東京工科大学　工学部　応用化学科　ブログ

　「サステイナブル工学プロジェクト演習」。

　長い名前ですね。内容である「サステイナブル工学に関するプロジェクトを行う演習」がそのままタイトルになっている授業です。本学工学部の特徴の一つであるサステイナブル工学に関する教育、その集大成とも言うべき授業がこの「サステイナブル工学プロジェクト演習」で、昨日（９月１９日）がその第一回でした。

　この授業の学生がグループを作って各グループの「プロジェクト」を実施する、PBL (Project Based Learning) という形式の授業です。１年生後期の「コーオプ演習Ⅰ」をはじめとしてPBL形式の授業はすでに行ってきたのですが、今回の特徴は応用化学、機械工学、電気電子工学の３学科合同で行うことです。各グループに３学科それぞれの学生が参加して自分の専門分野を生かしてグループワークを行うのです。

　さて、第一回からグループを組んで...、とはいきません。まずは授業のイントロダクション、そしてプロジェクトで利用するLCA用のソフトウェアを各自のパソコンにインストール。３００人以上の学生が参加します。１年生に入学したとき、一緒に購入したはずのノートパソコンですが、これまでの２年半でそれぞれ違う状態になっているのでしょう。ソフトのインストーラーに対して警告メッセージが出て巧くインストールが進まないひとも。そんな学生さんも周りのひとと相談しながら作業を進め、ほとんどの学生さんがLCAソフトのインストールを完了しました。

　「濡れた手で触らないでください。」

　時々電気製品で見かける注意書きですが、これはもちろん感電防止のための注意です。そういえば、人が入っている風呂にコンセントにつないだままの電気製品（ヘアドライヤーとか？）を放り込んで殺害、なんてシーンを海外ドラマで見ることがありますから、水は電気を通す、というのが一般的な認識なのでしょう。

　その一方で、理科の授業で行う水の電気分解の実験では、水に水酸化ナトリウム NaOH を溶かして電気分解を行うのことが広く行われていますが、その理由は「水に電流が流れやすくするため」と説明されています。

　はて、水は電気を通すのか、通さないのか？

　答えはいつも通り、条件次第、程度次第、ということになりますが、それ以前に私たちが通常「水」と呼んでいるものと、理科の実験で使う「水」とは必ずしも同じものではない、ということに注意しましょう。

　先日、実家に帰ると「階段の電球が切れたので替えてくれないか」と頼まれました。階段の照明は60Wの白熱電球で、時々（年に一回くらい？）切れてしまいます。階段の途中で位置が高いので年寄りには交換が難しくなっています。

　さて、話変わって「サステイナブル工学」のお話。「人々が求めているのは物質そのものではなく、物質の持つ機能である。だから、同等の機能をなるべく少ない環境負荷で実現できる新たな物質を開発しよう」というのはサステイナブル材料工学の一つの方針ですが、この考え方の基本は物質合成だけに限られるものではありません。えっ？冒頭の振りとどんな関係があるのかって？ 件の白熱電球はその典型的な例だと思うのです。

　電球の機能は照明です。明かりを提供できるなら「フィラメントを加熱して白熱させることで光を発するもの」以外でも代用できるはずです。

　照明の手段として電球に次いで古い歴史のあるものは蛍光灯でしょう。蛍光灯は放電によって蛍光物質を光らせるもので白熱電球に比べてエネルギー効率が高く、今の言葉でいえば「地球にやさしい」製品でした。私の子供のころからあるもので、私の実家を父が建てた時（40年くらい前です）にも蛍光灯は一般に十分普及していました。では、なぜ実家の階段の照明は蛍光灯ではなく、白熱電球だったのでしょうか？

　本日（9月15日 金曜日）から後期授業が始まります。夏休みも終わり、15回の授業と期末試験の新しい学期が始まるのです。

　高校生の皆さんからするとずいぶんゆっくりした新学期スタートだ、と思われるかも知れませんが、本学の夏休み入りが8月9日だったことを考えると夏休みの長さはそれほど長くない、ということになります。

