電験三種 機械 電熱と電気化学｜熱量・熱回路・ヒートポンプ・電気加熱・電池・電気分解

1熱量は、質量・比熱・温度上昇に比例

物の温度を上げるのに要る熱量 Q は、質量 m、比熱 c、温度上昇 ΔT の積です。比熱は、その物質 1 kg を 1 K 上げる熱量で、物質ごとに違います。m と c の積を熱容量 C といい、その物全体を 1 K 上げる熱量です。

水の比熱を 4.2 kJ/(kg·K) とすると、水 2 kg を 30 K 上げる熱量は Q＝2×4.2×30＝252 kJ です。

この原理を使う過去問令和8年度上期 問17(a)令和7年度上期 問17(b)

2温度の差は、℃ でも K でも同じ数

絶対温度 T〔K〕は、セルシウス温度 θ〔℃〕に 273 を足した値で、目盛りの間隔は同じです。0 の位置が違うだけなので、温度の差は ℃ で数えても K で数えても同じ数になります。比熱の式の ΔT には、加熱後と加熱前の温度の差をそのまま入れます。

10 ℃ から 40 ℃ に上げると、絶対温度では 283 K から 313 K で、差はどちらも 30 です。

この原理を使う過去問令和8年度上期 問17(a)

3比熱の違う部分は、分けて計算して足す

水を含んだ材料や、容器に入れた水のように、比熱の違うものが一緒に温まるときは、部分ごとに mcΔT を出して足します。水を含む材料なら、全体の質量から水の質量を引いた分が乾いた部分の質量です。

比熱 0.5 kJ/(kg·K) の容器 3 kg に水 2 kg を入れて 30 K 上げると、Q＝3×0.5×30＋2×4.2×30＝45＋252＝297 kJ です。

よくある誤り乾いた材料の比熱を、水を含んだ全体の質量に掛ける
正しくは乾いた部分の質量だけに掛け、水は水の比熱で別に出す

この原理を使う過去問令和8年度上期 問17(a)

4状態が変わる間は、温度が一定

物質は固体・液体・気体の3つの状態をとり、融けている間や沸騰している間は、熱を入れても温度が上がりません。この間に入る熱が潜熱で、温度を上げる熱は顕熱といいます。融ける温度を融点、沸騰する温度を沸点といいます。

大気圧の水なら、0 ℃ の氷はすべて水になるまで 0 ℃、100 ℃ の水はすべて水蒸気になるまで 100 ℃ のままです。

この原理を使う過去問令和7年度上期 問17(a)

5潜熱は、状態が変わる分の質量に掛ける

状態を変えるのに要る熱量は、状態が変わる分の質量 m に潜熱 β を掛けて求めます。潜熱は単位質量あたりの熱量〔kJ/kg〕で、固体が融けるときの融解熱と、液体が気体になるときの蒸発熱があります。温度が変わらないので ΔT は入りません。

融解熱が 300 kJ/kg の物質を、融点で 4 kg 融かすと Q＝4×300＝1200 kJ です。

よくある誤り一部だけ蒸発させるのに、残す水の質量に蒸発熱を掛ける
正しくははじめの水から残す水を引いた、蒸発する分に掛ける

この原理を使う過去問令和8年度上期 問17(a)令和7年度上期 問17(a)

6要る熱量は、顕熱と潜熱の和

温めてから状態を変えるときは、温度が上がる区間の顕熱と、状態が変わる区間の潜熱を別々に出して足します。温める質量と状態が変わる質量が違うことがあります。水の一部だけを蒸発させるときも、温める質量は蒸発前の水の全部です。

蒸発熱を 2 260 kJ/kg とし、40 ℃ の水 2 kg を 100 ℃ にしてから 0.5 kg を蒸発させると、2×4.2×60＋0.5×2 260＝504＋1130＝1634 kJ です。

よくある誤り蒸発させる熱だけを数え、沸点まで温める熱を足さない
正しくは温める顕熱と状態を変える潜熱の両方を足す

この原理を使う過去問令和8年度上期 問17(a)

71 kW·h は 3600 kJ、時間は秒に直す

1 W は 1 J/s なので、kW に秒を掛けると kJ になり、kJ を kW で割ると秒が出ます。1 h は 3600 s なので、1 kW·h は 3600 kJ です。分で与えられた時間は 60 倍して秒に直してから使います。

2 kW で 15 分（900 s）加熱すると、2×900＝1800 kJ で、これは 0.5 kW·h です。

よくある誤り時間を分のまま使って、kJ を kW で割る
正しくはkJ÷kW の答えは秒。分や時間はそこから60・3600で割る

この原理を使う過去問令和8年度上期 問17(b)令和7年度上期 問17(a)令和7年度上期 問17(b)

