單元陸:能源的利用與開發

一、能源的利用

(一)人類目前使用的能源:

1.世界目前主要的能源包括了:煤、石油、天然氣和原子核分裂等。

2.煤:主要成份是『碳元素』。

(1)含碳量(固定碳)愈高的煤質愈好,『無煙煤』含碳量在90﹪以上煤質最佳。(有關煤的等級見另一張投影片)

(2)煙煤:因燃燒時產生大量的煙故不宜當作燃料,而大多乾餾法製成【煤焦】用以煉鐵的還原劑。(如表一.所示)

(2)當兩個氘原子達到足夠的溫度時,又能克服原子核的排斥力時,即可發生原子核融合反應:(如圖一)


註:原子核中的質子數相同,而中子數不同的原子,稱為:同位素

(3)上述反應前的物質的總質量大於反應後的總質量,損失的質量轉換為能量E,假設若反應損失的質量為M公斤,則能量與質量的關係式為:

(此關係將於本單元「質能守恆」中詳述)

5.原子核融合反應所得的能量較核分裂產生的能量更大,且無輻射和核廢料的問題,且氘元素可經由海水取得,故可說是取之不盡用之不竭的能源,可惜限於人類尚有許多技術無法克服,故目前除了用在核子武器上(氫彈)之外;以現今的科技尚無法用於和平的用途。

6.宇宙中所有的恆星包括太陽在內;都是進行原子核融合反應,並非一般燃燒〈氧化〉的化學反應。

(二)善用現有的能源:

1.核能與核能發電:(指原子【核分裂】所釋出的能)

2.所謂善用能源,是從節省不浪費提高能源轉換的效率著手,例如:減少機械的摩擦力以提高機械效益等方法。

3.目前台灣在家庭中所使用的能量,大多以電能做為電源的電器比例較高,因為電能在轉換成其他形式的能量(如光能或熱能…等)時, 轉換的效率較高,耗損於散亂熱能的比例較小,且電能又兼具輸送方便的優點,較其他能源使用更為方便。

4.電力公司由發電廠將電能輸送至家庭使用之前,會先將電能轉變壓成高壓電再行輸送,可以降低導線上的電流,目的在減少輸送時電能的損失,在電力輸送至都會區前再行變壓成低電壓以供使用。

(1)因為金屬導線因電流的熱效應產生的發熱功率為:

,故電流I愈小,則輸送電能時導線的發熱功率P愈小

(2)而發電機的功率是固定的,又因為PI×V,所以輸送電流I與輸送電壓V成反比,亦即電壓愈高則輸送的電流愈小
(此觀念會在電學單元「電力輸送與消耗」中有詳細的敘述)

二、質、能守恆定律

1.能的特性就是會互相轉變形式,在自然界中能的各種形式彼此會互相轉換,此特性稱之為「作功」,但無論能量如何轉換,各種形式的能量總值是不變的,這就是能量守恆定律

2.當能的形式發生轉變(作功)時,在轉換的過程中同時會伴隨著熱能的產生,此一形式的熱能因散佈於環境中而無法利用,故被稱為:「散亂的熱能」。

3.能量在作功的過程中皆難以避免發生散亂的熱能,所以自然界可以利用的能量會逐漸減少。

4.原子核分裂反應:一般簡稱為:核能,可用以發電,指原子『核分裂』反應前、後,總質量會減少,而損失的質量會以質能互換方式釋出能量。

(1)放射性元素於自然界中會自行發生【原子核衰變】反應,所釋出的能量少,但反應的時間較長。

(2)將放射性元素以摱中子撞擊,則會使原子核分裂為大小不等的兩個原子核,且會釋出大量的核能。

(3)原子核反應後質量會有少許損失,這些損失的質量會轉換成能量,稱為【質能互換】,根據愛因斯坦相對論中提的質能互換,(如表二.)
公式為:

(4)【連鎖反應】:一顆中子撞擊鈾-235使其分裂成兩個原子核的同時,會釋出二顆中子,連同原本入擊的慢中子;共三顆中子會再撞擊其他的鈾-235原子核,造成一連串的反應,稱為連鎖反應,若不加以控制,則原子核分裂反應的速率會快速增加,甚至會將反應爐熔毀。

(5)核能發電是以原子核分裂時所釋出的熱能來產生高壓蒸汽推動渦輪機使發電機轉動,原子反應爐使用原子核分裂反應的燃料是【鈾-235】

(6)原子核分裂反應是一個質量較大的原子核經中子撞擊而分裂為兩個較小的原子核,以鈾-235為例,(如下圖二.)所示:

三、能源的開發

1.因世界人口的增加,生產方式和科技的需求,天然能源逐漸耗盡,如何『有效利用現有的能源』『開發新的能源』,是人類所面臨的重要課題。

2.有效的利用能源實例:
例如:在日月潭的大觀發電廠,於深夜用電量較少的『離峰時間』將其他電廠多餘的電能用以轉動抽水機,將比日月潭低
300公尺的水里溪(下池)中的水抽取上來貯存於日月潭中(上池),等到白天用電多的『尖峰時間』再由上池放水發電,並將水貯存於下池中,如此循環使用,達到有效利用能源目的,(將電能轉換成重力位能,可以算是間接儲存電能的方式)。

3.有效利用能源的方法包括:
於日常生活中在使用機械時,儘可能減少能源在轉換的過程中所產生的熱能,因此汰換老舊汽機車減少不必要的能源使用及浪費石化鋼鐵業可利用『汽電共生』提供工廠所需的電能…等方法。

4.值得開發的能源
太陽能風力地熱潮汐核融合…等,都是目前的科技尚無法克服現實困難而又不能大量使用的能源,但是這些能源是取之不盡的『再生能源』,故為值得開發利用的能源,亟待提昇人類的科技以善加運用。

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