第 三 章 化 石 燃 料 Fossil Fuels 3-1 化石燃料資源 3-7 燃燒熱與熱值 3-2 煤 3-8 熱機 3-3 石油 3-1　化石燃料資源 3-2　煤 3-3　石油 3-4 天然氣 3-5 頁岩油與油砂 3-6 天然氣水合物 3-7 燃燒熱與熱值 3-8 熱機 3-9 發電機 3-10 電動機

化石燃料 係因遠古時代動、植物死亡後演變而來 3-1　化石燃料資源 化石燃料 係因遠古時代動、植物死亡後演變而來 其種類包含了煤、石油、天然氣、少量的頁岩油及油砂、天然氣水合物，直到今日，化石燃料仍佔商業上能源資源使用的90% 左右，其重要性可見一般。

3-1　化石燃料資源 初級能源蘊藏量 根據英國石油公司 (BP) 於2008年之統計報告中指出，至2007年底年世界初級能源推估，全球石油蘊藏量約可維持41.6年使用量、天然氣約60.3年、而煤則可維持133年。因此，除了煤以外，石油及天然氣等化石燃料及鈾礦在未來數十年內將逐漸面臨耗竭的窘境。 蘊藏量 產量 供應年限 石油 12,379 億桶 8,153 萬桶/日 41.6 天然氣 177.36 兆m3 2.94 兆m3/年 60.3 煤炭 8474.88 億公噸 31.35 億公噸/年 133

蘊藏量和資源 資源乃包括: 當今科技、當今價格應可開採但仍未發現的其他原料之估計量 3-1　化石燃料資源 蘊藏量和資源 資源乃包括: 當今科技、當今價格應可開採但仍未發現的其他原料之估計量 將藉未來科技、可能較高的未來價格開採的已發現與待發現的物資 蘊藏量係指已被發現且可利用當今技術開採而獲利的物質或能源

3-1　化石燃料資源 鐘形生產曲線 剛開始發現新能源時，由於價廉及開採容易，因此燃料的產出以指數形式成長。但當燃料的使用達最大值後，由於價格的上升、替代燃料的成長及開採困難度增加等因素，致使該燃料的產量逐漸下滑。 美國石油產率 ( 實線 ) 及哈伯預測 ( 虛線 ) 的分佈情形

3-1　化石燃料資源 美國天然氣產出及鐘形生產曲線分佈情形

3-2　煤 煤的生成 煤的產生，起源於3.5億年前地球上大量的植物生成。遠古時代巨大沼澤區上長滿了各種植物如蕨類、灌木類、藤類、樹木及藻類等，當這些植物長大後又傾倒在沼澤上時，有機物質中的煤元素乃逐漸累積於沼澤底部。剛開始時，死亡的植物經歷了好氧反應 (aerobic reaction) 而產生二氧化碳、甲烷及其他氣體。之後，由於深埋地下而未暴露空氣中，續而進行厭氧反應 (anaerobic reaction)。換言之，煤的形成是由於大量的有機物質緩慢分解及化學轉換的結果。

3-2　煤 煤的外觀

煤的基本特性 元素分析：包含C、H、O、N及S等五元素百分比例之定量分析 。 3-2　煤 煤的基本特性 元素分析：包含C、H、O、N及S等五元素百分比例之定量分析 。 近似分析；包含了水分 (moisture)、揮發分 (volatile matter)、灰分 (ash) 及固定碳 (fixed carbon) 之分析 。 藉由熱卡計可得知燃料單位質量反應後釋放之熱量；其又分成高位發熱值 (higher heating value, HHV) 與低位發熱值 (lower heating value, LHV)。HHV與LHV的差異在於，當燃料反應後的水分最終狀態為液態，則釋放之熱量為HHV；反之若水分最終狀態為氣態，則為LHV。

3-2　煤 煤的分類 煤形成過程第一階段轉變成泥煤(peat)，但泥煤並不包含於煤炭的分類中，其水分可達70%，而熱值則僅約3,000 Btu/lb。根據植物的煤化程度煤炭的分類： 褐煤:水分含量約30%，含碳量 ( 固定碳 ) 達30%，而熱值介於5,000到7,000 Btu/lb之間。揮發物含量高及反應性佳則是其優點。 亞煙煤:亞煙煤的水分為15~30%，含碳量約40%，而熱值則為8,000到10,000 Btu/lb之間。亞煙煤易自燃、揮發性高、具結塊性、且硫份及灰份少。 煙煤:是最豐富的煤種，碳含量則約50~70%。煙煤的熱質介於11,000到15,000 But/lb之間。 無煙煤:碳含量約90% 左右，最高可達95%，而水分則僅約3%左右，且硫份及灰份也低。無煙煤為最硬之煤，熱質約14,000 Btu/lb。

3-2　煤 全球煤炭蘊藏量之估計值(2008)