8物に入る熱は、消費電力に効率を掛けた分

電熱装置の効率 η は、消費電力 P のうち物に入る熱の割合で、物が得る熱量は ηPt です。時間を出すときは、要る熱量を ηP で割ります。消費電力を出すときは、要る熱量を時間で割った値を η で1回だけ割ります。

消費電力 2 kW、効率 75 % なら物に入るのは 1.5 kW で、水 2 kg を 30 K 上げる 252 kJ を入れる時間は 252/1.5＝168 s です。

よくある誤り消費電力で割って時間を出す、または効率で2回割る
正しくは物に入る ηP を使い、効率は1回だけ効かせる

この原理を使う過去問令和8年度上期 問17(b)令和7年度上期 問17(a)令和7年度上期 問17(b)

9熱は高温から低温へ移り、量は保たれる

熱は高温の物体から低温の物体へ移り、温度が等しくなると移動が止まります（熱平衡）。外へ逃げる熱が無ければ、高温側が失った熱量と低温側が得た熱量は等しくなります（熱量の保存）。

60 ℃ の水 1 kg と 20 ℃ の水 1 kg を混ぜると、一方が失い他方が得る熱量は同じ 84 kJ で、40 ℃ になります。

1熱は、伝導・対流・放射の3つで伝わる

熱の伝わり方は、伝導・対流・放射の3つです。伝導は、物体そのものは動かず、中の分子の熱運動が順に伝わって熱が移ります。対流は、液体や気体が動いて熱を運びます。放射は電磁波で熱を運ぶので、物質のない真空中でも伝わります。

よくある誤り熱伝導は、真空中でも熱を伝える
正しくは熱伝導には物質が要る。真空中でも伝わるのは熱放射

この原理を使う過去問令和3年度 問17(a)

2熱流は、温度差を熱抵抗で割った値

熱流 Φ は、両端の温度差を熱抵抗 R_t で割った値です。電気のオームの法則 I＝V/R と同じ形で、温度差が電圧、熱流が電流、熱抵抗が電気抵抗にあたります。熱は温度の高い側から低い側へ流れます。

R_t＝0.0625 K/W の壁の両面に 30 K の温度差があれば、Φ＝30/0.0625＝480 W です。

よくある誤り電圧にあたるのは熱流、電流にあたるのは温度差
正しくは電圧にあたるのは温度差〔K〕、電流にあたるのは熱流〔W〕

この原理を使う過去問令和6年度上期 問12令和5年度上期 問17(b)令和2年度 問13

3熱抵抗は K/W、熱容量は J/K

熱抵抗は温度差を熱流で割った量なので単位は K/W、熱容量は熱量を温度差で割った量なので単位は J/K です。熱容量は物体を 1 K 上げるのに要る熱量で、静電容量 C＝Q/V にあたります。熱量〔J〕は電荷〔C〕に、熱伝導率 λ は導電率 σ にあたります。

熱容量 500 J/K の物体を 6 K 上げるには、Q＝500×6＝3 000 J が要ります。

よくある誤り熱抵抗の単位を K/J、熱容量の単位を J/W とする
正しくは熱抵抗は K を W で割った K/W、熱容量は J を K で割った J/K

この原理を使う過去問令和6年度上期 問12令和2年度 問13

4伝導の熱流は、面積と温度差に比例し厚さに反比例

壁を伝導で通る熱流は、熱伝導率 λ・面積 A・両面の温度差に比例し、厚さ ℓ に反比例します。λ は材料で決まる熱の伝わりやすさです。λ と A は分子、ℓ だけが分母です。長さは m に直してから入れます。

λ＝0.8 W/(m·K)、A＝5 m²、厚さ 25 cm（0.25 m）の壁に温度差 30 K なら、Φ＝0.8×5×30/0.25＝480 W です。

よくある誤り厚さを cm の数のまま分母に入れる
正しくは厚さは m に直してから分母に置く

この原理を使う過去問令和7年度下期 問12令和6年度下期 問12令和3年度 問17(b)

5伝導の熱抵抗は、厚さを λA で割った値

伝導の熱抵抗は、厚さ ℓ を λ と A の積で割った値です。前のカードの式を Φ＝(T₂−T₁)/R_t と見比べると出ます。厚いほど、λ と面積が小さいほど、熱は通りにくくなります。厚さは m に直して入れます。

前のカードの壁なら、R_t＝0.25/(0.8×5)＝0.0625 K/W で、温度差 30 K をこれで割ると 480 W に戻ります。

よくある誤りλA/ℓ を熱抵抗とする
正しくはλA/ℓ は熱抵抗の逆数。熱抵抗は ℓ/(λA)

