カロリーとジュールという熱量の単位

新進気鋭（しんしんきえい）
→ その分野に新しく現れて、勢いが盛んであり将来が期待されること。

勢いを生むには欠かせないものがある。

それが熱量だ。

裏を返せば、熱量がないところに勢いは生まれないといっても過言ではないだろう。

ということで、抽象的な熱量について語るのもいいのだが、具体的なエネルギーの単位について学んでいこう。

エネルギーの単位

エネルギーとは、なにかを動かしたり、物質を温めたりするのに使われる力のことを言う。

例えば、飛行機を飛ばしたり、自転車をこいだり、お湯を沸かしたりするのにエネルギーが必要だ。

そんなエネルギーの単位は、カロリーとジュールが使われることが一派的だ。

カロリーは聞き慣れていても、ジュールは初めて聞いたという人も多いのではないだろうか。

ジュールは、国際単位系（SI単位）でエネルギーを表す基本的な単位で、科学や工学の分野ではよく使われる。

一方で、カロリーは日常生活や食事のエネルギー量を表すときによく使われる。

そして、カロリーとジュールの間には以下のような換算関係がある。

1カロリー = 約4.184ジュール

これは、「1カロリーのエネルギーは約4.184ジュールのエネルギーと同じ」という意味だ。

つまり、カロリーとジュールは単にエネルギーを表すのに使われる違う単位で、互いに換算することが可能だ。

例えば、アイスクリームが200カロリーだとすると、そのエネルギー量は約836.8ジュール（200カロリー × 4.184）ということになる。

ただし、日本の食品表示では大単位のキロカロリーが「カロリー」と表記されることが多く、これが一般的な話題での「カロリー」となるてんには留意が必要だ。

なので、食品のカロリー表示で200カロリーとあれば、それは200キロカロリーを指し、換算すると約836,800ジュール（200,000カロリー × 4.184）となる。

このように、エネルギーの大きさは同じでも、どの単位で表すかによってその数値は変わるのである。

エネルギーや熱量という概念が生まれた経緯

それでは、そもそもエネルギーという概念はいつからあるのだろうか。

エネルギーという概念は、19世紀の科学者によって考案されたと言われている。

特にジェームズ・プレスコット・ジュールという科学者がエネルギー保存の法則を発見し、エネルギーの単位であるジュールにその名が付けられたことが有名だ。

彼はエネルギーが形を変えることはできても、消えたり新たに作られたりすることはないという重要な原則を証明した。

この法則は、熱量を計算する基本的な原則となっている。

また、熱量の概念自体は、食物の消化によるエネルギーの生産を初めて科学的に調査した19世紀の化学者、ウィリアム・プラウトとジュストゥス・フォン・リービッヒによって発展した。

