徒然なる地球温暖化：息抜き１－人間は「Matrix」に出てきた電池になれるか？
次回以降、地球温暖化の話で避けられないエネルギーの話をしたいので、その前に脱線してエネルギーの単位について雑談します。
ついでに、映画「Matrix」でAI文明がエネルギーの発電源としていた人間カプセル電池がAIを維持する容量になるか妄想します。
まず、エネルギーの単位の勉強です。
下の本に、種類の違うエネルギー源を比較した面白い設問があったので少し紹介します。
次のうち、1グラム当たりのエネルギーが最も高いのはどれでしょう？
・チョコチップクッキー
・水素
・TNT火薬
・パソコンの電池
・ウラン235
・石炭
・ガソリン
↓
↓
↓
↓
答えは、
こういう全く違う種類のエネルギーを比較するためには、エネルギーの単位を揃えないといけません。ここでは、1グラム当たりで得られるキロカロリー（kcal）で比較されています。カロリーは、エネルギーの単位の一つです。
意外ですが、1グラム当たりのカロリーは、弾丸やTNT火薬よりもチョコチップクッキーの方が高いですね。
火薬はエネルギーが高いわけでなく、わずかなエネルギーを瞬時に開放して強力な力を出すという瞬間タイプです。その他も比べてみると、ウラン235のエネルギーが一番高く、次に水素、ガソリン、石炭となります。
それぞれ、原子力発電、燃料電池、火力発電に使われる原料ですが、この数字を比較するだけでエネルギーの効率が良く分かります。石油は石炭の約2倍、水素は、石油の2.5倍、原子力は水素の100万倍効率がいいことになります。
コンビニで売っている食品の後ろにはカロリー表示がありますが、食べ物でない火薬やウランをどうやってカロリー表示するのでしょうか？
エネルギーには種類に応じて色々な単位がありますが、「カロリー」と「ジュール」、「ワット」などに換算して比較することができます。
食べ物のカロリーを見てみる
生き物が生きるのに必要なエネルギーは、コンビニで売っている食べ物のカロリーを見て考えることができます。
例えば、おにぎり、ポカリ、クランキーチョコ、ハンバーガーを、エネルギーの小さい順に並べたらどうなるでしょうか？
少し意外ですが、
ハンバーガー 125kcal
ポカリ 190kcal
おにぎり 250kcal
クランキーチョコ 260kcal
となり、ハンバーガーよりおにぎりの方がカロリーが高いことが判ります。
人は活動に必要なエネルギーを、炭水化物・脂質・たんぱく質の3大栄養素から得ています。人が1日に必要とするエネルギー（カロリー）については、まず次の式で標準体重を計算します。
標準体重（kg）＝身長（m）×身長（m）×22
例えば、身長が160㎝だった場合、標準体重は56.3kg程度です。
次に、1日の基礎代謝量を計算します。
基礎代謝量とは、安静にしていても消費される最小エネルギーのことです。
1日の基礎代謝量＝性・年齢別基礎代謝基準値（表より）×標準体重
で求められ、例えば、体重56.3kg、年齢18～29歳の女性の場合、1日の基礎代謝量は1329kcal となります。
さらに、1日のエネルギー必要量は、
1日のエネルギー必要量＝1日の基礎代謝量×身体活動の強さ
で求められ、体重56.3kg、年齢18～29歳の女性が普通に生活している場合、
1日のエネルギー必要量は、1329×1.75＝2325kcal となります。
これは、コンビニのおにぎり約11個分です。意外とたくさん食べても大丈夫かも…。
痩せたい人はカロリーに敏感だと思いますので、タニタの公開している表で運動したらどれくらいカロリーを消費するかも見てみましょう。
体重60キロの人が20分ジョギングした場合、147kcalのエネルギーを使うことになります。
ティラミス1個のカロリーが約400kcalですので、ケーキを無かったことにするためには、約50分のジョギングが必要です。
とてもじゃないけど、やってられません…。
基礎代謝で言い訳する…
運動してカロリーを消費して痩せるのもなかなか大変ですね。
運動したくない人のために、基礎代謝の話もしましょう。
基礎代謝は、何もしなくても呼吸や体温、筋肉や内臓など組織の維持に使われるエネルギーの量です。基礎代謝量が多いのは、肝臓や脳などの臓器類です。
つまり、太らないために基礎代謝でエネルギーをたくさん使いたい人は、いっぱい考えてたくさん脳みそを使うようにしましょう。
アルコールをたくさん呑んで、肝臓を酷使するのはダメです。
カロリーは熱の量の単位
これまで何も考えずに使ってきたカロリーという単位ですが、食べ物の熱量を表すのにも使われますが、元々の定義は「標準大気圧下で1グラムの水の温度を1℃上げるのに必要な熱量」です。
水温が10℃の100gの水を11℃に上げると100calとなります。
ただし、世界的にはエネルギー、仕事、熱量、電力量の基本単位としてジュール（Ｊ）を使うことが決められています。
水の比熱はその温度によって異なりますが、とりあえず「1カロリーは4.2ジュール」と覚えておけばいいです。
1グラムの水の温度を1℃上げるのに4.2ジュール必要ということになります。物を動かす力や電気エネルギーとジュールの関係は以下のように定義されています。
1 ジュール = 1 N·1 m = 1 ニュートン・メートル = 1kg・m2・ｓ-2
1 ジュール = 1 W·1 s = 1 ワット・秒