この原理を使う過去問令和5年度上期 問17(a)令和5年度上期 問17(b)

6単位面積の熱流は、λ と温度こう配の積

1 m² あたりの熱流 q は、λ に温度こう配（1 m あたりの温度の差）を掛けた値です。壁の中で温度こう配が一定なら、内部の2点の温度差を2点の間隔で割ればこう配が出ます。間隔は表面からの距離の差で、m に直します。

壁の中の2点が、表面から 4 cm と 16 cm の位置にあり、58 ℃ と 94 ℃ で、λ＝0.8 W/(m·K) なら、温度差 36 K、間隔 0.12 m で、q＝0.8×36/0.12＝240 W/m² です。

よくある誤り表面からの2つの距離を足して、間隔とする
正しくは間隔は2つの距離の差。m に直して割る

この原理を使う過去問令和7年度下期 問12

7断面積は、熱の流れに垂直な面で測る

伝導の式の A は、熱が流れる向きに垂直な断面の面積です。円柱の軸の向きに熱が流れるなら、A は円の面積で、直径 D の半分（半径）を2乗して π を掛けます。ℓ は流れの向きの長さです。

直径 1.2 m、長さ 0.15 m、λ＝0.8 W/(m·K) の円柱に温度差 20 K なら、A＝π×0.6²≒1.131 m² で、Φ＝0.8×1.131×20/0.15≒121 W です。

よくある誤り直径をそのまま半径として面積を出す
正しくは半径は直径の半分。直径で計算すると面積が4倍になる

この原理を使う過去問令和3年度 問17(b)

8熱流と熱抵抗の積は、両面の温度差

熱回路の式を変形すると、両面の温度差は、熱流と熱抵抗の積になります。求まるのは温度差なので、片側の温度を出すには、もう一方の温度に足し引きします。高温側を求めるなら、低温側の温度に足します。

R_t＝0.0625 K/W の壁に 480 W が流れ、低温側が 15 ℃ なら、温度差は 480×0.0625＝30 K で、高温側は 45 ℃ です。

よくある誤りΦR_t の値を、そのまま高温側の温度とする
正しくはΦR_t は温度差。低温側の温度に足す

この原理を使う過去問令和5年度上期 問17(b)

9対流の熱抵抗は、hA の逆数

固体の表面から流体（液体・気体）へ移る熱流は、熱伝達率 h と表面積 A と温度差の積です。熱回路の形に直すと熱抵抗は hA の逆数で、これを表面熱抵抗と呼びます。電気回路の接触抵抗にあたります。

h＝10 W/(m²·K)、A＝5 m² なら、R_s＝1/(10×5)＝0.02 K/W で、温度差 30 K なら Φ＝30/0.02＝1 500 W です。

10放射は、絶対温度の4乗の差で伝わる

物体が放射で出すエネルギーは、絶対温度 T〔K〕の4乗に比例します（ステファン・ボルツマンの法則）。向かい合う2面は互いに放射し合い、その差が熱流になります。一方の面から出た放射が相手の面に届く割合を、形態係数といいます。

絶対温度が 320 K から 640 K へ2倍になると、出す放射のエネルギーは 2⁴＝16 倍になります。

よくある誤り放射の熱流を、温度の2乗の差やプランク定数で表す
正しくは絶対温度の4乗の差。定数はステファン・ボルツマン定数

この原理を使う過去問令和3年度 問17(a)

1ヒートポンプは、熱を低温側から高温側へ運ぶ

熱はふつう高温側から低温側へ移ります。ヒートポンプは電力で冷媒を動かし、熱を低温側から高温側へくみ上げます。低温側から吸った熱 Q₁ に、使った電力量 W が加わって、高温側へ出す熱 Q₂ になります。

外気から 4.2 kW の熱を吸い、1.5 kW の電力で運転すれば、湯や室内へ出す熱は 4.2＋1.5＝5.7 kW です。

2加熱の COP は、得た熱を電力で割った値

成績係数 COP は、使った電力の何倍の熱が得られるかを表します。加熱（暖房・給湯）では、高温側へ出す熱 Q₂ を W で割ります。Q₂ には Q₁ が含まれるので、COP は 1 より大きくなります。

前のカードの運転では、COP_H＝5.7/1.5＝3.8 です。

よくある誤りCOP を、電力を熱で割って求める
正しくは得た熱を電力で割る。だから COP は 1 より大きい値になる

この原理を使う過去問令和4年度上期 問17令和元年度 問17

3冷却の COP は、吸った熱を電力で割った値

冷房や冷蔵のように低温側を冷やすときは、低温側から吸った熱 Q₁ を W で割ります。同じ運転なら、加熱の COP は冷却の COP より、ちょうど 1 大きくなります。