分類表(American Society of Testing Materials) 3-2　煤 分類 分類標準(區分) 無煙煤 (Anthracitic) (Anthracite) 固定碳 (92~98％) 揮發物 (2~8％) 高 級 煤 亞無煙煤 (Meta- Anthracite) 固定碳 (98％) 揮發物 (2％) 半無煙煤 (Semi-Anthracite) 固定碳 (86~92％) 揮發物 (8~14％) 煙煤 (Bituminous) 低揮發煙煤 (Low volatile bituminous) 固定碳 (78~86％) 揮發物 (14~22％) 中揮發煙煤 (Medium volatile bituminous) 固定碳 (69~78％) 揮發物 (22~31％) 高揮發煙煤A (High volatile bituminous A) 固定碳少於69 揮發物高於31 熱值(Btu/lb)14000以上 高揮發煙煤B (High volatile bituminous B) 熱值(Btu/lb) 13000~14000 高揮發煙煤C (High volatile bituminous C) 11000~13000 亞煙煤 (Subbituminous) 亞煙煤 A (Subbituminous A) 10000~11000 低 亞煙煤B (Subbituminous B) 9500~11000 亞煙煤 C (Subbituminous C) 8000~9500 褐煤 (Lignite) 8300(有聚合性) 棕煤 (Brown Coal) 8300(無聚合性) 美國ASTM 分類表(American Society of Testing Materials)

煤炭等級與用途 Class C (%) H (%) USES Anthracite無煙煤 93-95 3.80-2.80 工業 燃料 3-2　煤 煤炭等級與用途 Class C (%) H (%) USES Anthracite無煙煤 93-95 3.80-2.80 工業 燃料 Semi anthracite半無煙煤 91-93 4.25-3.80 Sub bituminous亞煙煤 80-91 5.60-4.25 電力 鋼鐵業 Bituminous煙煤 75-80 5.60-5.10 Lignite褐煤 60-75 5.70-5.00

煤的利用 1. 燃燒 燃燒為將煤置於高溫環境中，在充足氧化劑的條件下，把煤炭破壞而轉化成二氧化碳及水，此過程將釋放出大量的熱量以利能源利用。 3-2　煤 煤的利用 1. 燃燒 燃燒為將煤置於高溫環境中，在充足氧化劑的條件下，把煤炭破壞而轉化成二氧化碳及水，此過程將釋放出大量的熱量以利能源利用。 2. 氣化 在高溫及不充分氧化劑環境下，使煤炭與空氣(或氧) 進行不完全或部份燃燒，甚至通入水蒸氣反應以產生富燃料氣體，產氣主要包含了一氧化碳、氫氣與部份甲烷 ，前兩者即俗稱之合成氣。除了上述氣體外，氣化之產物尚包括了焦油及硫化物(如H2S、COS及CS2)等。 燃燒反應

煤的利用 氣化反應 Water-gas reaction Shift reaction 3. 液化 3-2　煤 煤的利用 氣化反應 Water-gas reaction Shift reaction 3. 液化 液化乃是高溫及高壓的環境中將固態煤炭轉變類似原油的液體產物的方法。而產生的液態燃料經由蒸餾後，即可得到汽油及煤油等。

3-3　石油 石油的生成 石油是由有機物質在古地質年代沉積而成。據推測，約在數億年前，大量的浮游生物及動植物 ( 如藍、綠海藻類等單細胞植物及有孔蟲類等單細胞動物 ) 死亡後，其殘骸堆積在海底下逐漸形成沈積物。由於沈積物的重量，使得該地區持續下陷，進而形成沈積盆地。這些埋藏在沈積盆地內的動植物殘骸，在缺氧環境下經細菌作用將碳水化合物中的氧逐漸消耗掉，再隨著埋藏深度的增加，溫度與壓力也相對提高，經過數百萬年後，有機物逐漸受熱裂解出油氣。

3-3　石油 沈積盆地形成後，長期受無數次的地殼運動，會產生各種不同的地質構造。一個良好的儲存油氣的封閉構造，除應具有良好的孔隙率及滲透率的儲油層外，此儲油層的上方必須有緻密不透油、氣、水的岩層，如頁岩、泥岩等，即所謂的蓋層，其作用為封蓋住進來的油氣，不讓油氣向上逃逸。

3-3　石油 石油的探勘 常用的方法有「地質調查」、「地球物理測勘」及「地球化學測勘」等方法。地球物理測勘是應用物理學原理和方法，測定岩石的物理性質變化，一般分為「重力測勘」及「震波測勘」。目前最常用也較精確的一種方法是震波測勘，其乃利用地下各種岩層具有不同之彈性與密度，震波傳導的速度因而有快慢之別，且能產生反射現象，由其震波傳遞回來的時間可推算岩層之深度及厚度，從而測繪出各地層的地下地質構造。地球化學測勘是藉生油岩評估及生油岩與油氣對比，推測生油的沈積層位及油氣移棲之途徑，以確定最有利的鑽探地點。當然，地面上的勘查僅能指出利於石油積聚於地下岩層的條件，目前唯一能確認油氣儲存仍需仰賴鑽井 。

3-3　石油 全球石油蘊藏量之估計值(2008)

3-3　石油 石油開採

石油開採 依開採的程度分成: 一級或初級開採 (primary recovery)、二級開採 3-3　石油 石油開採 依開採的程度分成: 一級或初級開採 (primary recovery)、二級開採 (secondary recovery)及三級開採 (tertiary recovery)。

