章 第 二 能　量

目 錄 第一節 能量的形式與能量守恆 原理 第二節 波動方式的能量傳遞 第三節 熱與熱機

能量的形式與能量守衡原理 一 第 節

能量的形式-功 能量代表作「功」的能力，凡是物體具有作工的潛在能力，我們就可說這個物體具有能量。施力作用於物體，使物體產生位移或是形變稱為對物體作功。 功（W） =施力點（F）×施力所產生的位移（S） 公 式

能量的形式-工作量 例如要將一個一萬公斤重的石塊往上搬10公尺高，若是利用粗繩直接拉上石塊。 工作量 =人員之施力值×搬運距離 公 式

能量的形式-工作量 工作量 =10000公斤重×10公尺 =100000公斤重．公尺

能量的形式-工作量 石頭在斜面上之下滑力=5000公斤重 如果藉由斜面灑上沙粒來搬...

能量的形式-工作量 石頭在斜面上之下滑力=5000公斤重 工作量 =5000公斤重×20公尺 =100000公斤重．公尺

能量的形式-工作量 由此例子可瞭解到工作量代表某一工作或活動所需要的「能量」，它不會因不同工作方法而改變。以「功」來取代「工作量」，因此可定義為任何力對物體所作的功等於施力乘以位移。

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(EK:動能，m:物體的質量，v:物體運動速度) 能量的形式-力學能 (一)力學能 力學能為動能與位能的總合。當物體因運動時而具有的能量稱為動能。動能的國際單位是焦耳(J)。 保齡球於滾動時產生動能 EK=1/2mν2 (EK:動能，m:物體的質量，v:物體運動速度) 公 式

撐竿跳是利用改變竿子形狀形成彈力位能轉換成動能及重力位能的運動 能量的形式-力學能 靜止物體其所處狀態因外力反抗重力、彈力、靜電力的作用而產生形變或所在位置不同時，所具有的能量稱為位能。 撐竿跳是利用改變竿子形狀形成彈力位能轉換成動能及重力位能的運動

能量的形式-力學能 當我們施力將橡皮筋拉緊時，我們便對橡皮筋作了功，亦給了橡皮筋能量，是以位能(彈力位能)的形式儲存。鬆開橡皮筋時，儲存的彈力位能釋放出轉變成動能，使其飛射出去。 將橡皮筋拉緊，作功轉成彈力位能

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能量的形式-非力學能 1.熱能: 所謂熱能是指物體內部無序運動的能量，常是溫度升降或進行物態變化時所吸放的能量形式。 瓦斯燃燒，提供熱能

能量的形式-非力學能 2.化學能: 物質由原子組成，當物質進行化學反應時期內部原子排列結構會發生改變，而原子不同的排列方式所儲存的能量也有所不同，因此各種化學反應中，都會伴隨著能量的變化，這種能量稱為化學能。

能量的形式-非力學能 3.電能: 電流或電場所提供的能量稱為電能，是現代社會最常使用的能量形式。 各式家電用品都需要電能來運作

能量的形式-非力學能 4.光能: 光所攜帶的能量稱為光能，太陽是光能的最大供應者。太陽能是科學家目前最積極發展的替代性能源之一。 太陽能熱水器

能量的形式-非力學能 5.核能: 潛藏在原子核內部的能量稱為核能，當原子核分裂或融合時，其質量會減少，所減少的質量即轉變成能量釋放，該能量即為核能。

能量守恆定律 自然界和日常生活中，不同形式的能量之間是可以相互轉換的。一般來說，不管能量的形式如何轉變，宇宙能量的總值是不變的，此關係我們稱之為「能量守恆定律」。

能量守恆定律-核能與火力發電 核能發電與火力發電產生電能過程相似，但核能發電是以人工控制核分裂方式釋放能量，而火力發電是以燃燒的方式將儲存在石油、天然氣或木炭中的化學能轉化成熱能，將水加熱成高溫高壓水蒸氣，用以推動渦輪機， 經由發電機轉變成電能。

能量守恆定律-核能與火力發電 核能發電圖(與火力發電一樣，只是產生能量的方式不同) 核一、核二廠採用沸水式核能發電，把核分裂產生的熱能將水加熱成水蒸氣以推動氣渦輪機，再帶動發電機產生電能。

