C007 自然科學概論　第六版 Chapter 7 資　　源 編著：杜平泉、方　慧、杜鳳棋、吳鎰州 　　　唐幼華、柴御清、蔡忠賢.

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1 C007 自然科學概論　第六版 Chapter 7 資　　源 編著：杜平泉、方　慧、杜鳳棋、吳鎰州 　　　唐幼華、柴御清、蔡忠賢

2 章 節 簡 介 7-1 能 源 7-2 石 油 7-3 天然氣 7-4 煤 7-5 核 能 7-6 太陽能 7-7 水 力 7-8 水資源
章　 節　 簡　 介 7-1　能　源 7-2　石　油 7-3　天然氣 7-4　煤 7-5　核　能 7-6　太陽能 7-7　水　力 7-8　水資源 7-9　森林資源 學習摘要

3 回顧人類的歷史，我們發現能量的消耗隨著社會的進步而增加；早期的人類利用自己的體力，以應付生存所需要的熱能，藉著打獵與採食野生的蔬果，獲取體內所需的能量；直到火種的發現，人類方懂得如何利用外界的熱能以提昇生存的品質；文明開始後，人類利用牛、馬等動物以及風力、水力來從事較粗重的工作，如耕種、運輸等，公元1712年蒸汽機發明後，人類使用的能源種類更加多元化，而且應用能源的技術也一再的被開發出來 ( 如圖7-1)。

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5 7-1 能 源 能量以不同的型式存在，如太陽能、熱能、機械能、電能、化學能等。
7-1 能　源 能量以不同的型式存在，如太陽能、熱能、機械能、電能、化學能等。 由於能量使用後無法再生，因此我們的社會需要大量的能量，以維持基本作息及促進進步。能量的主要來源為化石燃料(fossil fuels) ( 如圖7-2)，包括石油、天然氣及煤，所產生的能量為總能量的87.5%。

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7 7-2 石　油 石油的形成，主要是早期生存於靠近海岸淺水中的微生物死亡後，大量淤積於海底，經千百萬年地殼的變化而逐漸被埋於地底下，長期在高壓、高熱的條件下，產生化學反應而變成極端複雜的液化碳氫化合物，稱原油(crude oil)或石油(petroleum) 及氣化的碳氫化合物稱為天然氣 (natural gas)。 石油是含有上千種有機碳氫化合物的混合物-，主要的成份為以碳和氫為主的有機化合物-，並含有少量的硫、氮或氧等的化合物。

8 7-2 石 油 石油必須經過煉製的過程才能轉化成各種成品，煉製的程序稱為分餾 (fractional distillat-ion)。
7-2 石　油 石油必須經過煉製的過程才能轉化成各種成品，煉製的程序稱為分餾 (fractional distillat-ion)。 分餾是利用碳氫化合物不同的沸點，以分段蒸餾的方式達到分離效果的煉製方法 ( 如圖7-3)。

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10 7-2-1 石油煉製 圖 7-3 所示，為石油煉製過程中最主要的部分，稱分餾塔(fractional distillation tower)。分餾塔最底層的溫度約為，在此溫度下，大部分的碳氫化合物都被氣化掉，經過不同高度、不同溫度的冷凝下，使不同沸點的化合物依次被冷卻下來 ( 如表7-1)。

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12 7-2-2 辛烷值 汽油中的直鏈式的碳氫化合物量多時，汽車的引擎發動會造成震爆現象；若支鏈式的碳氫化合物量增加，則震爆現象較輕微。因此，國際間以數值來表示有機化合物抗震性之指數，稱為辛烷值 (octane rating)。 由於異辛烷之抗震性最佳，因此定其值為 100；而正庚烷的抗震性最差，數值定為 0 ，依次訂出這兩種碳氫化合物，在不同混合比率時之抗震性指數，制訂出燃料中的辛烷值容量百分比的數據，以作為燃料的抗震性標準。為存在於汽油中一些有機物的辛烷值 ( 如表7-2 )：

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14 7-2-2 辛烷值 從石油分餾出的汽油之辛烷值約為 50~55，而汽車所需要汽油之辛烷值為 87~90，因此通常以裂解的方式增加辛烷值，或添加抗震劑如四乙基鉛，以減少引擎的震動。