3-3　石油 石油開採 初級開採：油井開採之初，有些油井使石油自然地噴出，稱之為自噴油井 (gusher)。之後，為了保持或增加油的流出，乃需使用泵(pump)造成井的頂部形成局部真空而抽出油。初始開採可吸出地下油田15% 左右的石油。 二級開採：乃注入水使地下油田增壓而吸出石油，此時約可再抽出20% 左右的石油，仍有約三分之二的石油儲存於地下。 三級開採：又稱為「強化石油開採」，可送入蒸汽到地底下再增加地下原油的抽出量。另一種方法是使用二氧化碳或氮氣，將氣體灌入油田中，藉由壓力的增加使石油跑出岩石外。第三種方法則是使用化學藥品如高分子取代氣體以強制石油離開油田。三級開採約可再抽出油田中原有石油儲量的10% 到20% 左右。

3-3　石油 石油分餾 分餾的操作原理為將原油打入加熱爐內，按不同的原油種類和產品加熱到400℃左右，蒸氣和未蒸發的油進入分餾塔，分餾塔為圓柱形，內有數十塊塔板。油氣上升到塔頂，被水冷式冷凝氣所冷凝。部分被冷凝的液體作為回流被送到塔頂，從一塔板下流到另一塔板，與上升的氣體相接觸，液體吸收氣體中的重組分而釋放出輕組分，最終達到平衡，此時最輕的組分處在塔頂的塔板上，最重的組分則處在最低的塔板上。

3-3　石油 石油分餾 原油經分餾後，僅能獲得20到25%的汽油，其數量不僅未能應付急速發展的交通事業需要，其辛烷值亦漸不能滿足高壓縮比引擎之要求。自第一次世界大戰後，由於石油熱裂煉科技的突破，從此成分複雜的石油可以透過此項技術提高原油之汽油產率，同時也衍生出千百種用途的石化原料。熱裂解係在高溫及高壓的條件下，將石油中長鏈分子分裂為短鏈分子以得到產品，例如從煤油和重餾分油生產汽油。 　　於1930年代和第二次世界大戰期間，由於觸媒的引進，使產品的質量和產量得到進一步的改進和提高。現在重餾分油的觸媒裂煉是生產石油的最重要過程之一，使用觸媒催化反應可以在比熱裂煉緩和得多的條件下，得到更高的產率和質量，常用之觸媒為矽鋁混合物或分子篩催化劑。觸媒裂煉可用固定床、移動床或流體化床。

石油蒸餾後產物 分餾物 分子大小 沸點(℃) 用途 瓦斯 C1〜C5 -165℃〜30℃ 氣態燃料 石油醚 C5〜C7 30℃〜90℃ 溶劑 3-3　石油 石油蒸餾後產物 分餾物 分子大小 沸點(℃) 用途 瓦斯 C1〜C5 -165℃〜30℃ 氣態燃料 石油醚 C5〜C7 30℃〜90℃ 溶劑 汽油 C5〜C12 30℃〜200℃ 汽車用油 煤油 C12〜C16 175℃〜275℃ 煤油引擎、噴射機用油 燃料油 C15〜C18 高至375℃ 工業爐用油 潤滑油 C16〜C20 350℃以上 機件潤滑 油脂(Grease) C18以上 半固體 石蠟 C20以上 52℃〜57℃之間融化 蠟燭 瀝青 甚高 鍋爐殘餘物 屋頂及道路鋪面

烷類碳氫化合物（CnH2n+2）之主要用途 n 分子式 名稱 主要用途 1 CH4 甲烷 天然氣 2 C2H6 乙烷 3 C3H8 丙烷 3-3　石油 烷類碳氫化合物（CnH2n+2）之主要用途 n 分子式 名稱 主要用途 1 CH4 甲烷 天然氣 2 C2H6 乙烷 3 C3H8 丙烷 桶裝液化瓦斯 4 C4H10 丁烷 5 C5H12 戊烷 汽油 6 C6H14 己烷 7 C7H16 庚烷 8 C8H18 辛烷

3-4　天然氣 天然氣 天然氣生成過程和石油一樣，也是由於原始物質經過連續的變質階段，隨後被積聚和捕集於氣層中。它的大部份組分來自沉積岩中的有積物質，其他組分則來自純無機物質，主要成份為甲烷。天然氣依其原始蘊藏狀態，可分為「構造性天然氣」、「水溶性天然氣」、「煤礦天然氣」等三種，而構造性天然氣又可分為「伴生氣」與「非伴生氣」兩種。若天然氣的產生是在礦區開採原油時伴隨而出，則稱為伴生氣。反之，如果一儲區中僅有天然氣產出而無原油，則稱為非伴生氣。前者乃屬於溼性天然氣，而後者則屬於乾性天然氣。

3-4　天然氣 全球主要天然氣蘊藏量之估計值(2008)

3-4　天然氣 從氣井出來的天然氣一般不能直接應用，其除含有極高的甲烷含量外，並有較重的烴類，此外，還含有比例不固定的氮類、二氧化碳、硫化烴、硫醇和其他硫化物。因此，氣體需要進行加工使其符合使用標準，同時可回收比氣體本身價值更高的液體或固體組分。 氣體之加工處理步驟為：(1) 在操作壓力下膨脹以產生冷凝液，除去冷凝液的氣體並用乙二醇脫水；(2) 用二乙醇胺除硫化烴和二氧化碳；(3) 用鹼去除硫醇；(4) 用冷卻或油吸收方法抽提出比甲烷鏈更長的烴類。

