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ジュール熱と電力

1841

James Prescott Joule

（画像はイメージです）

Joule heating, or ohmic heating, is the phenomenon where heat is produced by an electric current passing through a conductor. The rate of heat generation, or power dissipated ([latex]P[/latex]), is given by Joule’s 第一法則、[latex]P = VI[/latex]。これと組み合わせるとオームの法則電力は、[latex]P = I^2 R[/latex] または [latex]P = frac{V^2}{R}[/latex] と表すことができます。

ジュール熱の物理的原理は、移動する電荷キャリア（電子）と導体のイオンとの相互作用です。電子は電場によって加速されると、物質の格子構造内のイオンと衝突します。衝突のたびに電子からイオンへ運動エネルギーが伝達され、イオンの振動エネルギーが増加します。この原子振動の増加が、導体の温度上昇として現れます。

この効果は加熱用途に利用される一方で、エネルギー損失の望ましくない原因となることも少なくありません。例えば、送電においては、[latex]P = I^2 R[/latex]の関係式が示すように、電力損失は電流の二乗に比例します。そのため、これらの「I二乗R」損失を最小限に抑えるために、長距離送電では非常に高い電圧と低い電流が用いられます。ジュール熱を理解することは、電子機器の熱管理において非常に重要であり、マイクロプロセッサなどの部品の過熱や故障を防ぐ上で不可欠です。

電気抵抗, 電気, 電磁気, エネルギー, 熱処理, パワーエレクトロニクス, 熱老化, 熱力学

UNESCO Nomenclature: 2205

電磁気学

タイプ

抽象システム

混乱

実質的な

使用法

広く普及している

前駆物質

オームの法則は、電圧、電流、抵抗の関係を定義する法則である。
の法律エネルギー保存の法則エネルギーは創造も破壊もできないことを確立する
ベンジャミン・フランクリンやハンフリー・デービーといった科学者による電気と熱に関する初期の実験

アプリケーション

電気式暖房器具とストーブ
白熱電球（フィラメントを加熱して発光させる）
電流が高すぎると溶けて回路を遮断するヒューズ
電気ケトル、トースター、ヘアドライヤー
航空機の翼や風防の除氷システム

特許:

潜在的なイノベーションのアイデア

self-regulating heating elements made from ptc materials that reduce power output as they heat up
transparent conductive films for smart windows that can be heated to prevent fogging
3d-printed food that is cooked from the inside out using controlled ohmic heating
rapid water sterilization systems for disaster relief that use joule heating to boil water efficiently
conductive textiles for heated clothing with integrated thermal safety cutoffs
precision thermal ablation tools for minimally invasive surgery
soil remediation techniques that use joule heating to vaporize contaminants
advanced fuse designs using materials with precisely engineered melting points
thermal management systems in high-power batteries that utilize controlled internal resistance heating for cold-weather performance
on-chip heaters for マイクロ流体 devices to control reaction temperatures

関連: ジュール加熱、オーム加熱、電力、電力損失、抵抗、I^2R損失、エネルギー変換、熱力学、電気ヒーター、ジェームズ・プレスコット・ジュール。

歴史的背景

レンツの法則

レンツの法則は、電磁誘導によって生じる誘導起電力（EMF）と誘導電流の方向を示します。この法則によれば、誘導電流は、それを生み出した磁束の変化に逆らう磁場を生成する方向に流れます。この原理はエネルギー保存の法則から導かれるものであり、ファラデーの法則における負の符号で表されます。

触媒作用

触媒作用とは、触媒と呼ばれる物質を加えることで化学反応の速度を上げるプロセスです。触媒は反応中に消費されず、変化しません。触媒は、活性化エネルギー（[latex]E_a[/latex]）の低い代替反応経路を提供することで作用し、全体の熱力学（[latex]Delta H[/latex]）を変化させることなく、正反応と逆反応の両方を加速します。

燃料電池

燃料電池は、燃料（通常は水素）と酸化剤（多くの場合酸素）の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学装置です。電池とは異なり、動作には燃料と酸化剤の継続的な外部供給が必要です。主要構成要素は、陽極、陰極、およびそれらを隔ててイオン輸送を促進する電解質です。

ジュール熱と電力

Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

理想気体の内部エネルギーとエンタルピー

理想気体の場合、内部エネルギー ([latex]U[/latex]) とエンタルピー ([latex]H[/latex]) は温度のみの関数です。それらの変化は [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] および [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex] で与えられます。ここで、[latex]c_v[/latex] と [latex]c_p[/latex] はそれぞれ定容比熱と定圧比熱であり、一定であると仮定されます。

Researcher testing viscoelastic properties of synthetic polymer in a laboratory.