　実は今年度の夏休み、昨年度より短くなっています。

　私（江頭）は現在、オーストラリア、西オーストラリア州のWickepinという土地に出張中です。西オーストラリア州では大規模な農業が行われていて日本にも大量の小麦を輸出している大穀倉地帯なのですが、ここでは降水と蒸発のアンバランスによる塩害が問題になっています。耐塩性の樹木を植林することでこのアンバランスを解消し塩害を防いで農業生産を維持しよう、そんな研究の一貫として農地の地下水位レベルを測定する作業を今回の出張で行っているのですが......。

　この時期、オーストラリアでの季節は春先になるのですが、夏の暑さと水不足が厳しいこの地方では作付けは冬に行われるので、すでに実りの季節を迎えています。測定対象の農地には、昨年は小麦が植えられていたのですが、今年は輪作でキャノーラ（菜の花･アブラナの一種です。）が植えられていて、農場一帯が写真の様な風景に。

　以前、「人類の歴史を顧みると人間生活の向上は常にエネルギー消費の増加を伴っている」という主張について記事を書きました。それに関連して日本の最近のエネルギー消費とGDPの関係を議論したのですが、ここ5年ほど、GDPが上昇する（「人間生活（の質）」が向上する）一方で、消費エネルギーが減る、という現象が見られる、と指摘しました。今回はいろいろな国を比較して人間生活と消費エネルギーの関係を考えてみたいと思います。

　まず、「人間生活（の質）」について。GDPそのものは、この指標にはならないでしょう。おなじGDPでも人口の多い国と小さな国ではまともな比較になりません。ここは人口1人あたりのGDPを比較するべきですね。

　日本の話に限ればここ10年ほどの期間、人口はあまり変化していません。2010年にピークを迎え、その前後5年で1％以下の変化しかありませんから、ほぼ人口は一定だとみて良いでしょう。（ですから、2010年以降、GDPが増加しつつエネルギ－消費が減っている、という状況は人口減少が、少なくとも主要な原因ではない、とい言えると思います。）

　日本と他の国を比べる場合にはやはり人口1人あたりのGDPが比較の基準としてふさわしいと考えられます。同じく、1人あたりの一次エネルギーの消費とを比較したのが以下のグラフ。これも「エネルギー白書(2017)」から引用しました。

　先日の記事で、「人類の歴史を顧みると人間生活の向上は常にエネルギー消費の増加を伴っている」のだから、「化石燃料の使用を制限することは生活レベルの低下を意味する」という意見について、学生諸君の反応について紹介しました。要するに「化石燃料を使い続けることはできない」し「再生可能エネルギーがある」というリアクションでした。

　今回は、別途「人間生活の向上は常にエネルギー消費の増加を伴っている」という部分について、その真偽を日本のデータから考えてみたいと思います。

　まず、明治維新以前と以後、そして戦前までの期間について考えれば「人間生活の向上は常にエネルギー消費の増加を伴っている」のは明かでしょう。産業革命（日本では明治維新がこれにあたります）以降、エネルギーの利用の仕方が根本的に変化し、これが人々の生活を良くしたことに疑いはありません。もちろん、細かくみればこの流れに反して、エネルギー消費が増えたが生活レベルが下がった場所や時期があるかも知れません。しかし、それはぞれ、全体の傾向とは言えないと思います。

　そして戦中と戦後初期の混乱期。この期間中にエネルギー消費は下がった時期もあるでしょう。人々の生活は、おそらく場所によって大して変化しないところもあったでしょうが、一部では街全体が消失し、多くの人が命を落とすことにもなり、おおむね、人々の生活は良くはなっていないと思われます。いずれにしても特殊すぎる期間であり、歴史の趨勢とは言えない時代です。

　というわけで、以下のデータを「エネルギー白書（２０１７）」から引用してきました。オイルショック直前の1973年から2015年までのエネルギー消費、そして「人々の生活の質」を代表するものとしてGDPの変化が対比されています。

