第七章 能量與生活 7-1 能量的形式和轉換 7-2 核能 7-3 地球的能源 7-4 能源的有效利用與節約

7-1 能量的形式和轉換 1 of 12 能量是促成自然現象變化的根源，太陽能替我們將水搬到高處，人類再利用高、低水位差發電。

7-1 能量的形式和轉換 2 of 12 「能量」代表能使物體作「功」的本領。 用「力」推動物體產生「位移」，就是對物體作功，所以功的定義為力和位移的乘積。 力(牛頓，N) 功(焦耳，J) 位移(公尺，m)

7-1 能量的形式和轉換 3 of 12 能量以多種形式存在，不同形式的能量之間也可以互相轉換。例如：電燈能將電能轉換成光能與熱能。 物體在運動時，具有動能： 質量(kg) 動能(焦耳，J) 速度大小(m/s)

7-1 能量的形式和轉換 4 of 12 靜止的物體沒有動能，但是依其所處的狀態或所在的位置會有另一種形式的能量。 例如在射箭時先把弓拉緊，這時弓和箭都是靜止，因此動能為零。鬆手後，箭即飛出去，此時的動能從何而來呢？ 來自弓的彈力位能。 答：用手拉弓，對弓作的功，轉變為彈力位能儲存在緊繃的弓裡面。鬆手後，釋放出來的彈力位能，轉變為箭的動能，箭即飛出。

7-1 能量的形式和轉換 5 of 12 在地球的重力場中，人施力把重錘提升至高處而作功，功轉換為儲存在重錘的重力位能。 鬆手後，重力位能轉變為重錘下落的動能。 重錘擊中木樁時，重錘的動能又轉變為對木樁作功，將木樁打入地面下。(那消失的動能到哪兒去了呢？) 答：轉變為木樁與地面間摩擦產生的熱能。

7-1 能量的形式和轉換 6 of 12 重力位能與物體的位置有關，故稱位能。若物體質量為m，離地高度為h，物體的重力位能U為： 質量(kg) 離地高度(m) 重力位能(焦耳，J) 地表重力加速度約為9.8(m/s2)

7-1 能量的形式和轉換 7 of 12 一般而言，在運動的過程中只受到重力(或彈力)作功時，物體的動能和位能的總和不變，這稱為「力學能守恆定律」。(力學能=動能+位能) 動能為零 位能最大 因此，滑板表演者只受到重力作功而落下，因此損失的位能轉換為增加動能，但總力學能不變。 動能、位能 均不為零 動能最大 位能為零 h=0

7-1 能量的形式和轉換 8 of 12 除了重力位能與彈力位能外，電荷在電場中，或是磁鐵在磁場中，都能儲存有類似的位能，分別稱為電位能與磁位能。 除了動能和位能外，還有其他形式的能量，例如熱能、光能、電能、化學能等。不管如何轉換，孤立系統的能量總和是不變的，稱為「能量守恆定律」。 請同學想想看下列這些是怎麼轉換的呢？雙手摩擦生熱；隕石穿越大氣層時發光發熱，化為流星；電燈接上乾電池可以照明；火力發電…

7-1 能量的形式和轉換 9 of 12 功和能量的單位是焦耳(J)，是為了紀念英國科學家焦耳在能量轉換研究上的貢獻。 作功：1焦耳就是以1牛頓的力使物體產生1公尺的位移所做的功。 熱能：1卡就是使1克的純水，溫度升高攝氏1度所需的熱能。 功與熱能可以互相轉換，那麼焦耳和卡的數量關係為何？這是當時焦耳想要回答的問題。

7-1 能量的形式和轉換 10 of 12 於是焦耳設計了如圖的實驗裝置，物體下落時損失重力位能，帶動容器內的轉輪葉片，結果水溫升高。 根據能量守恆定律： 計算得知「1卡=4.186焦耳」，稱為熱功當量。

7-1 能量的形式和轉換 11 of 12 習題7-1 (2)把球垂直向上拋起，試問球在上拋和下落的過程中，受到何種力作功？球的能量形式有何轉變？若球拋出的初速為10m/s，則球落回原處的速度大小為何？(假定空氣阻力不計) 解：(a)只受重力作功力學能守恆。(即動能+位能總和不變) (b)剛出發時位能最小動能最大；上升過程位能增加動能減少；最高點時位能最大動能為零；下降過程位能減少動能增加；回到原處時位能回復到最小動能最大。 (c)球落回的末速大小等於初速大小(因位動能、位能跟出發時一樣。)