15 7-2-3 石化工業 經由石油所煉製出的化合物，再經過化學合成而產生的有機物通稱為石油化學品 (petro-chemicals)。
一般常見的石化衍生物有塑膠、人造纖維、人造橡膠、除蟲劑、肥料、醫藥等 ( 如圖7-4)。未來因為石油的儲藏量遞減，因此科學家積極探討利用煤所煉製出的合成氣，以取代石油做為有機化合物的合成來源的研究。

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17 7-2-4 石油蘊藏量 石油的分布產量相當的不平均，地球上已被開發或證實有石油蘊藏的地區，一半以上集中在中東地區，如沙烏地阿拉伯、伊朗、科威特等國家 ( 如圖7-5)。 依照目前石油的消耗速率，科學家推斷到公元2010~2020年石油將完全的枯竭，為了減少對石油的依賴度及因應石油未來的短缺，我們應該 (1) 盡量利用其他蘊藏量較大的化石燃料，如煤；(2) 節約能源並提高能源的經濟效率；(3) 積極尋找安全性高而污染源低的代用能源。

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19 7-3 天然氣 天然氣主要為：甲烷，並含有少量的乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、硫化氫等氣體化合物，典型的天然氣大約含有 60 ~ 80 % 的甲烷，其含量隨產地而不同。 由於二氧化碳會降低燃燒所產生的熱量，硫化物會產生空氣污染，造成酸雨現象且發出惡臭，水蒸氣於輸送管中遇低溫時會有凝結現象，因此天然氣於使用前，需先將二氧化碳、硫化氫、水蒸氣以及分子量大於乙烷的碳氫化合物，從天然氣中予以去除。

20 7-3 天然氣 天然氣中的丙烷以及丁烷被移出後，再經液化形成之液體稱為液化石油氣 ( liquified pe-troleum gas ) 或稱 LPG。 天然氣較石油便宜，除較易完全燃燒，較少殘渣，更無酸雨的後遺症，因此天然氣比石油或是煤更適合當作燃料。

21 7-3-1 天然氣蘊藏量 天然氣提供全球一年所消耗能量的17%。蘊藏量最多的地區為獨立國家國協，約佔全世界總蘊藏量的50% ( 如圖7-6)。 天然氣屬於氣體，在運輸以及儲存方面的困難度很大，若將溫度降至時，其液化的體積降為原來的 1/600倍，則適於運輸和儲存，但液化天然氣 ( liquified natural gas, LNG ) 的成本高，而且如果儲存槽使用不當，容易引起爆炸。依照目前天然氣的消耗速率，天然氣的供應大約還可以持續40到60年。

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23 7-4 煤 大約在三億年前，地球的平均溫度比現在略高，熱帶沼澤地區佈滿植物。植物凋謝後沈積在水底，經過地殼的變化而被深埋於地底下，在無空氣氧化且高溫、高壓的情況下，其分解現象相當緩慢，一些較易揮發的物質以及其含水量逐漸的減少而含碳量逐漸的增加下，最後變成多孔性的物質稱為煤。煤因含碳量的不同而有差異，種類 ( 如表7-3)：

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25 煤炭汽化 煤在高壓、高熱的蒸氣作用下，產生一氧化碳和氫氣，一氧化碳和氫氣再反應產生甲烷和水的過程，稱為煤炭汽化。產生的一氧化碳、氫氣和甲烷，則稱為人造氣體或稱為水煤氣：

26 煤的蘊藏量 煤約佔全世界年平均能源供應量的27%。煤幾乎均勻分布在地球上，但蘊藏量最多的地區為美國，佔全世界總蘊藏量的29%。依照目前的消耗速率，煤可以持續供應300年。 由於石油之蘊藏量急速遞減，因此煤可能在未來會取代石油，成為石化工業製造石化產品的原料，但是由於燃燒煤和石油都會產生二氧化碳等環境污染的問題，因此無可置疑的，未來若大量使用煤，必然會嚴重威脅到全球的環保和地球的生態。

27 7-5 核 能 當公元1960年核熔合的控制技術開發後，核能成為一乾淨、便宜又安全的能源，似乎是指日可待的事。因此科學家在1950年代時預測，到公元2000年時核能將提供全世界20% 的能量來源，但是由於核能發電在安全上一直無法獲得保障，因此到目前為止，其作為能源的比率還不到3%。目前台灣有三座核能發電廠 ( 如表7-4)。