　物理量は数値と単位を掛け合わせたものとして表現されます。単位にはいろいろなものがありますが、長さの単位、質量の単位、時間の単位など、互いに換算が可能な単位がついた物理量をまとめて同じ次元をもつ、とよびます。（この辺の事情はこちらで説明しています。）

　原理や法則から理論的に導き出された式、すなわち理論式は両辺の次元が一致していること、実験結果をまとめた実験式も同様に次元が一致するように表現すると便利であることなども説明しましたが、今回は理論式について、の両辺の次元が一致している、という条件からどのようなことが言えるのか、を考えてみます。

　まず、重力によってものが落ちる、いわゆる自由落下をする場合、落ちる距離 x と落ち始めてからの経過時間 t との関係について考えてみましょう。普通に運動方程式を立てても良いのですが、今回は少し代わった解き方を紹介します。

　まず、自由落下の現象に関わる物理量は何でしょうか？ 重力加速度 ｇ 落下する物質の質量 m 、これで全部ですね。(空気抵抗は無視しています。）

　x の次元は長さの次元 L 、t の次元は時間の次元 T、m の次元は質量の次元 M となります。g の単位は組立単位なので、その次元も長さと時間の次元で表現されて、 LT ^-2 となります。

　さて、運動方程式の解がどのようなかたちになるにせよ、 x は ｔ 、 m 、 g の関数で表されるはずですから、これを

　 x = A t ^α m^β g^γ

で表してみましょう。（ここで A は無次元の定数とします。）

　両辺の次元が等しいとすると、以下の図の様な計算で実は

　x = A t ²g

という関係が成立することが示されます。（図の dim() という関数は物理量の次元を表すものです。）

　前回、工学で利用される数式には「理論式」と「実験式」がある、ということを解説しました。また、物理量の「次元」についても紹介しています。今回は、「実験式」と「次元」の関係について考えてみましょう。

　まずは実験式から。実験式は「実験データを整理して式のかたちにまとめたもの」ですから、話は実験から始まります。下図の青いマークがデータ点だとします。横軸をX、縦軸をYとすると、Xが増えるとYも増える、なるほどYはXに比例するのかな、と思って詳しく見てみるとYはXが増えるほどには増えない、少し頭打ちになっていることが判ります。

　なるほど、このデータを再現するような式を作るとしたら

Y =a X^b

のかたちが良さそうです。（ここで、a、b は定数となります。）

　さて、ここで次元の話を思い出してみましょう。

　物理量には次元があり、次元が違う物理量は足したり引いたりできない、そう説明したと思います。よって、物理量の関係式は、左辺と右辺の次元が同じでなければならない。

　では、Y =a X^b の左辺と右辺の次元は一致するのでしょうか？

　化学や物理では、いろいろな問題の中に、「適切な数式に数値を代入して答えをもとめる」というタイプの問題が出てきます。いろいろな変数のあいだの関係が数式で与えられていて、問題で指定された個別の状況に対して数式を適用することで求める答えが得られる。当たり前のことではありますが、このような数式の利用法は科学や工学の学習の大きな部分を占めています。というか、工学が社会で実用される際に、この数式の利用法が重要な役割を担っているからこそ、教育に際して重要視されることになるのです。

　さて、今回はこのような「数式」が一体どのようにして得られるのか、という点を考えてみましょう。

　今回のタイトルに示したように、工学で使われる式は、理論式と実験式に大別されます。

　まず、理論式から。これは原理や法則から導出される式のことです。問題の理解の仕方や導出が間違っていなければ、正しい結果を与える式で、実験で確認する必要がないと見なされます。もちろん、原理や法則は実験と無関係にできあがったものではありません。原理や法則は十分実験で確認されているので、そこから導かれる理論式を再度実験で確認する必要は無い、ということです。

　では、原理や法則から直接導出できない、つまり理論式は無いが、どうしても知りたい変数間の関係がある場合、どうすれば良いのでしょうか。こんな時は実際に実験を行って、その結果を式にまとめる、ということが頻繁に行われています。これが実験式です。