人間の身体が食物からエネルギーを取り出す方法を研究し、その結果を初めてカロリーという単位で測定したのである。

エネルギーと熱量の違い

より深掘りしていくと、エネルギーと熱量には下記のような違いがある。

エネルギー

エネルギーは仕事をする能力を表す一般的な概念で、その形態は様々だ。

• 運動エネルギー：動いているもの

• ポテンシャルエネルギー：位置や状態によるエネルギー

• 化学エネルギー：化学反応によって生じるエネルギー

• 電磁エネルギー：電磁場によるエネルギー

• 核エネルギー：原子核の変換によるエネルギー

上述したのが全てではないが、エネルギーは物理法則により保存され、一種類のエネルギーから別の種類のエネルギーに変換することができるのが特徴だ。

熱量

熱量は熱エネルギーの量を表し、特に物体が他の物体に熱を移すときや、物体が自分自身で熱を生成するときに生じるエネルギーの量を指す。

具体的には、ある物質が化学反応を起こすときや、物体が摩擦により熱を生じるときなどに考えられる。

また、熱量はジュールで表され、物質の状態変化や温度変化を引き起こすため、熱力学や物理学で重要な概念となる。

要するに、エネルギーは仕事をする能力全般を指し、その形態は様々だ。

一方で、熱量はその一部であり、特に熱の移動や生成によるエネルギーの変化を指すといった理解をすればいいだろう。

カロリーとジュールの深掘り

ということで、再びエネルギーの単位であるカロリーとジュールという単位の話に戻ろう。

2つの単位に慣れるためにももう少し深掘りしておこうと思う。

カロリー

上述したとおり、熱量とはエネルギーの一種で、食べ物を身体が消化してエネルギーに変えるときにどれだけのエネルギーが出るかを表すものだ。

そして、食べ物のエネルギーはカロリーという単位で表されることがほとんどだ。

例えば、りんご1つを食べると約60カロリーのエネルギーが得られる。

このカロリーの算出方法、つまりエネルギーの計算方法は少々複雑で、特に食品のカロリー計算は専門的な機器と知識が必要だ。

一般的な方法を簡単に説明すると、タンパク質、脂肪、炭水化物の3つの栄養素がエネルギー源となる。

それぞれのエネルギー量は下記のとおりだ。

• タンパク質：1グラムあたり約4カロリー

• 脂肪：1グラムあたり約9カロリー

• 炭水化物：1グラムあたり約4カロリー

これらの情報を使って、食品のカロリーを計算することができるというわけだ。

例えば、10グラムのタンパク質、20グラムの脂肪、30グラムの炭水化物が含まれる食品のカロリーの算出方法は下記のとおりになる。

（10グラム × 4カロリー/グラム）+（20グラム × 9カロリー/グラム）+（30グラム × 4カロリー/グラム）= 340カロリー

ということで、ジュールの話に進める。

ジュール

物理学における熱量とは、ある物体が他の物体に熱を移すとき、または物体が自分自身で熱を生成するときに生じる熱エネルギーの量を表す。

この熱量をジュールで表すのが一般的だという話だ。

例えば、ある物質が化学反応を起こすとき、反応によって熱が発生したり吸収されたりする。

このときの熱エネルギーの変化が熱量だ。

この熱量は物質の状態変化や温度変化を引き起こすため、熱力学や物理学で非常に重要な概念となる。

そして、熱量の算出方法は一般的には下記の数式が使われる。

Q = mcΔT

• Q ：熱量（ジュール）

• m ：物質の質量（キログラム）

• c ：比熱（ジュール / キログラム・ケルビン）

• ΔT ：温度変化（ケルビン）

それぞれの値を記すと上記のとおりで、比熱とは、1キログラムの物質が1ケルビンだけ温度を変えるのに必要なエネルギーの量を表すものだ。

また、各物質はその性質によって比熱が異なる。

この数式を使うと、例えば特定の物質が一定の温度から別の温度に変わるときに必要な熱量、または発生する熱量を計算することができるというわけだ。

これが物理学における熱量の基本的な概念だ。

そして、その単位であるジュールが使われる場面は下記が代表例となる。

1）物理学

物体の運動エネルギーやポテンシャルエネルギー（位置エネルギー）、熱エネルギーなどを計算する際にジュールが使われる。

例えば、物体が高さhから落下するときのエネルギーは重力加速度gと物体の質量mを使って「mgh」ジュールと計算できる。

2）電気学

電気エネルギーもジュールで表される。

電圧（ボルト）と電流（アンペア）と時間（秒）をかけると電気エネルギー（ジュール）が得られる。

この関係は電気の使用量を計算するのに使われる。

3）熱力学

物質が熱を吸収または放出するときには、そのエネルギー変化を計算するためにジュールが使われる。

例えば、水を沸騰させるのに必要なエネルギーはジュールで計算できる。

4）化学

化学反応でのエネルギーの変化（反応熱）はジュールで表される。

この反応熱は、反応が発熱反応か吸熱反応かを判断するのに使われる。

まとめ

エネルギーとその単位であるカロリーとジュールについてまとめてみたが、なんとなくその世界を理解することができたのではないだろうか。

こういった物理学、電気学、熱力学、化学といったカテゴリの知識については、多くの人が挫折したのではないだろうか。

かくいう私も、このあたりは最初から難しいと思い込んでいて、手を出すことはなかった。

その背景には、理系と文系といった具合いに無意味な差別化をする日本の教育があったり、興味を持つように教えられない先生がほとんどだということに問題があるのだと思う。

ただ、そこを指摘するということは、ある意味で学ぶことを拒絶して逃げているだけだとも言える。

大人になってからでも興味を持ったことは、一度は調べたり学んだりという姿勢を忘れてはいけない。

専門家になる必要はないが、少しでも知見のあるカテゴリが多ければ、それだけで人生を豊かにすることに繋がるはずだ。

人間の脳はよくできていて、自分が興味のあることや好きなことは、なんとなくでも記憶してくれる。

1回で理解できなくても、最低でも3回はトライはしてみよう。

それでも理解できないものは無視すればいい。

それが私のマインドになっている。

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植田 振一郎 Twitter