2-1能源簡介 2-2化石能源及燃燒熱 2-3化學電池 2-4其他能源 第二章生活中的能源 2-1能源簡介 2-2化石能源及燃燒熱 2-3化學電池 2-4其他能源

章前小故事 1993年1月12日，美國密西根州立公園一棟廢棄建築物發生氣爆。起初，警方鑑識人員找不出氣爆原因，後來，一位警察發現地板有些黑色污漬，看似從樓頂滴落，於是決定到樓頂的閣樓看看。 當他打開閣樓門時，立刻引起數百隻蝙蝠的鼓翅亂舞，原來一樓地板的污漬是蝙蝠的排泄物。於是在報告中提出氣爆的原因是：「該棟建築物地下室污水泵起動產生的火花，點燃蝙蝠排泄物所積存在地下室的甲烷而引發爆炸。」 但實際上，蝙蝠糞便產生的甲烷數量相當有限，如果單靠蝙蝠糞便就能產生大量甲烷，那麼遊客如織的蝙蝠洞，應該早就發生多次氣爆了，不是嗎？因此，根據上述的科學解釋，調查又重新展開，結果肇事原因還是糞便，只不過這次是人的，而不是蝙蝠的，蝙蝠是無辜的。 通常廁所馬桶的管路會連接到地下的化糞池，管路中間會有一段儲滿水以防氣體逆流回馬桶的U型彎管，化糞池則是標準的無空氣環境，糞便會在其中產生可燃的甲烷，正常情況下，由於U型彎管的水封，甲烷不會逆流溢出，安全無虞。但建築物廢棄後，廁所無人使用，U型彎管裏的水都蒸發乾了，以致甲烷逆流回地下室堆積起來，當接觸到污水泵起動時的火花，便點燃甲烷而產生氣爆。

2-1能源簡介 所謂能源是指能夠提供能量的來源。 能量形式多元，有動能、位能、電能、磁能、光能、化學能、熱能、核能等，且不同能量之間可以相互轉換。

不同能量雖可不斷轉換，但其總能量大小不變，稱為「能量守恆定律」。 能源形式縱然多元，但若依其使用性質仍可約略分為以下二類： 1.循環能源：即可永續利用的天然能源，如水力、風力 、太陽能、生質能等，又稱「再生能源」。 2.非循環能源：即不斷消耗，存量會逐漸減少的能源， 又稱「有限能源」或「非再生能源」， 如化石燃料、核能等。 目前人類正大量耗損石油這類化石燃料的有限能源，能源危機可說已趨臨界點，節能及積極開發替代能源似乎已成全球人們的當務之急。

想一想 光合作用、家中瓦斯爐、電燈、吹風機、飛機的噴射引擎等作用，是哪些能量型態的互相轉換？ 解答： 光合作用 光能 → 化學能 家中瓦斯爐 化學能 → 熱能 電燈 電能 → 光能 吹風機 電能 → 動能 飛機的噴射引擎 熱能 → 動能

2-2化石能源及燃燒熱 化石能源是遠古埋於地底的生物遺骸，長期經地熱、地壓及微生物作用所形成的化石燃料。 若從能源轉換的角度來看，也可視為由遠古太陽能所轉換而成的現代化學能，主要包括煤、石油、天然氣等三種類型。

化學反應熱 任何物質的化學反應，均會伴隨能量的改變，生成物能量與反應物能量的差值，即為該一反應能量的變化，又稱「反應熱」，通常以ΔH表示之。 反應熱的能量變化有二種，一種是在反應過程中吸收能量，使得反應後的能量變多，亦即生成物的能量總和大於反應物的能量總和，稱為「吸熱反應」，反應熱ΔH＞0；另一種是在反應過程中釋放能量，使得反應後的能量變少，亦即生成物的能量總和小於反應物的能量總和，稱為「放熱反應」，反應熱ΔH＜0。

熱化學反應式及燃燒熱 燃燒是一種劇烈的放熱氧化作用，所謂燃燒熱是指物質燃燒時放出的能量。 在1atm時，1莫耳的物質完全燃燒所釋出的能量，稱之為該物質的「標準莫耳燃燒熱」。例如：1莫耳的碳（12克），完全燃燒產生二氧化碳會釋放394千焦（kJ）的熱量，故碳的莫耳燃燒熱為－394kJ。 C(s) + O2(g) CO2(g) ，ΔH＝－394kJ 反應熱會因反應物本身特性、數量、溫度、壓力、物質狀態（如固態、液態或氣態）等因素的影響而改變。