カード1の運転なら、COP_C＝4.2/1.5＝2.8 で、COP_H＝2.8＋1＝3.8 です。

よくある誤り冷房の COP も、高温側へ出す熱 Q₂ で計算する
正しくは冷房で役に立つのは、低温側から吸った熱 Q₁

4電力量は、1 kWh が 3.6 MJ

電力〔kW〕に運転時間〔h〕を掛けると、電力量〔kWh〕になります。熱量〔J〕と比べるときは単位をそろえます。1 h は 3 600 s なので、1 kWh は 3 600 kJ、つまり 3.6 MJ です。

2.0 kW で 5 h 運転すると、W＝2.0×5＝10 kWh＝10×3.6＝36 MJ です。

よくある誤りkWh の値を、そのまま MJ の値として熱量と比べる
正しくは1 kWh＝3.6 MJ で直してから比べる

この原理を使う過去問令和4年度上期 問17平成28年度 問17

5得た熱量は、電力量の COP 倍

消費電力と COP が運転のあいだ一定なら、得た熱量は電力量に COP を掛けた値です。出力どうしの比に同じ時間を掛けても比は変わらないので、COP の式は量どうしでも使えます。

前のカードの 36 MJ を COP 3.5 のヒートポンプで使うと、Q＝3.5×36＝126 MJ の熱が得られます。

よくある誤り使った電力量そのものを、水が得た熱量とする
正しくは水が得た熱は、電力量の COP 倍

この原理を使う過去問令和4年度上期 問17

6水の質量は、密度と体積の積

熱量の式には質量を入れるので、まず水の体積に密度を掛けて質量を出します。密度を 1.00×10³ kg/m³ とすると、1 m³ は 1 000 kg です。体積が L（リットル）なら 1 000 L＝1 m³ で直します。この密度なら 1 L が 1 kg です。

250 L＝0.250 m³ の水なら、m＝1.00×10³×0.250＝250 kg です。

よくある誤りL で書かれた体積の値を、m³ の値として密度に掛ける
正しくは1 000 L＝1 m³ で直してから掛ける

この原理を使う過去問令和4年度上期 問17令和元年度 問17平成28年度 問17

7熱量は、質量・比熱・温度差の積

水に与える熱量 Q は、質量 m、比熱 c、温度上昇 ΔT の積です。比熱は 1 kg を 1 K 上げるのに要る熱量で、水ではおよそ 4.18 kJ/(kg·K) です。ΔT は加熱後と加熱前の温度の差で、℃の差と K の差は同じ値です。

250 kg の水を 15 ℃から 55 ℃に温めると、ΔT＝40 K で、Q＝250×4.18×40＝41 800 kJ≒41.8 MJ です。

よくある誤り加熱後の温度をそのまま ΔT にする（初めの温度を引かない、または足す）
正しくはΔT＝t₂−t₁（引き算）

この原理を使う過去問令和4年度上期 問17令和元年度 問17平成28年度 問17

8加熱後の温度は、初めの温度に上昇分を足す

熱量が分かっているときは、前のカードの式を ΔT について解きます。求まるのは温度の上がり幅なので、加熱後の温度は、初めの温度に ΔT を足して答えます。熱量を J、比熱を J/(kg·K) にして、桁をそろえます。

500 kg の水に 62.7 MJ を与えると、ΔT＝62.7×10⁶/(500×4.18×10³)＝30.0 K で、12 ℃の水なら 42 ℃になります。

よくある誤り求めた ΔT を、加熱後の温度として答える
正しくは初めの温度 t₁ を足す

この原理を使う過去問令和4年度上期 問17

9時間は、熱量を加熱出力で割って出す

水を温める速さ（加熱出力）は、消費電力に COP を掛けた値です。必要な熱量をこの加熱出力で割ると、かかる時間が出ます。J と W で割ると秒になるので、3 600 で割って時間〔h〕に直します。

1.2 kW、COP 3.5 なら加熱出力は 4.2 kW です。41.8 MJ を与えるには t＝41.8×10⁶/(4.2×10³)≒9 950 s≒2.8 h です。

よくある誤り必要な熱量を、消費電力 P だけで割る
正しくはCOP を掛けた加熱出力で割る

この原理を使う過去問平成28年度 問17

10消費電力は、加熱出力を COP で割って出す

熱量と時間から消費電力を出すときは、前のカードを逆にたどります。熱量を時間（秒）で割って加熱出力を出し、それを COP で割ると消費電力です。消費電力は加熱出力より小さくなります。