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(質量可以轉變為能量，能量可以轉變為質量) 7-2 核能 1 of 14 在二十世紀初以前，一般認為物質和能量是分立的，彼此不能轉換。 1905年愛因斯坦在相對論中提出質能互換公式： (質量可以轉變為能量，能量可以轉變為質量) 能量(焦耳，J) 質量(kg) 光速(m/s) 核能發電的原理實際上就建立在這個公式上。

7-2 核能 2 of 14 愛因斯坦延伸了能量的概念，即物質是能量的一種呈現方式。 有些質量重的原子核並不安定，當受外來粒子撞擊時，會分裂成數個質量較輕的原子核，稱為核分裂。 反過來說，數個質量較輕的原子核在高溫的條件下，能融合成一個較重的原子核，稱為核融合。 兩種核反應皆因反應後的質量較反應前減少而釋放出巨大的核能。

7-2 核能 3 of 14 例題7-1 若核反應前後，減少1克得質量，按上述公式計算，可產生多少焦耳的電能？ 解：

7-2 核能 4 of 14 目前運作中的核能發電廠都是利用鈾做為燃料。天然鈾礦中有99.3%的鈾-238和0.7%的鈾-235。 鈾-235原子核受到中子撞擊易分裂，產生兩個中子繼續撞擊其他鈾-235原子核，產生連鎖反應。 鈾-238原子核不會分裂，反而會吸收中子，阻礙連鎖反應的進行。

7-2 核能 5 of 14 核電廠要產生核分裂反應必須使鈾-235的濃度達到約3%，才能使核分裂的連鎖反應有效的進行。(為什麼會不有效？比3%低會如何？比3%高會如何？怎麼控制連鎖反應？) 產生的熱能，透過蒸汽機的原理推動渦輪葉片，帶動發電機，產生電能。 伴隨產生廢熱！

7-2 核能 6 of 14 核能發電所使用的鈾燃料和原子彈不同；後者含鈾純度很高，鈾-235的濃度必須90%以上，核分裂的連鎖反應無限制。任其反應快速的進行，瞬間產生巨大的能量而爆炸。 核電廠的鈾-235純度較低，加上反應爐內裝有可以吸收中子的控制棒，使連鎖反應在受控制的情況下緩慢的進行，不致爆炸。

7-2 核能 7 of 14 我國核三廠全年的發電量所需鈾燃料57噸，改用煤氣約需四百萬噸，石油約需兩百八十萬噸，天然氣約需一百九十萬噸。 核能的優點在於，不會產生二氧化硫、氮的氧化物、二氧化碳，故不會導致空氣污染、酸雨、溫室效應；且鈾燃料體積小，運輸和儲存都方便。 最大的缺點是使用過的核廢料具有輻射性，若處理不善，對生物、環境有長期不利的影響，且核電廠運作的安全性也備受國際社會關注。

7-2 核能 8 of 14 因此科學家轉而研究另一種同樣可以產生巨大能量，卻不會有核廢料問題的核反應，核融合。(註：太陽產生的能量就是來自核融合。) 關於核融合的發電研究，在1951年第一顆氫彈試爆成功後，即已開始。 (註：氫彈也是利用核融合反應。) 核融合是將「氘」和「氚」的原子核，拘束在很小的區域，加以四千萬度的高溫，則兩原子核融合成較大的氦原子核和一個中子，伴隨產生巨大的能量。

7-2 核能 9 of 14 核融合所需的原料氘，平均在海水中每6700個氫原子中就可以找到一個，所以不虞匱乏。 另一個原料氚，可利用核融合產生的中子撞擊鋰原子核得到，而鋰在鹽湖和地質中有豐富的蘊藏量，也不虞匱乏。 至今人類還沒辦法控制核融合反應，不是反應不起來就是過度反應(氫彈)，但是在科學家的努力下，核融合還是人類最終的能源希望。

7-2 核能 10 of 14 通常核反應都伴隨有輻射的發生，所以核反應也可應用於農業、材料、醫療等方面。 一般伴隨反應的輻射有：α射線(氦原子核射束)、β射線(電子射束)、γ射線(電磁輻射)。 這些輻射具有的能量足以使一般原子核外的電子游離，因此稱為游離輻射，會傷害人體細胞。