常見燃料熱值 燃料可釋放熱能的大小，稱為「燃料熱值」，單位為千焦/千克（kJ/kg）。一般而言，燃料熱值越大，經濟價值越高。 燃料名稱 說明 無煙煤 32,110 1.無煙煤含碳量高達95％。 2.熱值有區間範圍是因該燃料為混合物，比較不易精確計算其燃燒產生的熱量。 3.氫氣熱值極高，為火箭推進器的燃料之一。 汽油 46,000～48,000 柴油 42,000～44,000 天然氣 33,000～50,000 液化石油氣 46,000～50,000 氫氣 143,000

化石能源—煤 「煤」是過去埋於地底的植物遺骸，長期經地熱、地壓作用而逐漸碳化形成的物質，主要成分為碳，並含有少量的硫、氮、氫、氧等元素。 將煤「乾餾」（即隔絕空氣加熱）可得到固、液、氣三種不同型態的產物： 1.氣態產物為煤氣，成分是甲烷、氫氣、碳氫化合物及 少量的一氧化碳等物質，屬於重要的氣體燃料之一。 2. 液態產物為煤溚或煤焦油，成分複雜，若進一步提煉 ，則可分餾出苯、甲苯、酚、萘等芳香族化合物，是 重要的化學原料。 3. 固態產物為煤焦，成分幾乎都是碳，為工業上冶煉金 屬時的重要還原劑。此外，高溫下水蒸氣通過紅熱煤 焦所產生之一氧化碳及氫氣的混合氣體，俗稱水煤氣 ，也可做為工業用的氣體燃料。

動手做做看 依下列步驟進行「煤」的乾餾實驗： 1. 將1或2根竹筷用鋁箔紙完全包緊，一端露出僅約竹筷 大小的開口。 2. 夾住包緊鋁箔的竹筷，在開口另一端以火燃燒之。 3. 開口逐漸冒煙，此時於開口處點火使其產生火焰。 4. 待火焰結束，小心攤開鋁箔紙，會發現黏稠的焦油及 碳化的竹筷。

天然氣及液化石油氣 「天然氣」又稱天然瓦斯或管線瓦斯，是存於地底的可燃氣體，主要成分為甲烷和乙烷，其中甲烷含量較多，恆春出火與台南關子嶺的水火同源，皆是天然氣從地底逸出形成的景觀。

「液化石油氣」又稱桶裝瓦斯，是將石油中的可燃氣體，經加壓液化儲存於鋼桶的混合氣體，主要成分為丙烷和丁烷。 瓦斯均無色、無味、燃點低，外洩過量容易引發氣爆。因此，都會添加一種名為二乙硫 (C2H5)2S的臭劑，以便人們察覺是否瓦斯外洩，確保使用的安全。

化石能源—石油 「石油」又稱原油，是幾千萬年、甚至更久以前埋於地底的動植物遺骸，長期經地熱、地壓及微生物分解作用，由超過8000種不同大小分子之碳氫化合物所組成的黑色黏稠液體混合物，主要成分為烷類，並含有少量的硫、氮、氧等化合物。 碳氫化合物又稱為烴類，烴類基本上又包含了烷類、烯類和炔類。 1.烷類CnH2n+2：有甲烷CH4、乙烷C2H6、丙烷C3H8，…等。 2.烯類CnH2n：有乙烯C2H4、丙烯C3H6，…等。 3.炔類CnH2n-2：有乙炔C2H2、丙炔C3H4，…等。 想一想：爲什麼石油的成分都是碳氫化合物呢？ 解答：在缺氧的地底下，含有碳水化合物的古代生物遺骸經細菌作用後，碳水化合物中的氧逐步消耗殆盡，故石油成分大多為碳氫化合物。

