「熱」はエネルギーの一つの形態です。エネルギーの主な種類を表2-2-1に整理しました。
エネルギーはいろいろな形態に変化します。
例えば、風船には空気が詰まっていますので、「圧力」のエネルギーを持っています。口を開けると空気が勢いよく吹き出て、その反動で風船は飛びます。「圧力」のエネルギーが「運動」のエネルギーに変化して、空高く舞い上がると「運動」のエネルギーは「位置」のエネルギーに変化します。そして最後は落ちてきて、空気との摩擦や地面との衝突で「熱」エネルギーになります。自動車はガソリンをエンジンで燃焼させます。エンジンは、ガソリンの持つ「内部」エネルギーを一端燃焼して「熱」エネルギーに変換し、さらに「運動」エネルギーに変換する装置です。走っている自動車は道路や空気の抵抗があるためエンジンを稼働させ続けます。止まるときはブレーキで「運動」エネルギーを「熱」エネルギーに変換します。ブレーキは「熱」エネルギーが放熱しやすいように工夫されています。
このように、エネルギーは最後は、周囲温度（環境温度）と変わらない温度の「熱」エネルギーになり、それ以上、他のエネルギーには変化できなくなります。
1970年代に起きた「オイルショック」では、「石油（エネルギー）の枯渇」が問題となりました。一方、学校では「エネルギー保存の法則」として、「エネルギーは無くなることはない」ことを習います。
一見、この二つは矛盾しているように見えます。
これは、エネルギーは「有効エネルギー（エクセルギー）」と「無効エネルギー（アネルギー）」に分類され、「無くなる（枯渇）」のは「有効エネルギー」（「有効エネルギー」は「無効エネルギー」に変化します）であり、「エネルギーの総量」は変わらないのです。
例えば、100℃のお湯が100ccと、20℃のお湯500ccでは、同じエネルギー量となりますが、100℃のお湯では、おいしいコーヒーやお茶を淹れられますが、20℃のお湯はたくさんあっても、コーヒーやお茶を淹れるには向きません。この場合、100℃のお湯の方が「有効エネルギー」量が大きい（エネルギーの質が高い）ことになり、冷ましたり、冷たい水を入れて温度を下げ（周囲温度に近い温度にし）たりすると、エクセルギーが減少します。
電気（エネルギー）はニクロム線等で「熱」エネルギーに変換すると、1kWhの「電気」エネルギーは3,600MJの「熱」エネルギーになります。いっぽう電気エネルギーを得るためには、石油や天然ガス、約9,760MJの「内部」エネルギーを発電機に入力して、1kWhの「電気」エネルギーが得られます。
つまり、「電気」エネルギーは100％「熱」エネルギーに変換できるのですが、「熱」エネルギーは3600÷9760＝0.36885 約37％しか「電気」エネルギーに変換できないのです。
「電気」エネルギーは「有効エネルギー」にほぼ等しいと考えられます。
「電気」エネルギー ＞ 「熱」エネルギー つまり、同じエネルギー量であれば「熱」エネルギーよりも「電気」エネルギーの方が、「質が高い（有効エネルギー量が多い）」ことになります。
上記の各エネルギーは、最後は環境温度（周囲の気温）と変わらない温度の「熱」エネルギーになり、使えない熱エネルギー（「無効エネルギー」）となります。
東京には四季があるので、例えば「冬の環境温度」を「蓄熱」しておければ「夏」に有効利用ができます。逆に「夏の環境温度」を「蓄熱」できれば「冬」のエネルギー消費量を抑えることができます。北海道等では、「冬の厄介者」である「雪」を氷室等に蓄え、「夏に利用」しているところがあります。「東京」でそれを行うためには、利用できる温度差が小さいため、膨大な大きさの容器が必要になりますので、現実的ではありません。
このように、「環境温度」が変われば、それに対する「有効エネルギー」の量や「有効・無効エネルギー」そのものが変わってしまいます。昼と夜でも変わることがあります。