41.8 MJ を 4 h（14 400 s）で与えるなら、加熱出力は 41.8×10⁶/14 400≒2 900 W です。COP 3.5 なら P≒2 900/3.5≒830 W です。

よくある誤り加熱出力に COP を掛けて、消費電力とする
正しくはCOP で割る

この原理を使う過去問令和元年度 問17

11冷媒は、圧縮で高温、膨張弁で低温になる

冷房の冷媒は、室内で熱を奪って気体になり、圧縮機で温度が上がり、室外で熱を渡して液体に戻ります。最後に膨張弁を通って低温になり、室内へ戻ります。暖房では四方弁で流れを逆にし、外気の熱を室内へ運びます。高温側と低温側の温度差が大きいほど電力が増え、COP は小さくなります。

1抵抗加熱は、電流のジュール熱で温める

抵抗加熱は、抵抗に電流を流したときに出るジュール熱を使う方式です。被加熱物そのものに電流を通す直接式と、そばに置いた発熱体の熱を被加熱物へ伝える間接式があります。

R＝15 Ω の発熱体に 6 A を流すと、P＝15×6²＝540 W です。

この原理を使う過去問令和4年度下期 問12

2アーク加熱は、放電の高温を使う

アーク加熱は、電極の間に起こしたアーク放電の熱を使う方式です。アークの中の気体は数千 K に達し、鉄鋼などの溶解や精錬に使われます。電極と被加熱物の間にアークを飛ばす直接式と、電極どうしのアークの熱を近くの被加熱物に伝える間接式があります。

この原理を使う過去問令和4年度下期 問12

3誘導加熱は、導体に流れる渦電流で温める

コイルに交流を流すと交番磁束ができ、中に置いた導電性の被加熱物に渦電流が流れます。そのジュール熱（渦電流損）で被加熱物自体が発熱します。対象は電気を通す物で、強磁性体に限りません。鉄などの強磁性体では、ヒステリシス損も熱になります。

よくある誤り誘導加熱で温まるのは、強磁性体の中の渦電流だけ
正しくは電気を通す物なら渦電流が流れて温まる（非磁性の金属も加熱できる）

この原理を使う過去問令和5年度下期 問12令和4年度下期 問12平成29年度 問13

4周波数が高いほど、電流は表面に集まる

渦電流は、表面から内部へ進むほど小さくなります（表皮効果）。周波数が高いほどこの傾向が強く、電流は表面の薄い層に集まります。そのため高い周波数では表面付近だけが温まり、深くまで温めたいときは周波数を下げます。

よくある誤り周波数を上げるほど、被加熱物の内部まで温まりやすい
正しくは周波数を上げるほど電流は表面に集まり、内部は温まりにくい

この原理を使う過去問令和5年度下期 問12平成29年度 問13

5浸透深さは、周波数と透磁率が大きいほど浅い

電流密度が表面の 1/e になる深さを、電流の浸透深さ δ と呼びます。δ は、周波数と透磁率が大きいほど、抵抗率が小さいほど浅くなります。透磁率が高い物ほど電流が薄い層に集まって通り道の抵抗が大きくなり、発熱しやすくなります。ただし発熱は浅さだけでは決まらず、ρ と μ が大きいほど大きくなります（ρ が小さい銅・アルミは浅くても温まりにくい）。

ρ＝1×10⁻⁶ Ω·m、μ_r＝1、f＝10 kHz なら δ≒5.0 mm、f を 40 kHz にすると約 2.5 mm です。

この原理を使う過去問令和5年度下期 問12平成29年度 問13

6鉄は、銅・アルミより誘導加熱されやすい

誘導加熱では、抵抗率と透磁率が大きい被加熱物ほど温まりやすくなります。銅・アルミは抵抗率が低く、比透磁率もほぼ 1 なので、相対的に加熱されにくい金属です。鉄は透磁率が高く、ステンレスは銅・アルミより抵抗率が高いので、どちらも温まりやすくなります。

よくある誤り電気をよく通す銅のほうが、渦電流が流れて温まりやすい
正しくは抵抗率の低い銅・アルミは、鉄より温まりにくい

この原理を使う過去問令和5年度下期 問12平成29年度 問13

7誘導加熱は、溶解・熱処理・IH調理に使う

誘導加熱は、被加熱物に触れずに、物そのものを直接温められます。産業では金属の溶解や熱処理（表面焼入れなど）に、家庭では IH 調理器に使われます。周波数を選べば、表面だけの加熱から全体の加熱まで調整できます。

この原理を使う過去問令和5年度下期 問12平成29年度 問13

8誘電加熱は、絶縁物の誘電損で温める

2枚の電極で誘電体（絶縁物）を挟んで交流電圧を加えると、交番電界で誘電損が生じ、誘電体自体が発熱します。電界の向きが変わるたびに、分極した分子が向きを変えようとし、分子の間の摩擦が熱になります。電気を通さない物を、中から温められる方式です。

