各量の単位を掛け合わせて整理する。
令和7年度 上期 第三種電気主任技術者 電力 問1
水力発電所の理論水力 P は位置エネルギーの式から P=ρgQH と表される。ここで H[m]は有効落差,Q[m³/s]は流量,g は重力加速度=9.8 m/s²,ρは水の密度=1 000 kg/m³ である。以下に理論水力 P の単位を検証することとする。なお,Pa は「パスカル」,N は「ニュートン」,W は「ワット」,J は「ジュール」である。
P=ρgQH の単位はρ,g,Q,H の単位の積であるから,kg/m³·m/s²·m³/s·m となる。これを変形すると,(ア)·m/s となるが,(ア)は力の単位(イ)と等しい。すなわち P=ρgQH の単位は(イ)·m/s となる。ここで(イ)·m は仕事(エネルギー)の単位である(ウ)と等しいことから P=ρgQH の単位は(ウ)/s と表せ,これは仕事率(動力)の単位である(エ)と等しい。ゆえに,理論水力 P=ρgQH の単位は(エ)となるが,重力加速度 g=9.8 m/s² と水の密度ρ=1 000 kg/m³ の数値 9.8 と 1 000 を考慮すると P=9.8QH[(オ)]と表せる。
上記の記述中の空白箇所(ア)~(オ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。
選択肢
解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
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解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
詳細Layer 2展開閉じる
(kg/m³)·(m/s²)·(m³/s)·(m) = kg·m^(−3+1+3+1)·s^(−2−1) = kg·m²/s³
補足Layer 3展開閉じる
これを(ア)·m/s の形に分けると kg·m²/s³ = (kg·m/s²)·(m/s) なので,(ア)= kg·m/s²。
ニュートンの運動方程式 F=ma より,kg·m/s² は力の単位 N に等しい → (イ)= N。
力×距離 N·m は仕事(エネルギー)の単位 J に等しい → (ウ)= J。
単位時間当たりの仕事 J/s は仕事率(動力)の単位 W に等しい → (エ)= W。
数値を代入すると ρg = 1 000 × 9.8 = 9 800 なので,
P = 9 800·QH [W] = 9.8·QH [kW] → (オ)= kW。
よって正しい組合せは (2) である。
各選択肢の解説
- (1)
(ア)kg·m (イ)Pa (ウ)W (エ)J (オ)kJ
誤り。(ア)kg·m を用いると kg·m·m/s = kg·m²/s となり,求めた kg·m²/s³ と一致しない。(イ)Pa は圧力の単位(N/m²)で力の単位ではない。(ウ)W は仕事率の単位で仕事の単位ではなく,(エ)J は仕事の単位で仕事率の単位ではない。(オ)kJ はエネルギーの単位で,P=9.8QH の単位としては kW が正しい。
- (2)
(ア)kg·m/s² (イ)N (ウ)J (エ)W (オ)kW
正しい。(ア)kg·m/s² を用いると (kg·m/s²)·(m/s) = kg·m²/s³ となり単位積と一致する。kg·m/s² は力の単位 N(イ),N·m は仕事の単位 J(ウ),J/s は仕事率の単位 W(エ)に等しく,9 800QH [W] = 9.8QH [kW] より(オ)は kW となる。
- (3)
(ア)kg·m/s² (イ)Pa (ウ)J (エ)W (オ)kW
誤り。(イ)Pa は圧力の単位(1 Pa = 1 N/m²)であり,力の単位ではない。力の単位 kg·m/s² に等しいのは N である。その他の(ア)(ウ)(エ)(オ)は正しい。
- (4)
(ア)kg·m (イ)N (ウ)J (エ)W (オ)kW
誤り。(ア)kg·m を用いると kg·m·m/s = kg·m²/s となり,kg·m²/s³ と一致しない。また kg·m は力の単位 N と等しくない。(イ)~(オ)は正しい。
- (5)
(ア)kg·m/s² (イ)N (ウ)W (エ)J (オ)kJ
誤り。(ア)(イ)は正しいが,(ウ)と(エ)が入れ替わっている。N·m に等しい仕事の単位は J,J/s に等しい仕事率の単位は W である。また(オ)kJ はエネルギーの単位であり,9 800QH [W] = 9.8QH [kW] となるので kW が正しい。
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