水力發電與風力發電皆是力學能轉換成電能的實例 能量守恆定律-水力與風力發電 水力發電直接以水位高低產生的位能差，而風力發電是利用風力吹動風扇的動能來推動渦輪機，再經由發電機發電。 水力發電與風力發電皆是力學能轉換成電能的實例 HOME

波動方式的能量傳遞 二 第 節

波的介紹 力學波是指能量透過介質傳遞所產生的現象如水波；非力學波是指能量不需要介質就可以傳遞如電磁波。 水波

不可思議的 手機 手機使用時，將聲波藉由手 機的接收器將聲音接收進去 再利用電壓原理將聲音轉換 成電訊號經由電磁波傳輸 出去，而接收者是將接 收到的電波再轉換成 聲波。

波的介紹-橫波 根據介質或電磁場振動方向與波傳遞方向的關係分為 (一)橫波 亦稱高低波，介質質點陣動方向與波形傳遞方向互相垂直，如繩波。 繩子產生的波動是橫波

波的介紹-縱波 (二)縱波 亦稱疏密波，介質質點陣動方向與波形傳遞方向互相平行，如垂直於地面搖晃的彈簧。 彈簧產生的波動為縱波

波的特性 波峰為橫波波形最高點，如圖中A、C、F。 波谷為橫波波形最低點，如圖中B、D。 振幅為在一連續波形中距離平衡位置最遠點與平衡位置的距離，以R來表示。

波的分析圖 波峰 平衡位置 波谷

兩個重要的物理量 (一)頻率(以ƒ表示) 單位時間中，從波動源頭發出的波動數量或介質質點，每單位時間內振動次數，單位為赫茲。 (二)週期(以T 表示) 波源發出任兩相鄰波動之間的時間間隔，即波振動一次所需要的時間。

波速 波速是波動傳遞的速度，符號表示為「ν」表示。可利用頻率與週期求，意指波前進一波長的距離，所需時間恰為一週期。 ν = λ/T = ƒλ 公 式

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聲波 聲波是一種由物體振動透過介質碰撞傳遞的力學波傳遞媒介主要是空氣，固體與液體也可以為傳遞媒介。聲音的速度會隨著介質的不同種類與溫度高低而有所改變。 室溫下聲音在各種常見物質中的傳播速度

聲波 就溫度而言，在0℃一大氣壓無風乾燥空氣中的聲音傳播速度，約為331米/秒，每升高1℃，聲速增加約0.6米/秒，也就是溫度越高，音速就越快，在此條件下音速的單位以米/秒表示。 ν = 331+0.6T T :攝氏溫度(℃)；單位:m/s 公 式

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聲波的頻率 聲波來自於物體振動時，透過介質傳播，但並非所有的振動都能聽到，一般人可以聽得到的聲波，振動頻率約在20至20000赫茲(Hz)。 聲音的頻率

聲波的頻率 頻率低於20赫茲的聲下波，如大象、鯨魚及地震引起的聲音 頻率高於20000赫茲的超音波，又稱超聲波，如海豚、蝙蝠 超音波很容易穿越人體皮膚組織，遇到不同器官則產生不同程度的反射，適於檢驗人體的內部器官

電磁波 電磁波就是電場與磁場交互作用，產生在空中行進的波動，模式類似海浪前進的波浪狀，不需介質也能向外傳遞能量，電磁波的速度在空氣中稍慢於在真空中的速度，即每秒行走30萬公里，波長越長，頻率越低，反之，波長越短，頻率越高。

不同波長的電磁波 HOME

熱與熱機 三 第 節

熱與溫度的關係 有三桶水分別是熱水、溫水和冷水，先把一隻手放入熱水中，再把另一隻手放到冷水中。一段時間後，再將雙手一起放入溫水中，則原來放在熱水中的手會感到冷冷的，反之原來放在冷水中的手卻會感到熱熱的。因此，透過人們主觀的感受並不能切確地判斷出冷和熱，所以，必須制定出客觀的衡量標準。