3-4　天然氣 天然氣的運輸 天然氣的運輸方式取決於其型態，氣態可在高壓下用管道運輸，而液態則可用船運輸。由於產出之天然氣為氣態，在某些情況下並不利於儲存及運送，工業上常把礦區出產的天然氣冷凍至零下1620C，使其成為一種無色、無臭的液體，體積也縮減為氣態時的六百分之一左右，以便於儲存及越洋運送，此液態的天然氣即稱為「液化天然氣(liquefied natural gas, LNG) 」。天然氣液化後，為維持其低溫狀態，必須用專門設計、具特殊冷凍功能的油輪運送到買方接收站，並經由卸料臂送到低溫儲槽儲存。使用時，藉由海水汽化裝置，可將液態天然氣復原為常溫氣態，然後經由長途輸送管線，將天然氣輸送到發電廠、工廠及家庭用戶使用。

燃燒煤炭、石油及天然氣所產生溫室氣體及主要污染物比較 (lb/106 Btu) 3-4　天然氣 燃燒煤炭、石油及天然氣所產生溫室氣體及主要污染物比較 (lb/106 Btu) 化石燃料 煤　炭 石　油 天然氣 CO2 208,000 164,000 117,000 NOx 457 448 92 SO2 2,591 1,122 0.6 粒狀污染物 2,744 84 7

3-5　頁岩油與油砂 岩頁油(Shale Oil) 岩頁油為自油頁岩中提煉出的油品。油頁岩為暗色細粒的老沉積岩，富有固態的有機物或碳氫化合物稱為油母質，經過處理之後可產生類似石油類的原油。 油頁岩乃數百萬年前古代植物及水生動物遺體及各種礦物一起堆積於湖泊或淺海底部，之後石油湖泊環境的沉積受到時間、壓力、溫度等種種因素的影響，而把這些沉積物轉變成含有碳氫化合物的岩石。

3-5　頁岩油與油砂 岩頁油(Shale Oil)

3-5　頁岩油與油砂 目前已知全球油頁岩的資源極為豐富，相當於約5兆桶的原油。在此數量中，美國的格林河層粗估有0.6到2兆桶的蘊藏量，比美國原油的蘊藏量還豐富。格林河層面積達44,000平方公里，跨越了科羅拉多州 (Colorado)、猶他州 (Utah) 及懷俄明州 (Wyoming) 並涵蓋四個主要盆地。

3-5　頁岩油與油砂 頁岩油的提煉 一般而言，1公噸油頁岩中含原油量約在1桶 ( 即159公升 ) 左右，以目前的技術可回收其中近九成，若每公噸產量在40公升以下，通常就不能稱為油頁岩。 頁岩油的提煉過程為相當簡單，油頁岩採出後先將其壓碎 (crush)，而後再加熱至330至4800C之間，以釋放出油頁岩內的油母質成份使成為碳氫化合物的蒸氣，而殘餘物質則是類似焦炭的固體，此一過程稱為蒸餾 (retorting)，之後將蒸氣冷卻就可得到油和氣。

阻礙油頁岩開採的因素 開採過程，由於油頁岩深埋在地底下，為得到油頁岩必須先去除礦場的覆蓋層，此即為一花費昂貴的程序。 3-5　頁岩油與油砂 阻礙油頁岩開採的因素 開採過程，由於油頁岩深埋在地底下，為得到油頁岩必須先去除礦場的覆蓋層，此即為一花費昂貴的程序。 能源密度較低，其能源密度和煤比較約只有煤能源密度的八分之一。 當油頁岩經蒸餾取出碳氫化合物後，其體積將膨脹而增加約35% 左右，因此無法單純地將用過後的油頁岩棄置於原來開採後遺留下的場址，必須另覓廢棄物的廢置廠。 從油頁岩中產出1公升的油需要3公升的水，若以格林河層為油頁岩的開發對象，由於當地極為乾燥，因此水資源的取用將是一大問題。

3-5　頁岩油與油砂 油砂(Tar Oil) 油砂係石油滲透入地球表面的多孔性砂中而形成，其除了含沙、黏土及水外，尚含有似焦油的碳氫化合物，其是一種非常黏稠的原油，稱為瀝青，瀝青在油砂中的含量約有11~12%，因此，油沙又稱為瀝青砂。

3-5　頁岩油與油砂 油砂(Tar Oil) 傳統的生產方法是先把砂礦挖出，而後混合熱水及鹼將瀝青釋放出來，再以浮選法分出瀝青。現代方法則先將油砂壓碎，混合熱水及蒸汽，分出瀝青後以輕油 (C4到C10之碳氫化合物 )稀釋，再以離心法分離，此瀝青可利用延遲結焦或流體化結焦及氫化法加以提升，以得到合成原油 (synthetic crude oil)，此時即可進行煉製。此外，也有就地的方法，即利用蒸汽注入地下油礦開發。雖然自1966年以來即付出許多的努力以開採油砂及提煉合成原油，但至近年來技術的演進才將開發的成本降至值得開採的地步並獲利。1960年代開採油砂中的油，每桶成本約要30美元。至1995年時，合成原油的生產成本已降至10.5美元，而瀝青的回收率約92%。