7-2 核能 11 of 14 人體所受的輻射劑量的國際單位為西弗(Sv)，常用為毫西弗(mSv)，下表列出一般常見的輻射劑量值。 項 目 項 目 輻射劑量(mSv) 彩色電視每天看一小時的年劑量 0.01 胸腔X光照射一次的劑量 0.1 我國核電廠界外輻射年劑量(法規限值) 0.5 每人接受來自自然界輻射的年劑量 2 一般民眾每人的年劑量(法規限值) 5 核能從業人員每人的年劑量(法規限值) 50 鈷-60治療局部照射一次 2000

7-2 核能 12 of 14 下表為輻射對人體的生物效應。 輻射劑量(mSv) 生 物 效 應 或 症 狀 0~500 沒有顯著效應 生 物 效 應 或 症 狀 0~500 沒有顯著效應 500~1000 輕微血液異常 1000~2000 倦怠、無食慾、中度血液異常，所有患者可在數週內復原 2000~6000 嘔吐、嚴重血液變化、出血和感染，且於兩週後脫髮，約有20~100%患者可再一個月至一年之間復原 6000~10000 嘔吐、嚴重血液變化、出血和感染，且於兩週後脫髮，約有80~100%患者在兩個月內死亡，生存者需要很長的時間復原

7-2 核能 13 of 14 習題7-2 (3)核電廠和原子彈都是利用核分裂產生能量，兩者有何不同? (4)火力發電和核能發電各有何優缺點？ 解：(3)前者鈾純度低、受到控制的連鎖反應；後者鈾純度高、未受控制的連鎖反應。 (4)火力發電產生污染環境的廢棄物，發電量低；核能發電產生輻射性的核廢料難保存，發電量高，原料運輸、儲存容易等。

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7-3 地球的能源 1 of 9 人類在地球上可取用的能源，追本溯源絕大部分來自於太陽能 (石油、煤、天然氣、水力、風力、生質能等。)；少部分來自核能、潮汐。 每年照射在地表上的太陽能，估計為目前全世界每年所需能量的一萬多倍。 如果能更有效利用太陽能，我們就不缺能源了!

7-3 地球的能源 2 of 9 來到地球的太陽能，只有約20%將水蒸發形成雲、雨、及空氣的流動、地表溫差，產生水力與風力；大部分約80%會再回到太空中散失。 更少部分(約0.06%)用於光合作用，被植物儲存為化學能。動物以植物為食，因此能量也跟著轉移，衍生生命。 植物的殘渣與動物的排泄物，可經由化學合成液體燃料，或微生物的發酵作用產生沼氣，可用於燃燒，稱為生質能。

7-3 地球的能源 3 of 9 動、植物死亡後埋藏地底，經過數百萬年以上的地壓、地熱形成煤、石油、天然氣等化石燃料。 太陽能、水力、風力、生質能、潮汐等可在短期內自行補充並持續供應的能源，稱為再生能源。 反之，核能、化石燃料等被稱為非再生能源。

7-3 地球的能源 4 of 9 人類直接或間接取用太陽能的方式有：太陽能加熱、太陽能電板、水庫水力發電、風力發電。 優點是乾淨；缺點常有成本高、受地區形貌限制、影響自然生態環境。

7-3 地球的能源 5 of 9 潮汐、地熱發電都是善用地區和地形的特性，產生乾淨能源。 左圖是利用海水潮汐的漲落，推動水輪發電機而產生電力。

7-3 地球的能源 6 of 9 其他如巴西地廣人稀的國家，缺乏天然能源，所以大量種植甘蔗(玉米也可以)，轉製成酒精，作為汽車的燃料。(台灣為何不行？) 如上述生質能仍是值得的選項，因為酒精燃燒產生的二氧化碳，可被大量栽植的植物經光合作用，而轉換成氧氣而達到平衡。 核能目前仍只用到自然中佔少數的鈾-235，經過努力，我們已經找到方法將佔99.3%的鈾-238轉換成另一種核分裂的燃料，使原料匱乏無虞。

7-3 地球的能源 7 of 9 目前全世界消耗的能源90%來自化石能源，其餘由核能和水利發電等方式來提供，原因是其方便性無可取代。 近來工業界在積極投入研究，如何將髒能源-「煤」轉化為乾淨的能源燃料，提昇使用價值，避免污染。