よくある誤り誘電加熱は、交番磁界で流れる渦電流で温める
正しくは渦電流は誘導加熱。誘電加熱は交番電界による誘電損

この原理を使う過去問令和4年度下期 問12

9誘電損は、周波数と電圧の2乗に比例する

誘電体は、静電容量 C と抵抗 R の並列で表せます。熱になるのは並列の抵抗 R に流れる、電圧と同相の電流分 I_R で、90° 進んだ I_C は熱になりません。I_R は I_C に tanδ を掛けた値なので、C・tanδ が一定なら、誘電損は周波数と電圧の2乗に比例します。

C・tanδ が一定で、f＝10 MHz、C＝100 pF、V＝1 000 V、tanδ＝0.05 なら W_d≒314 W で、f を2倍にすると約 628 W です。

よくある誤り誘電損は、電圧と直交する電流分で決まる
正しくは熱になるのは電圧と同相の電流分 I_R

10マイクロ波加熱は、数GHzの電磁波で温める

誘電加熱は、使う周波数で高周波誘電加熱とマイクロ波加熱に分かれます。マイクロ波加熱は電極を使わず数 GHz の電磁波を当てる方式で、電子レンジが代表です。よく温まるのは水のような有極性の分子を含む物で、電磁波が入り込む深さは周波数が高いほど浅くなります。

11赤外加熱は、低温の熱源ほど波長が長い

赤外加熱は、物に吸収された赤外線の放射エネルギーが、ほとんど熱に変わることを使います。熱源の温度が低いほど、放射がもっとも強い波長 λ_m は長くなります（ウィーンの変位則）。遠赤外ヒータは赤外電球より低温で、λ_m が長くなります。

2 500 K の熱源なら λ_m≒1.16 μm、600 K なら λ_m≒4.83 μm です。

よくある誤り高温の熱源ほど、最大放射の波長が長い
正しくは高温ほど短く、低温ほど長い

この原理を使う過去問令和4年度下期 問12

1充電して繰り返し使えるのが二次電池

放電すると使えなくなる電池が一次電池、充電と放電を繰り返して使える電池が二次電池（蓄電池）です。燃料電池は、外から水素などの燃料と酸素を送り続ける間だけ発電する装置で、燃料が無ければ単体では使えません。

この原理を使う過去問平成28年度 問12

2電子は外部回路、イオンは電解液を動く

電池の中で電荷を運ぶのは、導線の部分では電子、電解液の部分ではイオンです。電解液は、陽イオンと陰イオンに分かれる電解質の水溶液などです。電極と電解液の境目で酸化・還元が起き、電子とイオンの受け渡しがつながって電流が一回りします。充電でも分担は同じで、向きが逆になります。

この原理を使う過去問平成28年度 問12

3放電では負極が酸化、正極が還元される

放電では、負極の物質が電子を放出して酸化され、その電子を正極の物質が受け取って還元されます。酸化は電子を失うこと、還元は電子を受け取ることです。電流は外部回路を正極から負極へ流れます。充電では電源が電子を逆向きに押し込むので、負極で還元、正極で酸化と入れ替わります。

よくある誤り放電中の正極では酸化が起きる
正しくは放電中の正極は電子を受け取るので還元。酸化と入れ替わるのは充電のとき

この原理を使う過去問平成28年度 問12

4イオン化傾向の差が大きいほど起電力が大きい

2種類の電極を電解液に入れると、陽イオンになりやすい（イオン化傾向の大きい）ほうが電子を出して負極に、なりにくいほうが正極になります。両極の物質のイオン化傾向の差が大きいほど、電流を流していないときの電圧（開放電圧）が高くなります。

この原理を使う過去問平成28年度 問12

5内部抵抗が小さいほど大電流を取り出せる

電池は、起電力 E と内部抵抗 r の直列で表します。電流 I が流れると r の中で rI だけ電圧が下がり、端子電圧 V は E より低くなります。r（出力インピーダンス）が大きい電池ほど、電流を増やしたとき V が大きく下がり、大きな電流を取り出せません。

E＝6 V、r＝0.2 Ω の電池から 5 A を取り出すと、V＝6−0.2×5＝5 V です。

よくある誤り出力インピーダンスの大きな電池ほど、大きな電流を出せる
正しくは内部抵抗（出力インピーダンス）が小さいほど、大きな電流を取り出せる

この原理を使う過去問平成28年度 問12

6鉛蓄電池は放電で両極が硫酸鉛になる

鉛蓄電池は電解液に希硫酸を使い、充電した状態では正極が二酸化鉛、負極が鉛です。放電すると両極とも硫酸鉛になり、水ができて電解液の濃度（比重）が下がります。両極が硫酸鉛の極板を充電すると、正極は二酸化鉛、負極は鉛に作り分けられます。