これまでの計算で、人は大体一日に約2000kcal分のエネルギーを食べ物から得ていました。
1カロリーは4.2ジュール（Ｊ）なので、一日に8400kJのエネルギーを使っていることになります。
一秒あたりにすると、約100ジュールです。
1 ジュール = 1 W·1 s = 1 ワット・秒 なので、約100W・ｓと言い換えることができます。
熱交換のない部屋に閉じ込められた人は熱死する
ジュールとワットで、部屋の温度を考えてみましょう。
光の入らない閉じられた部屋の中で、電気製品などをつけていなければ、時間が経つと部屋の中の全てのものが同じ温度になります。全ての物の間には、熱エネルギーのやり取りはない状態です。
温度差があると、熱エネルギーの移動が起こり始めます。
室温25℃の部屋に、体温37℃の人が入ってくると、人から部屋の空気へ熱エネルギーが移ります。
人のエネルギーはだいたい100W· s（ワット・秒）で、
1 ジュール = 1 W·1 s = 1 ワット・秒
なので、1秒当たり100Ｊの熱エネルギーが部屋の空気に供給されることになります。
人体は絶えず発熱しているので、100Ｗ・sの割合で外部に熱を逃さないと、部屋の温度が上がり続け自分の発熱で熱中症になってしまいます。
周りの温度が体温より高い場合、そのままでは熱が体内から空気に移動しないので、汗をかいて熱を体外に逃がし体温を下げようとします。
水の蒸発や凍結もエネルギーの出し入れによって起こります。
汗は熱エネルギーを受け取って蒸発することで、周りの温度を下げます。
1ｇの水が蒸発することで奪う熱エネルギーは、約600カロリー（約2,500Ｊ）ほどです。人が発熱する100Ｗ・s（J・s）を冷ますためには、
100J・s÷2,500Ｊで、毎秒0.04ｇの汗が蒸発すれば、焼け死なずに済むことになります。
蛇足ですが、サウナ－は何故、火傷しないのか…？
では、これを踏まえて、サウナで火傷しない理由も考えてみましょう。
サウナの中は下段が70℃、上段が100℃。湿度は10％程度になっています。
70℃の風呂に浸かったら大火傷するのに、何で70℃のサウナに入って座っていられるんでしょう？
これには、水と空気の熱伝導率、熱容量の違いが効いてきます。
水の熱伝導率は、空気の20倍、水の熱容量は空気の数千倍になります。つまり、水は空気に比べて早く熱を伝えたり、与えられた熱をたくさん保持できるということです。
風呂のお湯はたくさんの熱を蓄えていて、その温度はすぐに身体に伝わるのに対して、サウナの空気中の温度はゆっくり身体に伝わって、その間に肌から発汗した汗が蒸発することで肌表面の熱エネルギーを奪うので、温度は肌にすぐには伝わらないということで、70℃のサウナに入って座ってられることになります。
電気のエネルギー
電気のエネルギーは、W（ワット）で表わされます。
各家には電気使用量を示す電力計がついていますが、そこにはkWhと表示されています。
ｋは1000を表すキロの略です。
Wは電気の大きさで、電気を流す水道の蛇口の太さのようなものです。
ｈは一時間を表すhourの略です。
kWhで、電気の大きさと時間の長さをかけ算して、使った電力の総量を表します。
例えば、1kWの電気製品を1時間使用すると、1kWh の電力量が消費されることになります。
電気料金は、契約している電力会社によりまちまちですが、おおよそ27～30円/kWh程度です。
家庭の電気料金は、様々な家電製品を使用した消費電力量により決まります。消費電力量は、使用した電気製品のワット数に使った時間をかけて決まります。
電気代を安く収めるためには、ワット数の小さい電気製品を使う、ワット数の大きい電気製品の使用時間を短くすることが大事です。
様々な生活必需家電の消費電力は、数ワット～2000ワットと幅がありますが、温度変化が伴うものは消費電力が高くなります。
映画 Matrix的機械文明は成り立つか？
映画 「Matrix」シリーズでは、AIが支配する機械文明のエネルギー源として人間を電池にして使っていました。
人間は一日2000kcalのエネルギーを食べ物から得て、8400kJのエネルギーを生体維持に使っていますが、これは、8400kW／日（350kWh）の電気エネルギーを作っているのと同等です。
人間本体を生かすためにベースを2000kcalとして、更に2000kcalの液体食物を人間電池のカプセルに与えれば、350kWhの余剰電力を得られます。
これは、デスクトップパソコンを1,000台以上稼働できる電力です!!!
100％の効率で熱量を電力に変換することは難しいですが、ペルチェ素子などを使って人間の熱エネルギーの一部を電力として使うことはそんなに難しくありません。実際には人間より微生物を使った方がより効率的ですが…
これからAIが高度化し続けると、その維持に必要な電力が莫大になりますが、AI側から「増え過ぎた人類の一部を電力リソースに使わせてくれ！」という要望が来始めるのも間もなくかもしれません…。
息抜きのつもりだったのに、こんなこと妄想し続けて、いちいちnote+に書いてたら疲れて息抜きにならない・・・。
この記事を書くのに、テレビを見ながらだけど週末の３時間が費やされているので、約1000kWhの生体エネルギーを間接的にネットに取られているようなものです。
いかんいかん！際限ない。この辺で止めなければ・・・。