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29 核能發電 目前正在運轉的核能發電廠，大多是利用鈾的核分裂反應，所伴隨的巨大能量來做發電用。基本上，它利用中子撞擊鈾以產生較輕的原子與中子： 由於中子撞擊鈾原子分裂產生三個中子，這些新生的中子又和其他的鈾原子產生撞擊反應，如此核分裂開始後，鈾分裂現象將一直持續下去，這種連續反應的現象稱為連鎖反應 (chain reaction) ( 如圖7-7)。

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31 核能發電 核能發電廠即在有效的控制連鎖反應下，利用核分裂產生的巨大能量作為發電的來源。一般核能廠利用慢中子作引發劑，使用石墨或水當作緩和劑 (moderator)，以減速由放射性元素產生之高速中子，並以鎘或硼作為控制棒 (control rods)，控制連鎖反應過速的現象發生。 核能反應爐可分為四部分(如圖7-8)，即(1)遮蔽裝置－混凝土鉛；(2)燃料棒－235U；(3)緩和劑－石墨或水；(4)控制棒－鎘或硼。核反應所產生之高熱能，使水蒸發成為高熱之蒸氣，用以推動渦輪發電機以產生電力。

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33 核燃料 因大多數的鈾礦，含鈾量通常不超過0.2%，因此採自礦區的鈾礦在作為核燃料前，必須將鈾礦轉變成含80% 的氧化鈾 (U3O8)。 一般燃料棒只有三年的使用期限。但是其剩餘的鈾235之含量仍約1%，因此使用過的廢燃料棒需經核廢料處理程序，以防輻射線洩露造成輻射污染。

34 核能廠的問題 大多數人對於核能廠懷有相當恐懼的心理，深恐核能廠會像核子彈一樣產生可怕的核子爆炸。事實上核能廠最大的問題，在於是否輻射會外洩或核廢料是否將造成污染，而不在於是否會爆炸，因為燃料棒中的鈾235含量不足以造成核子爆炸。 核能廠所引起的災害，比較重大的兩次核能廠災難，分別發生於公元1979年美國賓夕法尼亞州的三浬島(Three Mile Island) 核能廠以及1986年發生於前蘇聯的車諾比 (Chernobyl) 核能廠。

35 核能廠的問題 兩次災難都是肇因於冷卻水供應發生問題，使得反應器溫度急速升高，導致核心熔化、輻射外洩。三浬島輻射外洩事件，因處理快所以沒有造成災難；而車諾比事件，由於因應危機的機動性低，而造成大量的輻射氣體和微粒外洩，不但演變成眾多人命的傷亡，而且引起生態環境的後遺症，可能需要數百年的復建工作才能回復舊觀。

36 7-6 太陽能 太陽能是最有經濟價值的一種能源，不但取之不竭又沒有污染問題，而且似乎可以無限制的轉化成其他能源。但是事實上，目前要將太陽能轉變成有用的能源卻非易事，不只技術困難而且所費不貲。

37 7-6-1 靜態與動態的太陽能加熱系統 利用特殊的建築材料，可以將太陽能轉變成室內取暖設備所需之能源。
靜態與動態的太陽能加熱系統 利用特殊的建築材料，可以將太陽能轉變成室內取暖設備所需之能源。 靜態太陽能加熱系統 (passive solar heating) 利用對流現象，吸收透過窗戶進入室內的太陽能，以提高室內的溫度。部分被吸收的太陽能並經由底層特殊的材料加以儲存，以供夜晚時慢慢釋出以維持室內的溫度。

38 靜態與動態的太陽能加熱系統 動態太陽能加熱系統 (active solar heating) 為另一種室內加熱系統，裝於屋頂上的太陽能收集器 (solar collector)。太陽能收集器為一黑色之平板，上面置一層玻璃板，黑色平板與玻璃板中間鋪上水管，藉著水的流動以吸收熱能來維持室內之溫度，玻璃板的目的在於防止能量的散失。

39 太陽能發電廠 圖 7-9 是為位於美國加利福尼亞州南部，利用太陽能發電的發電設施。它是以半弧形的太陽能收集器，將太陽光反射而交於中心部位，使流經鋪於中心部位管內的液體加熱至溫度約達，再利用此高熱的液體，將水變成高溫的水蒸氣用來推動發電機發電。 太陽能發電由於建造費用比一般傳統的發電廠便宜，而且不須使用任何燃料，又沒有空氣污染現象，因此可能成為未來的主要發電型態之一。