3-5　頁岩油與油砂 油砂(Tar Oil) 油砂外觀 阿塔巴斯卡河區域

3-6　天然氣水合物 天然氣水合物 天然氣水合物是一種非傳統的化石燃料。據推估全球天然氣水合物蘊藏量約有2×1016立方公尺（一大氣壓），是現今傳統化石燃料儲量的兩倍以上，就目前全球能源短缺而言，若能妥善開發利用天然氣水合物，對未來全球能源的供應會有很大的助益。天然氣水合物具有分布廣、儲量大、潔淨等優勢。 自然界產出的天然氣水合物，包合的氣體分子可能有甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、氮、二氧化碳、硫化氫等。由於自然界產出的天然氣水合物中，90％以上所包合的氣體分子主要是甲烷，因此天然氣水合物也通稱作「甲烷水合物」。

3-6　天然氣水合物 天然氣水合物的結構 天然氣水合物是天然的碳氫化合物氣體，在大於50個大氣壓的高壓，及低於攝氏7度的低溫環境下，被籠狀架構的水分子包合而形成的一種類似冰晶的白色固體。 通常用mM．nH2O表示，其中M是氣體分子，m是氣體分子數，n 是水分子數。

3-6　天然氣水合物 天然氣水合物的分布 天然氣水合物存在的地質環境，多局限在極區永凍層、深水區等有大量沉積物堆積、沉積速率快，而且富含有機物的區域。深水區的天然氣水合物大多分布在大陸邊緣，水深500至3,000公尺海域的大陸斜坡、大陸隆堆等地區。少數如大陸內海、湖泊等深水區，也有天然氣水合物的蘊藏。

3-6　天然氣水合物 天然氣水合物的分布

3-6　天然氣水合物 天然氣水合物的探勘 海底天然氣水合物的探測一般是先使用地球物理方法，包括「反射震測」、「海底地震儀」、「海底地電阻」等，分析海床下的地層特性，辨識賦存天然氣水合物的特徵。在海床下，天然氣水合物常出現在較均質的地層中。在天然氣水合物穩定帶的底下，因有氣態物質存在，共震波傳播性質與上下地層差異極大，造成一平行於海底的顯著介面，稱為「海底仿擬反射層（bottom simulating reflector, BSR）」。另一方面，經由量測地熱，可推估天然氣水合物穩定存在於海床下的深度，繼而進行海床沉積物及底水樣本的地球化學分析，或以海底照相或無人載具的海床觀測、深海鑽探與井測等。

3-6　天然氣水合物 天然氣水合物的探勘

3-6　天然氣水合物 天然氣水合物開發所衍生之問題 未來的能源資源：天然氣水合物的開發需要採用類似石油、天然氣的探勘與開發策略，也就是「石油系統」的開發策略。從天然氣水合物的生成來源、移棲管道、貯藏構造，到開發環境都要考量。 對全球碳循環與氣候變遷的衝擊：天然氣水合物中有機碳的儲量是全球碳循環的重要儲存區；且甲烷氣其所能引起溫室暖化的潛能是同量的二氧化碳的20倍。因此全球天然氣水合物量的增減對全球碳循環以及溫室效應所造成的全球氣候變化有相當重要的影響。 地質災害的發生：地層中若有天然氣水合物的生成，其地層強度會增加。但當地層中的天然氣水合物因外在環境改變解離成水及天然氣時，則往往會形成地層中的弱帶，容易造成海底的崩塌與凹陷。

3-7 燃燒熱與熱值 1.物質發生反應時，除了物質發生變化外，還可以發生能量的變化，此一能量變化即稱為反應熱，可用 表示。 1.物質發生反應時，除了物質發生變化外，還可以發生能量的變化，此一能量變化即稱為反應熱，可用 表示。 2.對於放熱反應而言，其 為負值（或 )。 3.對於吸熱反應而言，其 為正值（或 ) 。 3-7 燃燒熱與熱值

4.反應物（如氫氣和氧氣）的燃燒，其反應熱的大小和生成物的狀態有關。 ▲ 氫氧燃燒的熱含量變化 因此可知100℃時，水蒸氣的熱含量比沸水更高，更具燙傷性。

5. 1莫耳物質燃燒時所放出的熱量，稱為莫耳燃燒熱。例如：

6. 通常化石燃料中，含碳數目愈多的烷類，其莫耳燃燒熱愈大，例如甲烷、乙烷、丙烷的莫耳燃燒熱分別為 –890.3 kJ/mol、–1558 kJ/mol、–2218 kJ/mol。 7. 由於常用燃料大都為混合物，因此很少用莫耳燃燒熱來表示燃料的反應熱，而是以單位質量燃料完全燃燒時所放出的熱量來表示，此即燃料的熱值。

8. 化石燃料中，分子量較小的物質，其熱值一般較大。 9. 氫氣具有最高的單位質量燃燒熱（或熱值），因此氫氣經過液化成為液態氫，常用做太空梭的燃料。 10.液態氫因易發生爆炸而具危險性，目前不適用於家庭燃料。

