クエリ: 微粉炭、石油、ガスといった種類がある、理科の実験などで用いられる燃焼装置は何?
文章: ブンゼンバーナー この装置は可燃性のガスを、流速を制御しながら安全に燃焼させられる。天然ガスや液化石油ガスを用いるバーナーとしては最も一般的である。天然ガスの主成分はメタンで、少量のエタン、プロパン、ブタンを含む。液化石油ガスはプロパンやブタンである。ブンゼンバーナーが開発された当時は石炭ガスが用いられていた。 ブンゼンバーナー以前は単に噴出するガスを赤火で拡散燃焼させるのみであったため、炎が大きく、煤の発生がありガスの熱源としての利用が浸透しなかった。1800年台にロベルト・ブンゼンによって発明され、1828年にマイケル・ファラデーによる重要な改良が施された。1855年にハイデルベルク大学化学教室教授のブンゼンと同大学の装置製作技術者であるペーター・デザーガ(英語版)によってさらなる重要な改良が加えられ、ほぼ現在の形となった。現在使用されているガスコンロも構造的には殆どがブンゼンバーナーである。 近年ではアルコールランプに代わって小中学校の理科の授業などで比較的よく扱われることが多い。アルコールランプは一度引火すると息を吹きかけるだけでは消えにくい為、小中学校での取り扱いには向いていなかったという。
文章: 実験器具 テーブルトップで扱われる実験器具としては化学実験で用いられる、ビーカー、フラスコ、メスシリンダーなどの器具が代表的な例である。これらは、酸やアルカリ、有機溶媒などによる腐食に強く、洗浄が容易で耐熱性のあるパイレックスなどで作られることが多い。 実験器具としては、容器類・測定器具がほとんどの場で必要とされる。それらは日用品にも類似物があるが、より高い精度が求められる。 実験に使う器具は実用品で代用できるならそれでもよく、かつてはその例も多かったであろう。日本では江戸時代末期に化学が持ち込まれた際、ビーカーやフラスコはなかったため、青年たちはとっくりやぐい飲みで実験を行ったという。現在では、学校教育の充実や医療検査など、実験器具の需要が大きく広くなっているから、大抵のものは既製品がある。 しかしかつてはそのようなものはなかったから、また現在でも特殊な実験を行う場合には既製品では間に合わない。さらに実験とは、新たな試みであることが多く、当然ながら既製品が使えないことはままある。そのため、ある程度の器具は自作できなければならない。ガラス管の変形などは、実験者には必要な素養の一つである。 文章: 合成ガス 石炭は水蒸気によってガス化される。この反応は吸熱反応部分を高温で進行させるために、酸素燃焼などによって最低でも900°Cが必要とされる。 このガス化において、生じたガスの一酸化炭素と水素の組成比は用いた石炭の種類や反応条件といったもので決定される。 天然ガスや石油類といった炭化水素のガス化は、水蒸気を利用した水蒸気改質法と部分酸化法があり、部分酸化法のほうが高温で進行する。 文章: ガス灯 日本においても18世紀頃には、既に越後地方において「陰火」(いんか)として天然ガスの存在が知られており、ガスを灯火として用いた最古の記録としては、安政の大地震以前に盛岡藩の医師であった島立甫が、亀戸の自宅においてコールタールから発生させたガスを灯火として燃焼させたことが記されており(石井研堂『明治事物起原』より)、また同時期に盛岡藩の医師・鉱山技術者大島高任が水戸藩の建設した那珂湊反射炉の燃焼ガスを用いて照明とした記録(大島信蔵編『大島高任行実』より)や鉱山の石炭ガスを燃焼させて灯火として燃やした例などがある。 1857年(安政4年)には鹿児島県鹿児島市の仙巌園において、既存の石灯籠にガスの管を繋ぎ、照明としてガスを燃焼させた。この装置の製作を命じたのは島津斉彬であり、藩内各地において同様の装置を設置する構想も立てていたが、翌年の急逝で構想は流れた。 明治時代に入ってから本格的な西洋式ガス灯の照明器具が用いられるようになった。日本で最初に西洋式ガス灯が灯されたのは1871年(明治4年)、大阪府大阪市の造幣局周辺においてで、機械の燃料として用いていたガスを流用する形で工場内および近隣の街路にてガス灯が点灯された。その時使われたガス灯の器具は造幣局内に現存する。 