1セル約 2.0 V なので、6セルを直列にした鉛蓄電池は約 12 V です。

よくある誤り充電した負極は硫酸鉛、放電後の両極は鉛
正しくは充電した正極は二酸化鉛・負極は鉛で、放電後は両極とも硫酸鉛

この原理を使う過去問令和3年度 問12

7過充電では正極から酸素、負極から水素

充電が終わったあとも電流を流し続ける（過充電）と、電解液の中の水が電気分解されます。電子を奪われる正極からは酸素、電子を受け取る負極からは水素が出ます。水が分解するとき、同じ温度・圧力なら水素は酸素の2倍の体積で出ます。

よくある誤り過充電で、正極から水素、負極から酸素が出る
正しくは正極から酸素、負極から水素

この原理を使う過去問令和3年度 問12

8リチウムイオン電池の負極は主に黒鉛

リチウムイオン電池は、正極にリチウムを含む金属酸化物（コバルト酸リチウムなど）、負極に主に黒鉛を使います。電解液はリチウム塩を溶かした有機電解液です。セル電圧は3〜4 V（公称約 3.7 V）と高く、軽くてエネルギー密度が大きいので、携帯機器や電気自動車の電源に使われます。

よくある誤り正極が黒鉛、負極がリチウムを含む金属酸化物
正しくは正極が金属酸化物、負極が主に黒鉛

この原理を使う過去問平成30年度 問12

9放電では Li⁺ が負極から正極へ移る

放電のとき、リチウムイオン Li⁺ は負極の黒鉛から抜け出し、電解液の中を通って正極へ移ります。同時に電子は外部回路を負極から正極へ流れます。充電では、電源の力で Li⁺ が正極から負極へ戻ります。

よくある誤り放電時、Li⁺ は正極から負極へ移る
正しくはそれは充電のとき。放電では負極から正極へ

この原理を使う過去問平成30年度 問12

10NaS 電池は高温で、Na が負極・S が正極

ナトリウム－硫黄（NaS）電池は、ナトリウムと硫黄を溶かした液体の状態で使うため、約 300 ℃の高温で運転します。負極の活物質がナトリウム、正極の活物質が硫黄です。放電ではナトリウムが電子を出して Na⁺ になり、仕切りを通って硫黄の側へ移ります。大規模な電力貯蔵に使う二次電池です。

よくある誤り常温で使い、ナトリウムが正極・硫黄が負極
正しくは約 300 ℃の高温で使い、ナトリウムが負極・硫黄が正極

この原理を使う過去問令和4年度上期 問12

11NaS 電池の仕切りはベータアルミナ

正極と負極の仕切りは、ナトリウムイオンだけを通す固体電解質のベータアルミナ（セラミックス）です。1セルの起電力は約 2 V（1.7〜2.1 V）と低く容量も小さいので、多数のセルを直並列につなぎ、断熱容器に入れたモジュールで使います。エネルギー密度は鉛蓄電池の約3倍で、寿命も長い電池です。

よくある誤り仕切りは多孔質ポリマーで、セル電圧は 1.2〜1.5 V
正しくは仕切りはベータアルミナで、セル電圧は約 2 V

この原理を使う過去問令和4年度上期 問12

12燃料電池は燃料を送る間だけ発電する

燃料電池は、負極に水素などの燃料、正極に酸素（空気）を送り、化学エネルギーを電気エネルギーに変えて取り出す装置です。負極で水素が電子を出して水素イオンになり、電解質を通って正極で酸素・電子と結びつき水になります。貯めた量で終わる一次・二次電池と違い、燃料を送る限り発電を続けます。

水素1分子から負極で電子が2個出て、その2個を正極で酸素原子1個が受け取ります。

13キャパシタは出力密度が大きく急速充電できる

電気二重層キャパシタは、電極の表面にイオンを吸着させて電荷を蓄え、化学反応を使いません。そのため、リチウムイオン電池と比べて大電流で出し入れでき、出力密度〔W/kg〕が大きく、急速充電もできます。一方、貯められるエネルギーの密度〔J/kg〕は小さくなります。

この原理を使う過去問令和8年度上期 問12

14キャパシタは寿命が長く、自己放電が速い

電極の物質が化学的に変わらないので、充放電を繰り返しても劣化が少なく、寿命は長くなります。その反面、蓄えた電荷が自然に抜けていく自己放電が大きく、放置したときの電圧の下がり方は電池より速くなります。