熱與溫度的關係

熱與溫度的關係 熱能都是由高溫往低溫傳遞。分別有A、B兩個物體，A的溫度較高，B的溫度較低，把A、B緊密接觸，並共同放在與外界無任何作用的箱子裡，經過一段時間A物往B物釋放熱能，降低溫度，B物接受熱能，溫度升高，最後兩物溫度一致，則達到熱平衡。

熱與溫度的關係-溫度計 (一)溫度計 利用物質有熱脹冷縮的特性來製成，如水銀溫度計和酒精溫度計。

熱與溫度的關係-溫度計 (一)溫度計 利用熱輻射波長隨溫度變化特性製成，如耳溫槍；利用電阻隨溫度變化特性製成，如電阻式溫度計

各種溫度計的製作原理及特性

溫標的介紹 華氏溫標 1. 德國物理學家華倫海特 將冰水共存溫度定為32度 將水的沸點定為212度 在冰點與沸點間平均分成180等份，單位為℉

溫標的介紹 攝氏溫標 2. 瑞典天文學家攝爾修斯 將一大氣壓下，冰水共存溫度訂為0度，水的沸點定為100度 冰點與沸點間等分成100等份，單位為℃

溫標的介紹 3. 克氏溫標 英國物理學家克爾文 推導出最低極限溫度，定為0度，刻度大小與攝氏溫標相同。 又稱絕對溫標，單位為K。

各溫標間的轉換 克氏溫度K和攝氏溫度C的關係如公式2-6。 華氏溫度的每一度相當於攝氏溫度的5/9度，所以華氏溫度F 和攝氏溫度C 的關係如公式2-7。 K = C +273.15 公 式 2-6 F = 9/5C +32或C =5/9(F -32) 公 式 2-7

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熱量及比熱 熱量 對熱使物體的溫度產生變化的量化表示，稱為熱量。當1公克的純水上升1℃時，所需的熱量定義為1卡(1cal)，若是1000公克的純水上升1℃，所需的熱量為1大卡或仟卡(1kcal)。

熱量及比熱 比熱 使1公克的某物質，上升1℃所需要的熱量，稱為該物質的比熱，例如要將1公克的銀上升1℃的溫度，所需的熱量為0.056卡，而把1公克的玻璃上升1℃時，則所需的熱量為0.2卡。

一般常見不同物質的比熱(1atm，25℃)

測量物質的比熱-絕熱混合法 要測某物質的比熱時，將該物質加熱，然後投入較低溫的水中，均勻攪拌，使它們達成熱平衡。藉由高溫物質所放出的熱，等於低溫水所吸收熱的觀念，便可求出該物質的比熱。

測量物質的比熱-絕熱混合法 由實驗結果可看出，在適當的溫度範圍內，任何物質在吸收或放出的熱量H 與其質量m（公克）和溫度ΔT 變化 （℃）成正比，其關係式如公式2-8 。 H=ms Δ T s：比熱　單位：卡/公克‧℃或 cal/g ‧ ℃ 公 式 2-8

熱量及比熱-熱容量 將物體的質量m 乘上其比熱s 即為物體的熱容量 ，即c =m × s，如此一來，相同物體若有不同質量，則其熱容量也不同；如50克的水煮到沸騰，比起相同初溫100克的水，煮到沸騰要來得快，即是因為50克水的熱容量，僅為100克水的一半。

熱量及比熱-熱容量 海水的比熱很大，而且海水在地球上也佔了很大的比例，所以其熱容量也相當的大。海水在白天可以吸收大量的熱，而晚上又放出大量的熱，使得氣溫的溫差不致於太大， 對氣溫的調節有相當大 的貢獻。

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物質的三態 一般的物質有固體、液體和氣體三種狀態，而溫度和壓力皆會影響並改變物質的狀態。固體加熱到一定程度會熔化成液體，再加熱則會汽化成氣體；反之，氣體降溫到一定的程度時，會開始凝結成液體，溫度再往下降則會凝固成固體。當然物質也可以由固體直接變化成氣體，稱為「昇華」。由氣體直接變化成固體，則稱為「凝華」。

物質的三態變化

水的三態變化 0℃的冰加熱會變成水，但是只要冰還存在，溫度就仍為0℃，因此熱量在這裡有其他的功能。上述的例子，有一個重點就是當冰完全融成水時，溫度才會改變，換句話說，水從固體加熱到液體時，雖然溫度不變，但這時熱量的供給是用來達到發生相變的目的。