文章: 硫化水素 多くの場合金属硫化物に酸性水溶液を加えると硫化水素ガスが発生する。 このことを利用して、中等教育における理科教育では、試験管を用いて微量の硫化鉄(II)と希塩酸から硫化水素を製造する実験がしばしば行われている。実験室規模での発生では硫化鉄と希硫酸からキップの装置を使って合成する方法もあるが、今日では実験用途では工業的に生産されたガスボンベを利用することが通常である。 毒性の高さから、実験室規模の製法の実施にあたっても、安全性を確保するために十分な換気の確保と理科教員や資格者による監視・管理のもと実施される必要がある。 文章: セントラルヒーティング セントラルヒーティングとは、一箇所にボイラーなど熱源装置を設置して、熱を暖房が必要な各部へ送り届ける暖房方式である。全館集中暖房(ぜんかんしゅうちゅうだんぼう)、中央暖房(ちゅうおうだんぼう)ともいう。 日本においては重油を主にした石油ボイラーが主として用いられてきたが、建物の種類や規模(民家など)によっては、ガスボイラーや灯油焚きボイラーも使われる。これらのボイラー熱で湯を沸かし、温水を循環ポンプで、または低圧蒸気を配管で直接、放熱器のある各部屋へ届ける。冷えた温水・凝縮した凝縮水は配管を伝いボイラー室に戻り、ポンプでボイラーに給水され一巡する。 各部屋に設置される放熱器は、一般的なストーブほど高温にはならないため、火傷や火災の危険が少なく、放熱器自体からは燃焼ガスの発散がまったく無いので安全性に優れる。一方で、設置時には大掛かりな工事を要し、初期費用がかさみがちなのが欠点である。 文章: 粉体工学 粉体の性質を検査する方法として、形状(外形、表面状態、粒径、表面積など)、力学的特性(せん断、圧縮、引張り強さなど)、粒度分布などの測定項目がある。また、液体中に分散した粉体の性質を示す指標として、表面電荷(電位・ゼータ電位)の測定も行われる。(粒度分布測定装置の項も参照) 数マイクロメートル以下の微粉体の検査では、光学的手法による観察が不可能であるため、走査形電子顕微鏡や、走査形プローブ顕微鏡が用いられる。 また、粉体の流動性や、コロイドにおける粉体の挙動、破壊現象、粉体の溶解など、動的な特性も重要な性質である。 文章: 微生物燃料電池 微生物燃料電池とは、微生物を利用して有機物(燃料)を電気エネルギーに変換する装置である。微生物燃料電池は燃料(有機物の溶液)に陽極(アノード)と陰極(カソード)が浸されている。アノードでは、燃料(有機物)が微生物により酸化分解される時に発生する電子を電極で回収する。その電子は外部回路を経由してカソードに移動する。移動した電子はカソードで、酸化剤の還元反応により消費される。アノードでおきる化学反応とカソードで起きる化学反応の酸化還元電位(電子を授受する能力)の勾配に従い電子が流れる。二つの極の電位差と外部回路を流れる電流の積に相当するエネルギーが外部回路において得られる。廃棄物バイオマスなどのエネルギー利用を可能にするものとして期待されている。なお、アノードの反応で副次的に生じる水素イオンは電極内の膜(陽イオン交換膜)を通過してカソードに到達する。水素イオンは、カソードで電子および酸素と反応して水を生じる。 MFCは、媒介型と非媒介型の2種類に大別される。20世紀初頭に実証された最初のMFCは、細胞内のバクテリアから陽極に電子を移動させる化学物質であるメディエーターを人工的に添加していた。非媒介型MFCは1970年代に登場した。このタイプのMFCでは、細菌の外膜にシトクロムなどの電気化学的に活性な酸化還元タンパク質が存在し、電子を直接陽極に移動させることができる。21世紀に入ってから、MFCは主に廃水処理で実用化され始めた。 また、土壌を利用した微生物燃料電池は、微生物学、地球化学、電気工学などの複数の科学分野を網羅しており、土壌や冷蔵庫の中にあるものなど、身近な材料で作ることができるため、教育ツールとしても有効である。実際に、家庭や学校で利用できる実験キットが販売されている。 文章: 火力発電 電磁誘導の法則を利用して、機械的エネルギーから電気エネルギーを得る機械である。現在の発電用では三相交流同期発電機が使用され、日本では商用電源として50Hz用と60Hz用に分けて採用されている。