よくある誤りキャパシタは充放電の繰り返しで劣化し、寿命が短い
正しくは劣化が少なく寿命が長い。苦手なのは自己放電

この原理を使う過去問令和8年度上期 問12

1電気分解は、直流で酸化還元を起こす

電気分解は、電解液に2本の電極を入れて外部の直流電源で電流を流し、電極の表面で酸化還元反応を起こすことです。電気エネルギーを化学エネルギーに変える働きで、蓄電池の充電もその一つです。液の中では、陽イオンが陰極へ、陰イオンが陽極へ動きます。

2陽極で酸化、陰極で還元が起きる

電源の正極につながる電極が陽極、負極につながる電極が陰極です。陽極では電子が奪われる酸化反応、陰極では電源から来た電子を受け取る還元反応が起きます。酸化は電子を失うこと、還元は電子を受け取ることです。

よくある誤り電池の正極と同じように考えて、陽極を還元の起きる側とする
正しくは電気分解では、電源の正につながる陽極で酸化が起きる。還元が起きる側を正極と呼ぶのは、電池の放電のとき

3液しだいで、陽極の金属が溶け出す

電解液に陽極より酸化されやすい物質が無ければ、陽極の金属そのものが酸化され、イオンとなって液に溶け出します。陽極より酸化されやすい物質（液中の陰イオンや水）があれば、陽極は溶けずにその物質のほうが酸化されます。白金・炭素のような溶けにくい陽極では、ふつうこちらになります。陽極が溶ける現象を使って金属の表面を仕上げるのが電解研磨です。

4陰極の表面に、金属が析出する

陰極では、液中の金属イオンが電子を受け取って金属に戻り、陰極の表面に固体として現れます（析出）。めっきする金属の板を陽極、品物を陰極にして、品物の表面を金属で覆うのが電解めっきです。純度の高い金属を陰極に取り出す電解精錬も、同じ働きです。液の成分によっては、金属の代わりに液中の水が還元されます。

よくある誤りめっきしたい品物を陽極につなぐ
正しくは金属が析出するのは陰極なので、品物は陰極（電源の負側）につなぐ

5析出量は、流した電気量に比例する

電極に析出・発生する物質の量 W は、通った電気量 Q に比例します（ファラデーの電気分解の第一法則）。電気量は、電流が一定のとき、電流と通電時間の積です。電流を2倍にしても、時間を2倍にしても、析出量は2倍になります。

3 A を 20 分（1 200 s）流すと Q＝3×1 200＝3 600 C です。同じ時間に 6 A なら 7 200 C で、析出量も2倍です。

よくある誤り通電時間を分や時間のまま掛けて、電気量を C とする
正しくはC で表すときは、時間を秒に直して掛ける

6同じ電気量なら、価数に反比例する

同じ電気量で析出する物質の量は、イオンの価数 n に反比例します（第二法則）。1価のイオンは電子1個で原子1個に、2価のイオンは電子2個で原子1個になるからです。質量では原子量 m も掛かり、比例するのは m/n（化学当量）です。水素は1価、酸素と多くの金属は2価です。

電子 1 mol（96 500 C）で、銀（原子量 108、1価）は 108 g、銅（原子量 63.5、2価）は 63.5/2≒31.8 g 析出します。

よくある誤り価数が大きいイオンほど、同じ電気量で多く析出する
正しくは価数が大きいほど原子1個に要る電子が多く、析出する原子の数は減る

7Q を 96 500 で割ると、電子の物質量

ファラデー定数 96 500 C/mol は、電子 1 mol がもつ電気量です。Q を 96 500 で割ると流れた電子の物質量、それを n で割ると析出した原子の物質量、原子量 m を掛けると質量〔g〕になります。1/96 500 に m/n を掛けたものを電気化学当量と呼びます。これらは電流効率 100%（理論値）の式です。

銅（原子量 63.5、2価）に 3 600 C を流すと、W＝3 600/96 500×63.5/2≒1.18 g です。

8時間が h なら、27 で割る

1 A を 1 h 流すと 3 600 C なので、ファラデー定数は 96 500/3 600≒27 A·h/mol とも表せます。T を h で表すときは、96 500 の代わりに 27 で割ります。電流効率が与えられたら、理論の析出量に効率を掛けます。

銅に 6 A を 1.5 h 流すと IT＝9 A·h で、W＝9/27×63.5/2≒10.6 g です（96 500 C/mol で計算すると約 10.7 g。27 は 26.8 の丸めで、末の桁がずれます）。

よくある誤り時間を h のまま入れて、96 500 で割る
正しくはh なら 27、s なら 96 500 と、時間の単位と定数をそろえる

関連：電池