潛熱 單位質量的物質，從一狀態變到另一狀態時，所需要的熱稱為該物質的潛熱（Latent Heat），單位為卡／克（或cal/g）。物質從固體變到液體的潛熱稱為熔化熱，從液體變到氣體的潛熱稱為汽化熱。當然，液體變到固體所移出的熱量和熔化熱的熱量一樣，稱為凝固熱，氣體變到液體所移出的熱量也和汽化熱的熱量一樣，稱為凝結熱。

三態和溫度的關係-以水為例 冰從 ℃開始加熱，加熱至0℃以前為冰，即A的部分，當溫度升至0℃時，溫度不再上升，一段時間後，冰完全融成水才又開始上升其溫度。

三態和溫度的關係-以水為例 圖中B的部分便是冰水共存的階段。水在0℃時，物質狀態開始改變，從固體變成液體的溫度，稱為熔點；反之，從液體變成固體的溫度，稱為凝固點。

三態和溫度的關係-以水為例 持續加熱，水在C 部分溫度不斷上升，直到100℃時，才又停止上升。

三態和溫度的關係-以水為例 同樣地，在D部分水的物質狀態也開始產生改變，在這部分，水和水蒸氣是共存的，從液體變成氣體的溫度，稱為沸點；反之，從氣體變成液體的溫度，稱為凝結點。

三態和溫度的關係-以水為例 再加熱，水蒸發成為水蒸氣，即 E的部分。

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日常生活機械與熱能的關係 瓦特 十八世紀工程師瓦特發明了蒸氣機，大大改變了人類生活的方式；引擎的發明更是將人類的生活帶入另一個領域。利用熱能轉換成力學能大大的減低了人力的負擔，這些熱能機械統稱為熱機，例如汽機車所使用的引擎。 世界上第一台蒸汽機

冰箱的原理與構造 冰箱常用易汽化的液態氨來當作冷媒，把它通過冷卻管或稱蒸發器，冷媒蒸發冷卻，使食物降溫，然後使這些冷媒經過壓縮機，把汽化的冷媒壓縮成液態，此時會放出熱，再把它通過冷凝器，使熱排出冰箱外。然後一直重複這些動作，冰箱便能達到把食物降溫的目的。

冷氣機的原理與構造 冷氣機的原理和冰箱的原理很相近。不過冷氣機是把濕熱的氣體用風扇抽入，經過蒸發器，把空氣降溫。過程中，多餘的水汽會凝結，然後排出。不過，冷氣機有幾個特點，即它可以調節空氣的濕度和溫度，清除空氣中的灰塵，還有控制空氣流速。

途中冷氣機為分離式冷氣機，蒸發器位於室內(市內機)；冷凝器及壓縮機則是置於室外(室外機) 冷氣機的原理與構造 冷氣機的送風口一般都裝設在房間上方，因為冷空氣密度大會下沉，使得熱空氣往上升，如此不停地作對流，以達到冷房的目的。 途中冷氣機為分離式冷氣機，蒸發器位於室內(市內機)；冷凝器及壓縮機則是置於室外(室外機)

變頻冷氣 現在市面上常見的變頻式冷氣，就是在考量 電費昂貴的情況下發明的，而冷氣最耗電是 在壓縮機啟動瞬間，因此變頻式冷氣的設計， 就是使壓縮機不停止轉動，當室內溫度到達 需要的低溫，則轉動速度變慢；相反的，當 室內溫度過高，則壓縮機轉動速度提高，輸 送冷氣效率也提高，使室內迅速降溫，而達 到省電的目的。

變頻冷氣(續) 至於其工作效率則可由冷氣能力及EER值來 看，冷氣能力為一台冷氣機運轉一小時可從 室內所能移走的最大熱量，單位為kcal/h或 BTU/h（1kcal約等於3.968BTU），而EER 則為能源效率比值，定義是：EER＝（冷氣 能力kcal/h或BTU）/消耗電力（瓦）單位是 kcal/h.w或BTU/h.w，也就是說：冷氣機以額 定運轉時1w電力1小時所能移走的熱量 （kcal or BTU）；所以EER值越高越好，表 示冷氣工作效率越高。 HOME