発電機で発生した電力を送電するにあたり、送電ロスを少なくするために電圧を昇圧する変圧器。日本では主に275kVや500kVまで昇圧している。特に石炭火力などは煙突より煤煙を噴出し公害をイメージするものとして描かれる事が多い。環境負荷を低減させるため、様々な処理設備を設けている。なお、LNG(液化天然ガス)はガスを液化する際にガス中の「ちり」、燃焼時に硫黄分などの不純物を取り除いているため、硫黄酸化物や煤塵の発生がない。また、近年では電子ビームを使用して脱硝、脱硫する装置もある。高熱による上昇気流の原理で排気を上方に導き上空に排出させる。 文章: タンカー 油槽船への油の積荷は送油側の陸上よりポンプで送り込まれるが、揚荷の場合には油槽船側のポンプによって取り出される。パイプラインは2~3種類の油が混ざらないように分けて搭載できるようになっており、大量に送油できるメインのラインの1つと、残油を扱うストリップラインが1つある。メインのパイプラインから揚荷時に使用するポンプは蒸気タービンで駆動され、大きな油槽船では数台が設置されている。 大型油槽船での油の送受は万一火災が発生した場合、非常に危険であるため、陸から離れた海上のシーバース(Sea berth)で行なわれる。シーバースには大型ブイがあり、大型ブイは海底パイプラインによって地上設備とつながっている。大型油槽船と大型ブイの間はフローティング・ホースによって接続され荷役が行なわれる。また、シーバースの使用により狭い港での接岸の手間と危険や余計な浚渫工事も省かれる。 積荷の油が発火するのを防止するために、ボイラーからの排ガスからススや硫黄燃焼物、湿気を取り除いて油槽内に送る「イナート・ガス装置」によって、油槽内に不活性化ガス(イナート・ガス)を送り込む。可燃性ガスや空気の代わりにこの不活性化ガスが満たされた石油/原油タンクにたとえ火が入っても、酸素がないために燃焼や爆発は起きない。 文章: メチルtert-ブチルエーテル メチルtert-ブチルエーテル (methyl tert-butyl ether、略称 MTBE) はエーテルに分類される有機化合物。IUPAC命名法では2-メトキシ-2-メチルプロパンと表される。引火点 -28 °C、沸点 55.2 °C。動物実験で発癌性が認められている。日本では消防法による危険物(第四類引火性液体、第一石油類)、労働安全衛生法による2019年有害物ばく露作業報告対象物に指定されている有機化学物質である。ガソリンに添加することで以下のような効果が得られる。1987年(昭和62年)、共同石油(現JXTGエネルギー)が日本国内で無鉛ハイオクガソリンを販売する際に、アンチノック剤として MTBE を添加し、「環境に優しい。加速が良い」とのキャッチフレーズで販売した。 文章: 空気砲 (科学教材) 空気砲(くうきほう)とは、比較的狭い開口部から急激に空気が押し出されるときにドーナツ状の渦輪ができるが、これを人為的に発生させて観察するための装置である。日本では、米村でんじろうが都立高校の教師時代に簡易にできる手法を開発し、学校の授業や科学館のサイエンスショーで理科実験の材料の一つとして扱い、この名前が広まった。身近にある材料で比較的簡単につくることができ、また応用実験を幅広く試すことがるため、学校の自由研究テーマとして扱われることも多い。一方で、空気砲で簡単につくることができる渦輪は、ソリトンの一種で流体力学の研究対象にもなる奥行きを持つものである。 文章: 逆推力装置 一般的なジェット機では、搭載しているジェットエンジンの構造により2種類の方法がある。 ターボジェットエンジンや低バイパス比のターボファンエンジンでは、エンジン後方のノズルに蓋をするような装置(スラスト・リバーサー)があり、これで機体後方に噴射していた排気ガス全体を機体斜め前方に反射して制動する。これはクラムシェル方式、またはバケット方式、ターゲット方式と呼ばれる。効率は良いが、高温にさらされるのでそれに耐える材料を用いなくてはならない。 一方、近年の大型旅客機などに採用されている高バイパス比のターボファンエンジンでは、コアエンジンを覆っているバイパス空気流の噴射方向を斜め前方へ偏向し、エンジンコアを通過してきた燃焼ガスについてはそのまま機体後方に噴射し続ける。