石油經「分餾」煉製，可分離出原油中的各種不同成分。所謂分餾是指利用混合物沸點高低不同，藉加熱使其分別蒸餾出來及在不同溫度下冷卻收集之方法。 含碳數 分餾溫度 用途 石油氣 C1～C4 20℃以下 家庭燃料 石油醚 C5～C6 20℃～60℃ 有機溶劑 汽油 C6～C12 60℃～200℃ 汽車用油 煤油 C10～C18 175℃～275℃ 飛機燃料 柴油 C15～C20 250℃～400℃ 柴油車、船燃料 重油 C20～C40 300℃以上 潤滑油 瀝青 殘留物 鋪道路

2-2.3無鉛汽油 車輛需經引擎不斷重複進氣、壓縮、點燃、排氣等四步驟才能產生驅動力。 然在火星塞尚未點燃前，混合油氣若因活塞壓縮時的高溫而先行燃爆，稱之為「震爆」，震爆現象與火星塞燃爆兩者所造成的接連性不規則爆發，容易使得汽缸出現受力不均的震動。 震爆除會降低車輛行駛動力外，也會影響引擎的壽命，所以必須提高燃料的抗震爆程度，才能避免引擎機件遭受不必要損害。

「辛烷值」是一套用來衡量抗震爆程度的標準，辛烷值愈高，表示油品的抗震爆能力愈好。科學家將「異辛烷」的辛烷值訂為100，「正庚烷」的辛烷值訂為0，目前市售92、95、98無鉛汽油，其數字就是代表該油品的辛烷值。例如：95無鉛汽油的辛烷值即為95，抗震爆程度如同體積95％異辛烷與5％正庚烷混合油品的抗震效果。 剛分餾出的汽油，辛烷值不高，約只有55，在引擎內燃燒難免引發震爆的情形，於是早期汽油常會添加四乙基鉛作為抗震劑，以提高油品辛烷值及抗震爆能力，又稱高級汽油或含鉛汽油。 無鉛汽油是以甲基三級丁基醚或醇類（如甲醇、乙醇）做為提高油品辛烷值的添加物。

2-3化學電池 電池是一種利用化學氧化還原反應，經電子移轉，將化學能轉變為電能的裝置，又稱「化學電池」，通常是由電極、電解質、隔膜、外殼四部分所組成。 電極中，發生氧化反應而放出電子一端者，稱為陽極或負極；發生還原反應而得到電子一端者，稱為陰極或正極。氧化與還原作用乃是同時發生的反應。

一次電池 一次電池僅能使用一次，用完即拋棄，不可充電重複使用，又稱拋棄式電池。 電池名稱 陽(負)極 陰(正)極 電解質 電壓 碳鋅電池 或勒克朗舍電池 鋅 石墨 二氧化錳 氯化氨 氯化鋅 1.5V 鹼性電池 氫氧化鉀 水銀電池 鋅汞齊 氧化汞 1.35V 鋰碘電池 鋰 碘 碘化鋰 約3V

資料閱讀 你知道爲什麼鹼性電池較一般乾電池持久嗎？那是因為乾電池在使用時會產生氨氣和氫氣，阻礙碳棒上進行的反應；鹼性電池以氫氧化鉀取代氯化銨為電解質，不會產生氨氣和氫氣，且鋅氧化的產物可溶於強鹼中，不會阻礙離子的流動，所以電壓穩定，放電時間長。 心律調節器是用來治療心臟跳動緩慢的系統，包含節律器、導線及電極三部分。

二次電池 可利用充電方式重複使用，又稱蓄電池。常見的種類有： 鉛蓄電池：是汽機車最常使用的二次電池，以鉛為陽極，以二氧化鉛為陰極，以30％的稀硫酸溶液為電解質，俗稱電瓶。 鉛蓄電池放電時，陽極鉛金屬與稀硫酸反應成硫酸鉛及水，陰極二氧化鉛還原成硫酸鉛及水，假如持續放電，兩極增加的水會逐漸稀釋電解質濃度，累積的硫酸鉛會使化學反應變慢，甚至不發生，造成電池電壓的下降。 鉛蓄電池充電時，外接直流電源的負極與鉛蓄電池的負極相接（負接負），正極與鉛蓄電池的正極相接（正接正），充電後，陽極恢復成鉛，陰極則恢復成二氧化鉛。