前述のように、「電気」エネルギーは全て「熱」エネルギーに変換可能ですが、「熱」エネルギーは約37%しか「電気」エネルギーに変換できません。
表2-2-2に示したように、一次エネルギー（原燃料）である「天然ガス」を燃焼させると約1,700℃の温度の「熱」エネルギーが得られます。そこから得られるエネルギー（二次エネルギー：一次エネルギーを加工して得られるエネルギー）を整理しました。
「天然ガス」をガス・タービンで燃焼させ、「運動」エネルギーを得て、発電機を回すことで「電気」エネルギーが得られます。燃焼温度を高くすることで、「発電効率」も高くなりますが、純鉄の融点は1,500℃程度であるため、高い温度のまま利用することは高度の技術力を要します。
ガス・タービンの排熱を排熱ボイラで回収し、高温、高圧の蒸気を取り出して蒸気タービンを回すことで、さらに発電します（コンバインドサイクル）。このシステムを改良することで、現状の最高発電効率は50%を超えます。このシステムの排熱温度は不明ですが、海水等で冷却することは変わりません。ただし、蒸気を冷却して液体にすることで、体積が縮む時の力も発電に利用しているようです（復水タービン）。
COP＝1.2〜1.5ということは、「1」の「熱量」を入力すると、「1.2〜1.5」の「冷熱量」が取り出せることを示します。「効率」とは異なる概念です。COP（CoEfficient of Performance）は「成績係数」と呼ばれます。
100℃前後の「熱」エネルギーで冷房用の冷水を取り出す機器では、COPが「1」未満となり、温度がさらに低下すると、COPも低下します。現在は「冷房需要」が多く、冬期でも「冷房」となる建物があり、少しでも多くの「冷水」を得るためにいろいろな機器が開発されています。
90℃程度でも「電気」エネルギーが得られる「バイナリー発電機」が開発されています。90℃程度の「熱」エネルギーだけではなく、「10〜30℃」程度、より低い「熱」エネルギーが同時に得られると効率が良くなりますが、冷却塔で冷やすと「電気」はその動力にも使用されてしまいあまり効率は良くなりません。
環境温度に近くなると「利用先」は限られ、「暖房」か「給湯」にしか利用できません。
環境温度を下回るとまた利用先が現われます。
家庭で風呂（42℃程度）を沸かすのに、「天然ガス」を使用するのは、実は勿体ない使い方だと思います。
HHV（Higher Heating Value）とは「高位発熱量」と呼ばれ、燃料が持つ全ての「内部」エネルギー量のことです。いっぽうLHV（Lower Heating Value））：低位発熱量は、水蒸気分を除いた「内部」エネルギー量です。例えば、
CH4＋2O2 → CO2＋2H2
メタンを燃焼させると炭酸ガスと水が発生しますが、通常、排気温度は100℃以上のため、水は気体である水蒸気の状態となり、水の蒸発潜熱分は利用できません。100℃以下とすると、水蒸気が液体となり、炭酸ガスやNOx等が溶け込み、酸性度の高いお湯となり、煙道や煙突等を腐食させるため、これまでは排気温度は100℃以上でした。そのため、LHVは「真発熱量」と呼ばれることもありますが、最近は中和技術が向上して「潜熱回収ボイラ」も開発されており、LHVで効率表記すると100%を超えた変な表記（効率が100%を超えることはありません）となることがあります。LHV表記ではHHVに比べて約10%高い値となるため、LHV表記が好まれることがあります。
「熱」エネルギーは、高い所（温度）から低い所（温度）に移動します。その逆の流れはありません。その伝わり方を表2-2-3に整理しました。
熱エネルギー量は、そもそもは分子の運動エネルギー量です。