制動力となるのは前方に偏向されたバイパス流の推力の余弦成分のみである。つまり「逆噴射」とはいうものの、一部についてはそのまま前方への推進力として残っている。バイパス比4(バイパス空気流80%:燃焼ガス20%)、逆噴射時のバイパス空気流が進行方向に対して30度の角度で噴射されるエンジンを例に考えると、80%の推力にcos30 をかけた69.3%が制動力となり、燃焼ガスの推力と差し引きして推力の49.3%で制動を行っているということになる。実際にはバイパス流が偏向される際に圧力損失が発生するため、制動力はさらに小さくなる。多くのエンジンでは離陸推力に対して最大40-50%程度の制動力を発揮できる。こちらはカスケード方式、もしくはコールドストリーム方式と呼ばれる。高温にさらされないので、アルミニウム合金などでも耐えられ、軽量化が可能となる。 文章: 褐色火薬 褐色火薬(brown powder)は、黒色火薬よりもゆっくりと燃焼する黒色火薬に似た火薬である。主な用途はライフル銃や大砲の装薬。見た目の色から、木炭を使用する黒色火薬が「ブラックパウダー」(black powder)と称されるのに対して、褐色火薬は炭素50パーセント前後の半焼炭を用いるので「ココアパウダー」(cocoa powder)とも呼ばれる。日本でも「褐色六稜火薬」として明治20年に採用され大砲などで使用されていた。これはドイツで開発され、六角形柱状で中心に丸い孔が空いており、その形状から来た名である。銃身にライフリングが刻まれたライフル銃は旧式の火縄銃などと違い銃弾と銃身の間に隙間がほとんど無い構造をしているため、銃の内部圧力が過大にならないようにするために、黒色火薬よりも燃焼速度の遅い火薬が必要となったことから黒色火薬を改良して開発された。 文章: エマルジョン燃料 A重油エマルジョン燃料の外見はカフェオーレ色、C重油エマルジョンは黒色、灯油・軽油エマルジョン燃料は乳白色の液体。本来は分離してしまう水粒子を油の膜層が界面活性剤を介在としてくるんでいる。 エマルジョン燃料の製造工程上、A重油と水を混合したエマルジョン燃料であればA重油の成分を含んだエマルジョン燃料になる。よって廃油であれば廃油の性質、C重油であればC重油の性質、灯油であれば灯油の性質、というようにエマルジョン燃料の性質は水と混合する燃料によって様々である。 ボイラーで使用されるエマルジョン燃料は、エマルジョン燃料製造装置により、そのボイラーが従来使用していた油に水と界面活性剤を加えてエマルジョン燃料を製造して使用する。A重油を使用しているボイラーはA重油エマルジョンを製造して使用する。エマルジョン燃料はボイラー内でまず水を包んでいる油が燃焼し中の水が急激に沸騰して微爆発を起こす。微爆発を起こして微粒子化した燃料は空気との接触面積が3200倍に増えるので完全燃焼しやすくなる。また、燃料と水の比率が70:30のエマルジョン燃料の場合は、従来の100燃料に比べて燃料は70%なので理論空気量も70%に減らせる。完全燃焼しやすいので過剰空気量も少なくて済み、空気量は100%燃料に比べて40%~50%減らすことができる。空気量を大幅に減らせるのでエマルジョン燃料の燃焼ガスはボイラー内での滞留時間が大幅に伸びて熱交換率が上がり100燃料と同等の燃焼効果を実現する。 このエマルジョン燃料を内燃機関で着火させると、まず低沸点の水粒子が気化・蒸発する。その際、まわりを取り囲む油が飛散し、より細かい径の粒子となる。この油粒子は体積あたりの酸素と接する面積が大きくなり、局部的な不完全燃焼が少なくなるため燃焼効率が高まりPMの発生量が減少する。同時に、含有する水の影響で内燃機関の温度が比較的低温となることから、窒素酸化物の発生も抑えられる。水分比25%の軽油エマルジョン燃料でディーゼルエンジンを稼動させた実験では、軽油100%と比較して窒素酸化物排出量が60%減少、PMの発生量は90%まで低減された。これにより、排出ガスを浄化する装置への負荷減少にも効果がある。 文章: アマーバッケ 煙突から排気を連続的に排出するのではなく、水蒸気のスモークリングを作る実験も行われた。