3-8 熱機 化學能熱能機械能 外燃機----蒸汽機 內燃機----引擎

外燃機 外燃機- 燃燒過程是在汽缸外部進行，利用鍋爐燃燒物質產生熱能，使水變成高壓蒸汽，將之導入汽缸而產生動力，或稱外燃引擎、蒸汽機。 外燃機- 燃燒過程是在汽缸外部進行，利用鍋爐燃燒物質產生熱能，使水變成高壓蒸汽，將之導入汽缸而產生動力，或稱外燃引擎、蒸汽機。 往復活塞式蒸汽機- 活塞經由連桿和曲軸轉換成旋轉的運動，在飛輪迴轉一圈時，活塞做一往返運動，而往與返都是動力衝程。

內燃機 內燃機- 燃燒過程是在汽缸內部進行，當燃料導入汽缸後使之引火燃燒，藉燃燒後產生高溫氣體之膨脹壓力，推動活塞而產生動力，熱效率較外燃機佳。 以化石燃料為燃料，直接將燃料與空氣混合，在汽缸內燃燒，例如：汽油引擎、柴油引擎、燃氣輪機等。 應用在飛機、汽車、輪船、戰艦、割草機、插秧機、可移動式的發電機、小汽艇等。 汽油引擎

引擎-工作循環方式分 奧圖循環(Otto cycle)：使用在汽油引擎。 狄塞爾循環(Diesel cycle)：使用在柴油引擎的。

引擎-依使用燃料的種類分 1. 汽油引擎：主要使用在汽車、航空器 2. 柴油引擎：主要使用在汽車、船、發電機 3. 重油引擎：主要使用在船、發電機。 4. 瓦斯引擎：主要使用在汽車。

柴油引擎與汽油引擎的比較(一) 項 目 柴 油 引 擎 汽 油 引 擎 1 純粹空氣 混合汽 2 電火花點火 3 4 6 進 氣 著火方式 進 氣 純粹空氣 混合汽 2 著火方式 壓縮著火 電火花點火 3 速度控制 控制噴油量 控制混合汽量 4 熱效率 高( 約30%-50%) 低( 約20%-35%) 5 扭力 任何狀況都較大 任何狀況都較小 6 馬力 因轉速低故較小 因轉速高故較大

柴油引擎與汽油引擎的比較(二) 項 目 柴 油 引 擎 汽 油 引 擎 7 8 低( 約6-11 : 1 ) 9 10 12 燃料霧化 用噴油嘴噴出高壓柴油而霧化 用化油器或噴射系統使燃料霧化 8 壓縮比 高( 約13-35 : 1 ) 低( 約6-11 : 1 ) 9 熱力循環 等壓或混合循環 等容循環 10 燃料特性 要有黏性且著火點低 不要黏性且閃火點低 11 引擎構造 笨重 輕巧 12 耗油量 少( 5.9 l /100 km) 多( 9.5 l /100 km)

柴油引擎與汽油引擎的比較(三) 項 目 柴 油 引 擎 汽 油 引 擎 13 1.3～13.3 0.7～2.38 14 10.3～35 15 空氣過剩率(λ) 1.3～13.3 0.7～2.38 14 空燃比 19.5～200 10.3～35 15 燃料安全性 高 低 16 故障率 低 高 17 製造成本 高 低 18 排汽量 大（無限制） 小（12000cc以下）

引擎能量的損失(一) 柴油引擎燃燒熱能分配圖: %

引擎能量的損失(二) 柴油引擎作工能量分配圖: %

循環示功圖(一) 等容燃燒循環(Otto cycle): 進汽 P3 壓縮 動力 壓 力 排汽 P2 P1 容積 上死點 下死點

等壓燃燒循環(Diesel cycle): 循環示功圖(二) 等壓燃燒循環(Diesel cycle): 進汽 P2 P3 壓縮 動力 壓 力 排汽 P1 容積 上死點 下死點

混合燃燒循環(Sabathe cycle): 循環示功圖(三) 混合燃燒循環(Sabathe cycle): 進汽 P3 壓縮 動力 壓 力 排汽 P2 P1 容積 上死點 下死點

λ= 1 λ bCO2 +c H2O eCO2 +f H2O 值與空燃比 完全燃燒:重量比 1 C8H18 + a O2 汽油: 柴油: 1 C16H34 + d O2 如果: a = 14.7 d = 15.0 則: λ= 1

λ λ：空氣當量比 空氣過剩率 ＝（λ- 1）x 100 ﹪ λ＝1.8時 空氣過剩率 ＝（1.8 - 1）x100 ﹪ 值與空燃比 λ：空氣當量比 空氣過剩率 ＝（λ- 1）x 100 ﹪ λ＝1.8時 如果: 空氣過剩率 ＝（1.8 - 1）x100 ﹪ ∴空氣過剩率 ＝80 ﹪

λ λ:0.7～2.38 A/F：10.3～35 A/F：19.5～200 λ:1.3～13.3 值與空燃比 空燃比:空氣對燃料混合重量比例 汽油: 柴油: A/F：19.5～200 λ:1.3～13.3 在此範圍內可維持穩定燃燒!