・固体：分子同士の結合が強いため、分子は自由に動き回れず、その場で「振動」する。エネルギー量が多くなると、振動が大きくなる。やがて結合する力よりも動き回ろうとする力が上回ると結合が一部で壊れ、液体となる。密度は、高い。
・液体：分子同士の結合が固体より緩いが、気体ほど自由ではない状態。密度は、固体と気体の間。
・気体：分子同士の結びつきが弱まり、分子が自由に動き回る状態。密度は、低い。
◆結露
同じ室内にある空気でも、温度（熱エネルギー量）が異なると、なかなか混ざらないようです。冬期、立上ると頭が温かい空気の中に入ったと感じることはないでしょうか。エアコンからの温かい吹出し空気は、風速が遅くなったり、風が家具等に当ったりすると部屋の上部に溜まることがあります。また冬期に、北側の外壁の前に置かれたタンスと、その壁の間の空気がひんやり冷たいことがあります。
いっぽう、水蒸気は「水（H2O）」が気体になったものです。空気は窒素（N2）78%と酸素（O2）21%その他からなります。同じ室内で酸素が多い場所や窒素が多い場所が無いように、水蒸気も短時間に室内で均一になります。室内だけではなく、住戸内にも均一に広がるため、居間で加湿した水蒸気が北側の寝室へも速やかに広がります。その結果、北側外壁の前に置かれたタンスとその壁の間の温度が低い空気に混じると、水蒸気の状態を保てなくなり、壁面に「結露」してカビの原因となることが多いようです。
室内や住戸内には「温度の異なる場所」が多くあるのですが、水蒸気（湿度）は均一に広がるので、「結露」の原因となります。「結露」を防ぐには、「温度の低い場所を無くす」、つまり室内や住戸内の温度が均一になるようにすればよいことがわかります。
「熱」は高い所から低い所にしか流れませんが、機器の中で強制的に温度の低い部分を作ることで、冷媒を冷却する機器を「冷凍機」と呼びます。「熱」を低い所から高い所に汲み上げるので、「熱ポンプ」「ヒート・ポンプ」とも呼ばれます。ヒート・ポンプの内、冷凍や冷房のみに利用する機器が実は「冷凍機」なのです。
原理は、以下の通りです。
水は100℃で蒸発し、その際、蒸発潜熱を奪います。ただし富士山の山頂では、気圧が低いために蒸発温度は低くなります。
つまり圧力を低くすると、より低い温度で水は沸騰して蒸気になります。
蒸気吸収式冷凍機では、蒸発器の内部はほぼ真空のため5℃くらいで水は沸騰して蒸気になり、その際に周りから熱を奪います。
冷水は12℃くらいで冷凍機に入ると、その熱で水が沸騰して、12℃の冷水から熱を奪い、5〜7℃まで温度を下げ、その下がった冷水を空調機等へ供給して冷房します。
蒸発器内は、蒸気が満ちてくると蒸発が進まなくなるので、吸収器の吸収液で蒸気を吸収します（液体が気体を取り込むことを「吸収」、シリカゲル等が湿気（蒸気）を取り込むように固体が気体を取り込むことを「吸着」といいます）。
蒸気を吸収し続けると、吸収液が薄くなり、吸収しづらくなるので、再生器の外部から入力された高温の蒸気等で吸収液を濃く再生します。濃くなった吸収液は吸収器へ戻ります。吸収液の温度が高いと吸収しづらいので、冷却水で温度を下げます。
再生器で吸収液から分離された蒸気は凝縮器へ移り、冷却水で冷やされて、水に戻り、蒸発器へ移動します。
圧縮機で圧縮され、温度が高くなったフロンは、冷却水で冷やされ、液体になり（凝縮し）、蒸発器へ移動します。（図2-2-1参照）
このように「冷房する」ということは、室内の負荷で温度が上がった冷水の熱を冷凍機という機械を使って、その熱を強制的に冷却水に移して、冷却塔から排出することです。
冷凍機の効率は、「成績係数：COP（CoEfficient Of Performance）」で評価されます。
・蒸気吸収式冷凍機は、普通、COP＝冷水の熱量÷蒸気使用量＝1.2〜1.5程度
