうち目的の形で出てきた割合を効率といいます。白熱電球は電気の大部分を熱として出し、一部だけを光に変えますが、LED照明は同じ明るさをはるかに少ない電力で出します。スマートフォンを充電するとき、充電器や本体が温かくなるのも、失われたエネルギーが熱として出ているからです。

冷蔵庫やエアコンは、熱を冷たいところから熱いところへ運ぶ装置です。熱は自然にはそのように移動しないので、電気エネルギーを使って冷媒を循環させます。冷蔵庫の裏や室外機から暖かい風が出るのは、中から取り出した熱と機械が使ったエネルギーがいっしょに外へ出てくるからです。