7-3 地球的能源 8 of 9 習題7-3 (5)試蒐集資料，說明我國每年消耗的能源有哪些類別？各佔多少百分比？就來源而言，進口和自產能源各佔多少比例？ 解：請同學自行上網查資料。

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7-4 能源的有效利用與節約 1 of 9 人類對能源的依賴在古代只有簡單的燃燒木頭取暖、炊煮，基本上沒有能源問題。 十八世紀工業革命，蒸汽機使用大量的燃煤造成空氣污染，能源污染問題開始浮現。 十九世紀後期，內燃機的發明和電力的使用，石油的消耗量增加，取代燃煤成為主要能源。 二十世紀起，電力、汽車更為普及，石油的消耗量激增，油田成為經濟命脈，強權國家爭奪其所有權，使得油價飆漲、促成核能工業的發展。

7-4 能源的有效利用與節約 2 of 9 由下表可知，1950年到1990年人口成長了兩倍，但能源的消耗量卻增為四倍。 以此估算，地球的石油蘊藏可使用四十年、煤可使用兩百多年、天然氣可使用六十年、鈾礦可使用七十多年，「能源缺乏的危機」浮現國際。 年 別 1890 1910 1930 1950 1970 1990 全世界人口數(億) 14.9 17.0 20.2 25.1 36.2 53.2 全世界能源總消耗量(1012瓦-年) 1.00 1.60 2.28 3.26 8.36 13.73 資料來源：Scientific American 地球能源專刊 (1990年9月) 第112頁

7-4 能源的有效利用與節約 3 of 9 從物理學的觀點來看，宇宙整體是能量守恆的，但實際上能量的形式轉換時，總是伴隨有散逸的能量損失。 例如引擎燃燒汽油，汽車獲得了動能，但同時也產生了無法再回收利用的熱能，導致「有用能源」將越來越少。(因為產生廢熱去了！) 因此地球的有用能源，終有用完的一天。 「能源危機」泛指能源的匱乏，與大量使用所造成生存環境的污染和危害。

7-4 能源的有效利用與節約 4 of 9 解決能源危機，有「開源」、「節流」二法。。 首重節流，意指有效利用與節約使用。 次重開源，意指尋找替代能源取代非再生能源。 先談有效利用和節約的部份： 傳統的燈泡發光效率不及10%，產生許多廢熱。 且15W的日光燈管和60W的白熾燈泡所發出的亮度相當，但前者只要四分之ㄧ的用電量。因此使用發光效率高的燈源可以省下許多照明用電。

7-4 能源的有效利用與節約 5 of 9 全世界有一半的石油消耗在五億輛汽車所需，過去二十五年隨著改進設計，平均每部車的耗油量降低了約一半，廢氣量也減少了。 多利用大眾運輸系統，也可以節約能源和改善環境物染的現況。 關於節流，要點就是提高能源的使用效率，減少不必要的浪費。

7-4 能源的有效利用與節約 6 of 9 另一個節約的例子是，白天尖峰用電時，水力發電廠放流上池的水來發電。 夜晚離峰時間利用其他無法停機的電廠多餘的電力將水抽回上池，以供次日發電。

7-4 能源的有效利用與節約 7 of 9 在努力於能源的「節流」之外，還必須加速「開源」的研究，以取代漸趨枯竭的化石能源。 太陽能和核能的利用是目前最可行的替代能源。 將原本多餘的電能利用電解水產生氫氣，相當於把電能轉換儲存成化學能，氫氣是一種相當清潔的燃料，使用上和運輸都很方便，可以成為攜帶型的能源。 發展能源科技必須深入加強物理、化學、生物、地科等基礎科學的研究。

7-4 能源的有效利用與節約 8 of 9 習題7-4 (7)60W白熾燈泡和15W的日光燈有同樣的亮度，根據下表，計算將一盞白熾燈泡改用日光燈，若每天使用10小時，經使用600天後，可節省多少度電能？若每度電費為2.7元，可省多少錢？ 解：600天=使用6千小時 瓦特x千小時度電 (1)省60x6-15x6=270度電 (2)白熾燈成本 =6x18+60x6x2.7=1080元 日光燈成本 =1x350+15x6x2.7=593元 共省1080-593=487元 60W白熾燈泡 15W日光燈泡 單價(元/盞) 18 350 壽命(小時/個) 1000 6000 6000小時內需換用的盞數 6 1

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