・電動ターボ冷凍機は、普通、COP＝冷水の熱量÷圧縮機の電気使用量
＝1.8〜2.2：一次エネルギー換算
＝5〜6 ：二次エネルギー換算
蒸気吸収式冷凍のCOP=1.5 ということは、冷水「1」の熱を処理した時に、蒸気を「1/1.5」使用して、冷却塔から「1+1/1.5＝1.67」の熱量を排出することになります。
電動ターボ冷凍機のCOP=5（二次エネルギー換算）ということは、冷水「1」の熱を処理した時に、電気を「1/5」使用して、冷却塔から「1+1/5＝1.2」の熱量を排出することになります。
（実際には、冷凍機等からの放熱があり、冷却塔からの放熱は若干少なくなります。）
家庭用のエアコンのCOPは、二次エネルギー換算で「3」程度のため、室内の「熱」を「1」処理すると、屋外機からの「排熱」量は「1.33」程度となります。屋外機からは「温かい風」が出ているので、「ヒートアイランド（熱汚染）」の大きな要因と思われる方もいると思いますが、これまで述べてきたように「太陽からのエネルギー」量の影響が多大です。
地球は、約6,000 K（ケルビン：絶対温度の単位）の太陽からの「光エネルギー」を受け取ります。宇宙空間は真空ですから、「放射」以外の熱の伝わり方はありません。そして、地球はほぼ0 K（-273℃）の宇宙空間にエネルギーを放射しています（図2-2-2参照）。放射量は絶対温度差の4乗に比例するので、天空面積に占める太陽の面積は小さいのですが、太陽との絶対温度の差が大きく、その点のような太陽からの放射エネルギー量と、地球の全周を取り囲む宇宙空間への放射エネルギー量が、釣り合った結果が15℃（288K）ということです。これが大まかな「地球の熱収支」です。この系に関係しない熱の入力・出力があると、地球の温度（15℃）が上下することになります。実際には太陽エネルギーは温度だけではなく、植物の成長や水の蒸発潜熱等、気温の上昇に影響を及ぼさないことにも使われるので、話しが複雑になっています。
炭酸ガスは、宇宙空間への熱の放射を妨げる働きがあるので、過度に濃度が上昇すると地球の温暖化を招くことになります。「温室効果」つまり「温室」は、ガラスで囲まれた空間で、ガラスは可視光はよく透過しますが、赤外線は吸収するので、外気温より温室内の気温は上がります。炭酸ガスの作用を「温室効果」というのは、上記の理由によります。
いっぽう、石油や石炭、天然ガスは、太古に地球に降り注いだ太陽エネルギーの結果であり、「太陽エネルギーの缶詰」とも言える代物です。これらを燃焼すると、炭酸ガスを発生させるだけではなく、「熱」も発生させます。この「熱」は時系列的には、太古に降り注いだ太陽エネルギーであり、図2-1-5に示した「熱収支」とは、時間がずれています。
つまり、石油や石炭、天然ガスを燃焼させるということは、温室のガラスを厚くしながら、温室の中で火を燃やしている状態に相当します。
今後、炭酸ガスの排出量を削減できたとしても、それはガラスの厚さを厚くしないようにする第一歩であり、ガラスの厚さが薄くなることでありません。さらに温室の中で「火を燃やす」行為が続くのであれば、温暖化は止まらないのではないでしょうか？
原子力エネルギー、地熱エネルギーも図の系から外れるため、「火を燃やす」ことには変わりません。3.11以降、日本の原子力発電が停止しましたが、それに伴う「海水温の低下」がいくつか報告されています。秋田の市民新聞「あおぽ」2013/3/15と201/4/12では「秋田県の水温低下で魚も変わる？」と報告しています。2013/12/20の月間「SPA」では、「原発停止で北方系魚介類が戻ってきた」という記事を掲載しています。温暖化の結果として「海水温が上昇」するのではなく、「地球の熱収支」の系外の「排熱」が「地球温暖化」に一役買っているのではないでしょうか？