鉛蓄電池放電反應 Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O(l) 鉛蓄電池充電反應 2PbSO4(s) + 2H2O(l) Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) 鎳鎘電池：是比鉛蓄電池輕巧耐用的二次電池，電壓約為1.2 V，以鎘為陽極，以二氧化鎳為陰極，以氫氧化鉀溶液為電解質。鎳鎘電池是90年代頗為市場採用的產品，但因鎘會造成環境污染，引發人類退化性骨疾（痛痛病），故目前多已減產，並逐以鎳氫電池來代替。

鎳氫電池：是鎳鎘電池的改良品，以儲氫合金為陽極，以二氧化鎳為陰極，以氫氧化鉀溶液為電解質，電壓約為1 鎳氫電池：是鎳鎘電池的改良品，以儲氫合金為陽極，以二氧化鎳為陰極，以氫氧化鉀溶液為電解質，電壓約為1.2 V。鎳氫電池與鎳鎘電池的不同，在於以氫代替鎘為陽極，不僅較無污染性，也較沒有電池記憶性。 鋰二次電池：是可充電使用的鋰電池，電壓約為3.6V，又稱鋰離子二次電池。鋰二次電池因儲存性能高，無記憶效應，不需放電即可隨時充電，故成今日各式電子產品使用的電池。例如：手機、掌型電腦（PDA）、數位相機、筆記型電腦、mp3隨身聽、電動腳踏車等現代高科技產品。

燃料電池 所謂燃料電池是指利用催化氧化還原反應，將燃料之化學能轉變為電能的能源技術，它既不像一次電池的用完即丟，也不同於二次電池的可再充電使用，所以與其說是電池，不如說是一種添加燃料發電的裝置。

在氫氧燃料電池中，氫氣從陽極進入，氧或空氣從陰極進入，陽極氫原子經催化劑（鉑）作用，分解成兩個質子(proton)與兩個電子(electron)，質子「擴散」通過隔膜抵達陰極，電子則經外電路流向陰極（此時的工作電壓約0.7V，若欲提高，可將多組電池串聯），質子、氧及電子在陰極經催化劑（鉑）作用發生反應，生成燃料電池唯一的排放物—「水」。日本Honda首部量產燃料電池車FCX。

2-4其他能源 「電」是民生、工業應用最廣的能量，不僅可藉電線傳輸使用，也可將其轉換成其他形式的能量。依照我國目前電力來源的分布，以天然氣、煤、燃油等化石燃料的發電比例最高。 化石能源雖是能夠產生極佳發電效率的燃料，但卻有空氣污染、全球暖化、形成酸雨、存量越來越少的負面影響及危機。若從人類的資源需求與環境發展來看，開發其他能源以分擔或替代化石燃料的角色，儼然已是一股無法避免的趨勢。

資料閱讀 全球第一艘用風箏拉動的貨輪「白鯨天帆號(Beluga SkySails)」，2007年12月15日由德國漢堡市起航橫渡大西洋駛往美國休士頓。懸在貨輪上方的巨型高科技風箏，可上升至300公尺高空將風力、風向輸入船上的電腦，指揮風箏沿著圍繞貨輪的軌道移動，利用不同風向提供拉動貨輪的輔助動力，減少輪船引擎燃料的負荷。「白鯨天帆號」此舉可說是一項既節能又減碳的科技帆船新發明，在風力理想的狀況下，最高約可節省貨輪一半的燃料。

2-4.1核能 核能又稱原子能，主要來自原子核反應，愛因斯坦(Albert Einstein 1879-1955)曾以E＝mc2的質能互換公式，說明核能產生的基本原理。 種類 核能產生基本原理 運用 核融合 利用兩個或兩個以上較輕的原子核，在高溫下融合成質量較重的原子核。例如：太陽能量多數來自氫原子核融合成氦原子核的反應。 太陽發熱 製造氫彈 核分裂 利用慢中子撞擊鈾-235原子核，使其分裂成較小原子核及產生更多新的中子繼續撞擊其他鈾-235原子核，不斷引發鈾核分裂的連鎖反應，釋出極大的能量。 核能發電 原子彈

原子彈爆炸圖 核分裂動畫 核分裂連鎖反應圖

2-4.2核能發電 核電與原子彈的差異： 核電廠使用3％左右的低濃度鈾，原子彈則是使用90％的高濃度鈾，二者鈾原料濃度的蘊含能量不同。 核電裝置內有控制棒的安全設計，可吸收部分核分裂釋放的中子，減弱連鎖反應的進行，原子彈則無此設計，一發驚人。 核能發電 原理示意圖