引擎-依冷卻方式分 1. 氣冷式引擎 意即空氣冷卻式。多用在鋁合金製引擎，氣冷式引擎表面積必須比較大。汽車因為有車身，所以必需強制以風扇送入空氣。雖然大氣本身溫度底，可以冷卻，不過空冷式除了空氣以外，還必須利用潤滑油的循環幫助冷卻。只有保持捷等少部份的車使用這種冷卻方式。 2. 水冷式引擎 引擎在燃燒時放出高熱，為了持續行駛，必需同時不斷加以冷卻。愈是高性能車愈重視冷卻工作。將水管通入引擎汽缸與汽缸頭的內部，冷卻水變熱後又循環至水箱，使之保持在攝式100度以下。除了效率比空冷式高以外，也可減小引擎的整體體積，因此汽車多採水冷式。

引擎-依運作循環行程分 1. 二行程引擎：二個行程完成一個工作循環 2. 四行程引擎：四個行程完成一個工作循環

二行程引擎 第一行程：活塞上升壓縮混合氣，同時在曲軸箱內吸入混合氣 。 第二行程：混合氣點火爆發後推動活塞往下，同時壓縮曲軸箱中之混合氣由旁通口進入汽缸排出燃燒後的廢氣

二行程引擎

四行程引擎 進氣行程：活塞往下且進氣閥打開，將空氣與燃料（如汽油、柴油等）的混合氣吸入汽缸中 壓縮行程：進氣閥關閉且活塞往上，壓縮此混合氣使其體積變小 爆發行程：在壓縮的混合氣中點火，使氣體燃燒爆發膨脹，推動活塞往下（出力作功） 排氣行程：此時排氣閥打開且活塞再度往上，將燃燒後之廢氣排出汽缸

四行程引擎

引擎-依汽缸數量分 1. 單汽缸引擎 單汽缸指的就是只有一個汽缸的引擎。多用在50cc～250cc的機車引擎上，大排氣量的汽車很少用單汽缸型 2. 多汽缸引擎 引擎汽缸數在複數以上，通常汽車都超過四汽缸。基本上，汽車己將2、3、4、5、6、8、12汽缸加以實用化。在車賽中也出現10汽缸的例子。亦稱複式汽缸。

引擎-依汽缸排列方式分 直列式引擎 基於汽車搭載空間的考量，汽缸的排列方式非常重要。直列式是指將多汽缸排成一列，日本車多採用這種型式。到四汽缸為止直列式沒什麼問題，不過超過六汽缸以上，引擎就變得很長，很難收容於引擎蓋下。不過跟V型排列比較起來，直列式結構上比較簡單，小型車還是以直列式為主流。

2. V型引擎 使汽缸數量多，長度也可以縮減。V2、V4較不常見，汽車上多使用V6、V8、V12。其配置比直列式複雜得多，在日本多用的高級車引擎上。  

3. 對臥式引擎 以曲軸為中心，汽缸分列於左右呈水平對向排列的配置。汽缸數為2、4、6、8、12等偶數。因為汽缸是平放的，所以四汽缸水平對向又稱平(flat four)、六汽缸則稱為平六(flat six)。保時捷與速霸陸的引擎就是採用這種方式

由於活塞每上下來回四個行程才完成一個循環，亦即曲軸每旋轉兩圈才輸出一次動力，因此稱為四行程循環引擎。

3-9發電機 發電機(Generator)：一種將機械能轉換為電能的設備。基本上可分為直流發電機(DC Generator)與交流發電機(AC Generator)兩種，交流發電機又可分為單相(Single phase)及三相(Three phase)兩種。 中小型發電機:大樓有緊急柴油引擎三相交流發電機、夜市照明用的汽油引擎單相交流發電機、汽機車內部的單相或三相交流發電機，此種發電機均以引擎帶動，由引擎內部的汽缸使燃油發生進氣、壓縮、爆炸、排氣等過程產生轉矩推動發電機。 大型發電機: 一般電力公司發電廠則有水力發電機(以水流推動水輪機轉動)、火力發電機(以燃燒油、煤或瓦斯方式產生高溫高壓蒸氣，推動蒸氣渦輪機轉動)、核能發電機(以原子分裂產生高溫高壓使蒸氣渦輪機轉動)等。發電廠的發電機通常為大容量(高達數仟MW)的三相交流同步發電機。

感應電磁場的原理 (發電機） 根據佛萊明右手定則(Fleming’s right hand rule)知，當右手食指指向磁場方向、姆指的方向為導體移動方向，則中指指向電流的流動方向(感應電壓的正端)

直流發電機 直流發電機的基本原理 直流發電機之作用原理，如圖所示，係在線圈兩端分別焊接在半圓形銅片上，此銅片俗稱整流子，再由電刷將電流由整流子引出。當線圈在磁場中轉動時，雖產生交流電，但整流子能使電流以一 定的方向由 C 端電刷流出， D 端電刷流入而成直流電

