第4章生活中的能源- PowerPoint 簡報.ppt

第一節能源簡介第二節化石能源和燃燒熱第三節化學電池第四節其他能源,第4章生活中的能源,章目錄,第一節能源簡介,再生能源在短期內能自行補充，能反覆使用持續供應者，如太陽能、水力、風力、生質能、潮汐、地熱、海浪能、海洋熱能轉換、核融合能等能源。非再生能源用過即無，必須另外設法開發轉換採取，無法自行補充者，如煤、石油、天然氣、廢熱、鈾等能源。,能源分類,能源,補充,章目錄,各種不同形式的能,能量可以用各種不同形式存在，如熱能、化學能、電能、聲能、光能、位能、磁能和核能等等。能量守恆定律各種形式的能量可以相互轉換，但其總量一定。,章目錄,,一、化學反應熱二、化石能源的熱值三、化石能源四、無鉛汽油,章目錄,第二節化石能源和燃燒熱,一、化學反應熱,在定溫定壓下，物質生成時所儲存在於其中的能量總和，稱為熱含量H。熱含量與溫度、壓力及狀態有關，且僅能測其變化值（即反應熱△H），而不能測其絕對值。物質之熱含量隨溫度上升，其值通常變大，故於測熱含量變化值時，須在標準狀態（25℃、1atm）下，且須標明物質的狀態。,節目錄,反應熱圖示,吸熱，H＞0,放熱，H＜0,化學反應熱以ΔH表示ΔH生成物的熱含量─反應物的熱含量,節目錄,熱化學方程式,同時表示出反應熱的化學反應方程式。反應熱的大小與反應物、生成物的種類、狀態、反應物數量、溫度與壓力有關。標準狀態溫度25℃，壓力1大氣壓，溶液的濃度為1M，所測得反應熱稱為標準反應熱。,【例如】,節目錄,熱化學方程式表示法,放熱反應【例如】1莫耳氫氣燃燒可釋放285.8kJ熱量。H2g＋O2g→H2Ol，△H＝－285.8kJH2g＋O2g→H2Ol＋285.8kJH2g＋O2g－285.8kJ→H2Ol,吸熱反應【例如】分解1莫耳氯化鈉需吸收411kJ熱量。NaCls→Nas＋Cl2g，△H＝411kJNaCls＋411kJ→Nas＋Cl2gNaCls→Nas＋Cl2g－411kJ,節目錄,燃燒熱,燃燒是日常生活常見的現象，屬於放熱反應，常伴隨光和熱的釋放。莫耳燃燒熱1atm，25℃下，每1莫耳物質完全燃燒所放出的熱量。【例如】燃燒1莫耳甲烷可放出890kJ的熱量。CH4g＋2O2g→CO2g＋2H2Ol，△H＝－890kJ,圖4-7煙火的施放,節目錄,二、化石能源的熱值,燃料熱值是指單位質量的燃料完全燃燒所產生的熱量，常用的單位kcal/kg或kJ/kg。,表4-1各類燃料熱值比較,根據96年經濟部能源局公布國內能源供需統計，以石油佔51.1最高。,圖4-8各能源佔總供給比例,節目錄,三、化石能源,化石能源指的是煤、石油及天然氣，它們來自古代動植物在地底下經高溫高壓作用分解而產生。化石能源占全世界能源需求90％以上。臺灣的化石能源主要來自進口約占98.3，自產能源約1.7，能源相當貧乏。全臺灣的總發電量中約有60％來自於利用化石能源的火力發電。,節目錄,煤,煤是古代植物因地殼的變動，埋藏於地底下經地熱與地壓作用形成的固態物質。主要成分為碳及少量的氧、氫、氮、硫及其他元素。依碳化程度可分為泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤。,表4-2各種煤的碳含量,圖4-9煤礦的開採,節目錄,煤的乾餾,將物質隔絕空氣加熱使之分解的過程，稱之乾餾。,節目錄,乾餾產物,煤氣主要含氫及甲烷（其他尚含少量的一氧化碳、二氧化碳、硫化氫及甲烷以外之其他低沸點的烴類。煤溚為黏稠的液體，是極複雜的混合物含五百種以上不同的化合物，其中苯、甲苯、酚、甲酚等，是重要的化學原料。煤焦幾乎完全是碳，是冶煉金屬的還原劑，也是製水煤氣及乙炔的原料。,動畫,節目錄,煤的再製燃料與汙染,再製液化燃料煤加熱到高溫時，施以高壓會變成類似石油的可燃液體。再製汽化燃料紅熱的煤與水蒸氣反應後的產物水煤氣CO與H2的混合氣體，亦可作為燃料。空氣汙染煙灰、氮氧化物、二氧化硫等。廢熱汙染可能會改變水棲生態。溫室效應排出的二氧化碳。,補充,節目錄,天然氣,全球蘊藏量約42兆立方公尺，主要分布於石油輸出國組織和俄羅斯。開採石油和煤礦時會伴隨產生，亦可於天然氣田直接架管線供給，或將其液化為無色、無臭的液化天然氣。,補充,節目錄,天然氣,天然氣為低分子烷類混合物，主成分為甲烷，多用為家用燃料或交通工具燃料。天然氣可用以製造氫、氨氣、尿素及甲醇等。烷類為無毒、無臭、易燃氣體，為避免外洩造成危險，通常加入臭劑以確保安全。