核電的利弊： 利 弊 說 明 優 點 1.發電量大，1克鈾235完全核分裂產生的能量，相 當於燃燒3000噸煤炭釋放的熱能。 2.不會排放大量二氧化碳，沒有空氣污染的問題。 3.原料儲存空間小，具有容易控管的好處。 缺 點 1.核能裝置及安全防護設備昂貴，造價成本高。 2.核廢料具放射性，難處理，外洩恐會造成生物基 因突變或細胞病變，目前尚無適當解決之道，只 能暫時掩埋於地下或海底。 3.核反應所產生的熱水，若排入海洋，可能造成影 響生態的熱污染。

興建於台北貢寮的核四廠 貯存核電廠區及蘭嶼的核廢料

2-4.3多元再生能源 一、太陽能：利用太陽產生能源，有以下三種常見的方式： 1.以集熱板吸收太陽光的輻射熱能，提高室溫、水溫或產 生蒸汽來推動渦輪發電。 2.以矽晶片半導體為電極材料製成太陽能電池，利用該半 導體遇光便會產生電流的特性，將光能轉換成電器使用 的電能。 3.以太陽能電池的光電轉換裝置電解水，並將生成的氫氣 及氧氣導入燃料電池使其發生電流作功，產生機械動能 所需的電能。

二、海洋能：利用海洋產生能源，有以下三種普遍的方式： 1.潮汐：在海灣河口興建電廠，利用海水漲退潮時的水 流落差來推動渦輪發電。亦即將海水高低產生的位能 轉為動能再轉換成電能。 2.波浪：依波浪起伏設計空氣渦輪發電機，利用海浪上 下運動產生的空氣壓力來推動渦輪發電，將波能轉為 動能再轉換成電能。 3.溫差：於深海處設立發電裝置，利用表層海水溫度較 高的特性，汽化低沸點液體使其產生蒸汽來推動渦輪 發電；利用深層海水較冷的特性，冷卻汽化的低沸點 液體供裝置重複使用。

利用潮汐發電 利用波浪發電

三、生質能：利用生質物（指動植物、沼氣及廢棄物）產生 能源，有以下二種的方式： 1.直接產生：藉由燃燒農、林作物或廢棄物產生能源。 例如：燃燒木材來產生熱能或經垃圾焚化爐來產生熱 能及電能。 2.間接產生：透過化學、微生物作用，將部分穀物轉換 成乙醇（酒精）或部分有機物轉換成甲烷（沼氣）等 能源。例如：將甘蔗、玉米製成酒精或以廢水、廢料 來產生可作燃料的沼氣。

四、風力發電： 風力發電是利用風車旋轉來推動發電機的渦輪產生電力。著名的國家為荷蘭及丹麥，尤其丹麥的風力發電，其發電量已佔全國發電的20％。 台灣四面環海，風能充足，也是適合使用風力發電的國家，尤其中北部山區、西部沿海及離島等地，由於均屬風力強烈穩定的區域，相當適合設立風力發電廠，據專家估計，潛在可開發之電力至少300萬瓩以上。

五、水力發電： 水力發電是利用水位差的位能來推動發電機的渦輪產生電力。著名的電廠為美國胡佛大水壩及中國長江三峽大水壩 。 台灣雖有100多條河川，但水量都不大，僅部分區域能設水力發電廠，目前共有11座。

六、地熱發電： 地熱發電是利用地表下的熱能蒸汽來推動發電機的渦輪產生電力。著名的國家為冰島，其發電量已佔全國發電的50％。相對我國而言，台灣雖有近百個溫泉地熱顯示區，但較具地熱潛能開發者僅26處，理論蘊藏量約為100萬瓩。宜蘭縣三星鄉的清水地熱一帶，曾經興建一座地熱發電廠，但因地熱逐年的減弱，民國82年已停止發電運轉。

2-4.4節能減碳 站在人類與自然的平衡基礎上，能源開發及電力模式不必唯一，政府可參酌不同的地區特性多管齊下，同時積極扮演推動綠色能源的角色，鼓勵企業、民間響應節能減碳落實環保的政策，畢竟美麗的地球只有一個，身為世界公民的我們，人人皆有一份維持保護的責任。 地球危機影片