直流發電機的限制 直流發動機 雖然發展到了的水平，它能發出電壓接近60萬伏特(volt)、功率近5百萬瓦(watt)的電，輸送距離達180公里。但這樣的發展很快就達到了技術上的極限，電壓過高會出現線圈的絕緣性無法保證等問題。而且將高壓直接送給用戶很危險，許多家用電器都無法承受幾千伏特甚至幾萬伏特高壓，於是人們想到交流電可以解決這些難題

交流發電機的發展 1873年阿特涅發明了交流發電機。到1891年，在德國的法蘭克福實驗成功了利用交流電作遠距離輸電。當時發出的交流電壓達2000伏特，送到175公里之外再將電壓變至100伏特，損失電能25％。由於遠距輸電問題的解決，交流發電機得到廣泛應用

交流電的產生 交流電壓的產生：將一個矩形線圈放在磁鐵N極、S極所構成的固定磁場中，使該線圈以某一個特定方向、特定速度旋轉。線圈旋轉切割了磁通鏈使磁通鏈對時間發生變化，就發生了交變的感應電勢在導體中。

3-10 電動機 電動機俗稱馬達（Motor），將電能轉換為機械能，以驅動機械作旋轉運動、振動或直線運動。作直線運動的馬達稱為線型馬達（Linear Motor），適用於半導體工業、自動化工業、工具機、產業機器及儀器工業等。 作旋轉運動的馬達稱為旋轉馬達，其應用則遍及各種行業、辦公室、家庭等。

馬達（電動機）的構造和原理 電動機或發電機都包含轉子和定子，轉子為可旋轉的部份，定子為固定不動的部份，提供周圍的磁場。 電動機的原理和發電機的原理非常相似，概略地說發電機以水力、火力或其他力量來轉動在磁場中的導線（轉子），因而在導線產生電動勢（電壓），而電動機則由外界提供一電源通過轉子或定子，使產生磁力相互作用而旋轉。

直流馬達原理

直流馬達原理 由外部電源提供電流使通過轉子導線，以產生磁場與定子磁場相互作用而轉動，圖中M表示定子磁場方向，I 表示流過轉子導體的電流方向，F表示轉子與定子磁場相互作用所產生作用力的方向（此力使轉子轉動）。

直流馬達

直流馬達 構造 周圍磁場繞組 轉子 電刷 整流子 優點：容易調整速度，起動扭力大。 調整輸入電流大小可變化轉速， 汽機車起動馬達用 之。

感應式交流馬達 原理：交流電的電壓與電流隨時間而變動，交流電通過定子線圈所產生的磁場是變動的磁場。 定子線圈產生的磁場隨著交流電的每次交變而擴張或縮收，內部轉子產生感應交流電壓，同時產生另ㄧ磁場，兩磁場互相作用，使轉子受到推力而持續轉動。

交、直流馬達比較 交流馬達—用於恆速運轉場合，構造簡單，故障率低。廣泛用於家電如洗衣機、吸塵器、電風扇。 直流馬達---用於轉速需控制的機具

交流？ 直流？ 電流大小和方向週期性變換 容易進行變壓 輸電效率高 功率大的電器使用 電流方向不隨時間改變 不容易進行變壓 輸電效率不高 交流？ 直流？ 電流大小和方向週期性變換 容易進行變壓 輸電效率高 功率大的電器使用 電流方向不隨時間改變 不容易進行變壓 輸電效率不高 功率小的電器使用

各式交流馬達 剎車馬達 高頻馬達 懸臂鑽床馬達 玻璃研磨機馬達

交流馬達分類

同步馬達原理 線圈極性隨電流改變 轉子隨旋轉磁場旋轉。 速度正比電源頻率，無差轉。 交流電 極性 轉子

二相式馬達運轉 二相式未必使馬達轉動的很順利。 啟動時，可能使旋轉方向相反。 嚴重時，不旋轉而只振動。

三相同步式馬達 多二相一顆電磁鐵 電磁鐵極性隨交流電流而變。 轉子旋轉不易失常，旋轉較順利。

啟動問題 特徵 缺點(停止) 轉子與交流頻率相同，馬達通電，可相同轉數轉動。 轉數與頻率有關，電壓稍降些，轉數仍能維持一定。 轉數一定，電壓降低。 擔當大負載，不耐超負載。

增加極數未能解決問題 不能使啟動順利。 啟動時，沒有立刻達到所定的轉數。 定子的變化不能與轉子的旋轉週期配合。 導致不能旋轉，瞬間內達不到轉數。

滑環感應式馬達 滑環馬達 繞線式馬達 電刷 滑環 繞線部分

實體滑環轉子 滑環 鐵心 內嵌的轉子導體 繞線部分在裡面

小型鼠籠 大型鼠籠

實體鼠籠轉子 鐵心 導體短路環 內嵌的轉子導體 (路環裡面)

鼠籠式感應馬達 電磁感應使轉子產生電流而轉動 無須炭刷把電流傳到轉子上 簡單構造，生產容易， 減低製造成本。

感應馬達的電路 分為三相感應馬達、單相感應馬達。 三相電源可直接形成旋轉磁場。 單向電源不能直接形成旋轉磁場。

二相線圈

三相線圈

三相馬達變換 極數變換 轉數取於周波數與極數。 改變極數或周波數可改變轉數。 周波數變換 取於發電機的轉數。 自由選擇適當範圍的周波數。