粘弾性

粘弾性とは、変形時に粘性と弾性の両方の特性を示す材料の性質のことです。蜂蜜のような粘性材料は、せん断流に抵抗し、応力が加わると時間とともに直線的に歪みます。ゴムバンドのような弾性材料は、伸ばすと歪み、応力が取り除かれるとすぐに元の状態に戻ります。粘弾性材料は、これら両方の性質を併せ持っています。

Scientist measuring sublimation in a vintage laboratory, thermodynamics study.

昇華エンタルピー

昇華エンタルピー [latex]Delta H_{text{sub}}[/latex] は、特定の温度と圧力で 1 モルの物質を固体から気体に変化させるのに必要な熱量です。ヘスの法則によれば、エンタルピーは状態関数であるため、このエネルギー変化は融解エンタルピー ([latex]Delta H_{text{fus}}[/latex]) と蒸発エンタルピー ([latex]Delta H_{text{vap}}[/latex]) の合計になります。

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ハミルトン力学

一般化座標とその共役運動量を用いる古典力学の再定式化。これは、系の全エネルギーを表すハミルトニアン関数[latex]H(q, p, t)[/latex]に基づいている。動力学はハミルトン方程式[latex]dot{q}_i = frac{partial H}{partial p_i}[/latex]および[latex]dot{p}_i = -frac{partial H}{partial q_i}[/latex]によって記述される。この枠組みは量子力学および統計力学の中心となる。

ペルティエ効果

ペルティエ効果とは、2種類の異なる導体の接合部で発生する加熱または冷却現象のことです。2種類の異なる材料の接合部に直流電流が流れると、電流の方向に応じて、接合部で熱が放出または吸収されます。熱伝達速度は電流に比例します（[latex]Q = Pi cdot I[/latex]）。

ダニエル細胞操作

ボルタ電池を改良したダニエル電池は、多孔質隔壁で隔てられた、硫酸銅(II)溶液中の銅電極と硫酸亜鉛溶液中の亜鉛電極から構成されています。この2流体構造により、銅電極上での水素ガスの蓄積（分極）が防止され、より安定した信頼性の高い電圧源を長期間にわたって得ることができます。

Solar panel installation demonstrating the photovoltaic effect in solid state physics.

光起電力効果

光起電力効果とは、物質に光が照射された際に電圧と電流が発生する現象です。これは物理的かつ化学的な現象です。一般的な応用例としては太陽電池があり、これはこの効果を利用して太陽光を直接電気に変換します。この効果は、光子が電子をより高いエネルギー状態に励起することに基づいています。

19th century laboratory with thermodynamic instruments and Mayer's relation equations.

メイヤーの関係式（熱力学）

メイヤーの関係式は、理想気体の比熱と比気体定数（[latex]R_s[/latex]）の関係を表します。その関係式は [latex]c_p - c_v = R_s[/latex] です。モル比熱（[latex]C_p[/latex] および [latex]C_v[/latex]）については、[latex]C_p - C_v = R[/latex] の関係式となります。ここで、[latex]R[/latex] は普遍気体定数です。このことから、[latex]c_p[/latex] は常に [latex]c_v[/latex] より大きいことがわかります。

19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

エネルギー保存の法則

孤立系の全エネルギーは時間とともに一定に保たれるという基本原理。エネルギーは生成も消滅もせず、位置エネルギーから運動エネルギーのように、ある形態から別の形態へと変換されるだけである。古典力学では、保存力のみを持つ系の場合、全力学的エネルギー[latex]E = T + V[/latex]は保存される。

Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

粘度の温度依存性

ニュートン流体の場合、粘度は温度と圧力の関数であり、せん断速度の関数ではありません。液体では、温度が上昇すると粘度は著しく低下します。これは、熱エネルギーが高くなると、分子が分子間凝集力をより容易に克服できるためです。逆に、気体では、温度の上昇とともに粘度が増加します。これは、高速で分子衝突が頻繁に起こることで、運動量の伝達が大きくなるためです。