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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

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1 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

2 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。

3 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。

4 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。

5 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

6 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。

7 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。

8 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。

9 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

10 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。

11 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。

12 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。

13 「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。

14 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。

15 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

16 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。

17 「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。

18 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。

19 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 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 碘化鋰 約3V

20 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。

21 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。

22 鉛蓄電池放電反應 Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) PbSO4(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。

23 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。

24 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。

25 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。

26 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。

27 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。

28 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 )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

29 原子彈爆炸圖 核分裂動畫 核分裂連鎖反應圖

30 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

31 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。

32 興建於台北貢寮的核四廠 貯存核電廠區及蘭嶼的核廢料

33 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。

34 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。

35 利用潮汐發電 利用波浪發電

36 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。

37 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。

38 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。

39 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。

40 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

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