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41 7-7 水 力 水力發電(如圖7-10) 為利用水位差所造成位能差，以帶動發電機發電，是效率最大的發電方式，而且並無污染產生的問題。但是為發電所建的水庫，卻造成環境生態很大的損害：水庫本身建成後將淹蓋水庫所在範圍內的所有地上物，甚至於有歷史價值的景物與城市(如大陸正在興建的三峽水庫 )，同時水庫也造成水庫下游河川的沈積物以及養分呈現大量遞減的現象。 台灣較大的水力發電廠計有石門水庫、翡翠水庫、德基水庫、曾文水庫、阿公店水庫、烏山頭水庫等。

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43 7-8 水資源 水是地球上最珍貴的資源，如果沒有水的存在，地球上將沒有任何生命的跡象。
7-8 水資源 水是地球上最珍貴的資源，如果沒有水的存在，地球上將沒有任何生命的跡象。 雖然地球上的水含量固定不變，且由於水藉著蒸發及下雨的方式循環不停，由於水分布的不均及人們大量的用水，地球上有些地區已經顯現嚴重缺水現象。

44 水的分布 水是地球上含量最多的化合物，約有 ¾ 的地球表面被水所覆蓋。雖水的含量如此可觀，但是淡水所占的比率卻相當的低，大約地球上的97.2% 的水存於海水中，又約 2.8% 的水 ( 如圖7-11)存於冰原及南北極，其餘極大部分的淡水為地下水；因此存於湖泊、河川適合用於灌溉、飲用的水大約只有0.12%。 水同時也是組成生物的主要成份(如表7-5)：約佔人體的70% 重量，其他的動物或植物則在50% 至90% 之間。

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47 7-8-2 水的循環 水藉著太陽能被蒸發，又由於溫度的關係被凝結，並靠著降雨或降雪的方式，不斷的被淨化與循環(如圖7-12)。
水的循環 水藉著太陽能被蒸發，又由於溫度的關係被凝結，並靠著降雨或降雪的方式，不斷的被淨化與循環(如圖7-12)。 大氣中含水蒸氣的量稱為濕度 (humidity)，一般濕度的表示法有絕對濕度 (absolute humidity) 與相對濕度 (relative humidity) 兩種。

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49 7-8-2 水的循環 一定體積的空氣中含有水蒸氣的重量，稱為絕對濕度。
水的循環 一定體積的空氣中含有水蒸氣的重量，稱為絕對濕度。 一定溫度下，空氣中的水蒸氣，若達到空氣所能容納的最大含量時，稱為飽和狀況 ( 如圖 7-13 )溫度越高則絕對飽和濕度相對的升高，因此若溫度降低，空氣中的水蒸氣即凝結成液態水。空氣中水蒸氣量對該溫度下的飽和水蒸氣量之比值，則稱為相對濕度。若水氣量達到飽和時，此時相對濕度為100%，稱為露點 (dew point)。

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51 用水的危機 由於人們過度的浪費水資源，地球上的水資源已呈現不足現象；根據環保署資料，台灣地區每人每天約消耗 300升的水，而歐美地區每人每天才約消耗 250公升的水，包括抽水馬桶沖水一次約 12~20升，沖澡每分鐘約 8 ~ 12 升，以及工廠與養殖漁業大量的抽取地下水，使得地下水位降低、海水入侵，導致水資源日趨缺少。尤其在炎夏季節，台灣地區時常感受到缺水的嚴重性。

52 7-9 森林資源 自從約10,000年前，農業型態的生活方式產生以來，人類已經消耗掉地球陸地上約 1/4的森林區域。如果能夠節制的利用，消耗的速率不超過育林的速率，森林資源是項可以再生的重要資源。 森林提供建築、燃料、紙漿、醫藥等所需之材料，年產值約美金3000億元。全球每年被砍伐的森林，一半被用來作為日常生活所需之取暖與烹煮上； 1/3 用於製造建築材料，如木材、夾板、木渣板等；剩下的 1/6 則用於生產紙漿，以供製造各類紙張用。

53 7-9 森林資源 森林在環境生態上，對於水土的維護與全球氣候的調節，具有重大的影響作用。樹木可以保育土壤防範被洪水沖走，並可防止土壤中之沈積物流失，而一棵大樹在炎熱的天氣裡，可以自土壤中吸取約 5噸的地下水，再蒸發至大氣中，以變成雲或雨來調適大氣的溫度。通常，大氣中之水氣約50~80% 是蒸發自森林。 森林更是地球氧氣與二氧化碳互生的重要工具，藉著綠色植物的光合作用，使得大氣中的氧氣可以順利更新 ( 如圖7-14)。

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55 學 習 摘 要 1. 目前使用的能源有化石燃料、核能和水力。其中化石燃料包括石油、天然氣以及煤，所產生的能量為總能源的87.5%。
學 習 摘 要 1. 目前使用的能源有化石燃料、核能和水力。其中化石燃料包括石油、天然氣以及煤，所產生的能量為總能源的87.5%。 2. 石油：含有上千種有機碳氫化合物的混合物，主要的成份為以碳和氫為主的有機化合物並含有少量的硫、氮或氧等的化合物。 3. 分餾：利用碳氫化合物不同的沸點，以分段蒸餾的方式達到分離效果的煉製方法。

56 學 習 摘 要 4. 裂解：將碳原子數目較多，分子量較大的碳氫化合物於高熱高壓的情況下轉化成低分子量的碳氫化合物如汽油或煤油等。
學 習 摘 要 4. 裂解：將碳原子數目較多，分子量較大的碳氫化合物於高熱高壓的情況下轉化成低分子量的碳氫化合物如汽油或煤油等。 5. 辛烷值：國際間以數值來表示有機化合物抗震性之指數。異辛烷之抗震性最佳，其辛烷值值定為100，而正庚烷的抗震性最差，定為0，再依次訂出這兩種碳氫化合物不同混合比率時之抗震性指數，制訂出燃料中的辛烷值容量百分比的數據，以作為燃料的抗震性標準。

57 學 習 摘 要 6. 高分子材料：石油化學品：由石油所煉製出的化合物，再經過化學合成而產生的有機物之通稱。 7. 我們應該：
學 習 摘 要 6. 高分子材料：石油化學品：由石油所煉製出的化合物，再經過化學合成而產生的有機物之通稱。 7. 我們應該： (1) 盡量利用其他蘊藏量較大的化石燃料，如煤炭 (2) 節約能源並提高能源的經濟效率； (3) 積極尋找安全性高而污染度低的代用能源；以減少對石油的依賴以及因應石油未來的短缺。

58 學 習 摘 要 8. 高天然氣：主要為甲烷，並含有少量的乙烷
學 習 摘 要 8. 高天然氣：主要為甲烷，並含有少量的乙烷 、丙烷、丁烷、二氧化碳、硫化氫等氣體化合物，典型的天然氣大約含有60~80% 的甲烷，其含量隨產地而不同。 9. 液化石油氣 (LPG)：天然氣中的丙烷以及丁烷被移去後，再經液化形成之液體。 10.液化天然氣 (LNG)：將天然氣降至 -162℃時，其液化的體積降為原來的1/600倍，則適於運輸和儲存。

59 學 習 摘 要 11. 高煤依含碳量與含水量的不同分為：
學 習 摘 要 11. 高煤依含碳量與含水量的不同分為： (1) 褐煤：含碳量30%，含水量40%。 (2) 次煙煤：含碳量40%，含水量9%。 (3) 煙煤：含碳量65%，含水量3%。 無煙煤：含碳量90%，含水量3%。 12. 煤炭汽化：煤在高壓、高熱的蒸氣作用下，產生一氧化碳和氫氣，一氧化碳和氫氣再反應產生甲烷和水的過程。產生的一氧化碳、氫氣和甲烷則稱為人造氣體或稱為水煤氣。

60 學 習 摘 要 13.連鎖反應：中子撞擊鈾原子分裂產生三個中子，這些新生的中子又和其他的鈾原子產生撞擊反應的連續現象。
學 習 摘 要 13.連鎖反應：中子撞擊鈾原子分裂產生三個中子，這些新生的中子又和其他的鈾原子產生撞擊反應的連續現象。 14. 核能反應爐分為四部分：(1) 遮蔽裝置－混凝土鉛；(2) 燃料棒－235U；(3) 緩和劑－石墨或水；(4) 控制棒－鎘或硼。 15. 水力發電：利用水位差所造成位能差以帶動發電機發電，是效率最大的發電方式，並且無污染問題。

61 學 習 摘 要 16.水是地球上含量最多的化合物，約有3/4的地球表面被水所覆蓋。水約佔人體的 70% 重量，其他的動物或植物則在50% 至90% 之間。