,節目錄,石油,全球蘊藏量約1550億噸，主要分布在石油輸出國組織和沙烏地阿拉伯。臺灣的石油蘊藏分佈在新竹和苗栗一帶，但因含量少，需仰賴進口。,補充,節目錄,石油,石油是幾百萬年前的動植物在高溫高壓的地層下經過分解及複雜的化學反應而生成的。,石油是複雜的烴類混合物，主要成分為烷類。自油井採出的原油，為深褐色黏稠狀液體，必須經過分餾後才可使用。,節目錄,石油的分餾,依不同沸點範圍來分離混合物的方法－分餾。,石油分餾動畫,節目錄,石油分餾的產物,液化石油氣LPG又稱液態瓦斯，主成分為丙烷及丁烷。汽油主要成分為己烷、庚烷和辛烷。工業上運用熱裂煉法或催化裂煉法，將分子量較大的烴類裂解成含汽油成分的烴類，以供市場使用。,使用LPG燃料,位於澳洲雪梨的加氣站,節目錄,石化工業,石化工業以石油為原料，石油先經分餾出輕油，再經裂解工廠裂解，產生乙烯等烯烴原料及裂解汽油。裂解汽油則由芳香烴萃取工廠取出所含的苯、甲苯、二甲苯等芳香烴原料。由石油所製造的石化基本原料，經過特定製造程序，可先製得中間原料。再從這些中間原料製得塑膠、橡膠、合成纖維、合成樹脂、肥料、清潔劑和黏著劑等產品，組成極重要的石化工業。,補充,節目錄,四、震爆現象,震爆knocking汽油與空氣在汽車內燃機中混合燃燒產生油氣，當油氣無法連續穩定的推動活塞而使活塞受力不平均產生震動。,節目錄,辛烷值,欲表示燃料抗震效果的好壞，一般以「辛烷值」ON值表示。辛烷值愈高，則表示燃料的抗震效果愈好，訂定異辛烷的辛烷值為100，正庚烷的辛烷值為0。汽油內含有支鏈烷類、烯類、醇類或芳香族等皆可提升其辛烷值。,節目錄,辛烷值標準,正庚烷的震爆情形嚴重，其辛烷值訂為0。,異辛烷2,2,4－三甲基戊烷其產生的震爆較為緩和，是一種良好的汽車燃料，訂其辛烷值為100。,95汽油該油品之抗震爆性與體積百分比95異辛烷和5正庚烷之混合物的抗震爆性相當。,節目錄,含鉛汽油,普通汽油可加入抗震劑，提高辛烷值。加入四乙基鉛的汽油稱為含鉛汽油，可使55汽油提升至90汽油。含鉛汽油為了將鉛沉積物從汽缸排除，通常加入二溴乙烷當作鉛清除劑，但當鉛一排除，又會造成空氣鉛汙染，危害生物。,節目錄,無鉛汽油,無鉛汽油汽油中加入甲基第三丁基醚、甲醇、乙醇或第三丁醇等添加劑來提高辛烷值，調配成辛烷值為92、95或98的無鉛汽油。,節目錄,第三節化學電池,章目錄,一、常用不可充電式電池二、常用可充電式電池三、太陽能電池四、廢棄電池的汙染及其問題,電池分類,不可充電式電池因其放電反應為不可逆反應，故無法以充電方式再生，又稱為拋棄式電池或一次電池。可充電式電池電池放電後利用充電的方式使電池再生，可循環使用，又稱為蓄電池或二次電池。充電時電池正極接充電器正極，電池負極接充電器負極。,節目錄,一、常用不可充電式電池,節目錄,乾電池勒克朗舍,正極碳棒負極鋅殼電解質氯化銨、氯化鋅、二氧化錳及澱粉漿電壓1.5V優點價格便宜，是最常使用的電池,節目錄,鹼性電池,,正極二氧化錳負極鋅電解質氫氧化鉀等強鹼水溶液電壓1.5V優點電壓穩定，使用時間較久，在低溫仍有良好的性能,節目錄,水銀電池,正極氧化汞負極鋅汞齊電解質氫氧化鉀等強鹼水溶液電壓1.35V優點電壓穩定，常用在較精密的科學儀器上,節目錄,燃料電池,正極多孔性碳板覆蓋銀、鎳或鉑為催化劑，通入氫氣負極多孔性碳板覆蓋銀、鎳或鉑為催化劑，通入氧氣電解質氫氧化鉀等強鹼水溶液電壓0.67V優點化學能直接轉換成電能，產物為純水，不會汙染環境。缺點造價昂貴，尚未普及。,節目錄,燃料電池反應,,,負極,正極,多孔性石墨加觸媒的電極,,,,含KOH糊狀物,－,,,,,H2,OH－,H2O,H2O蒸氣,H2,OH－,e－,,圖源JohnA.Suchocki/ConceptualChemistry/2001,P336,節目錄,常用可充電式電池,節目錄,鉛蓄電池,全反應Pbs＋PbO2s＋2H2SO4aq→2PbSO4s＋2H2Os,正極二氧化鉛負極鉛電解質約30硫酸水溶液電壓2V，通常串聯36個使用，提供612V電壓優點電壓穩定,,節目錄,鎳鎘電池,正極鹼式氧化鎳負極鎘電解質氫氧化鉀電壓1.2V優點此電池體積小，使用壽命長，電壓穩定,節目錄,鋰電池,正極鋰合金氧化物LiCoO2負極活性碳電解質有機電解液電壓3.6V優點優點在於重量輕，且電壓高，無記憶性,節目錄,三、太陽能電池,材料矽砂二氧化矽，製成P型半導體與N型半導體。原理當太陽光照射到含矽的N型和P型半導體時，因吸收太陽光而產生電子──電洞，形成一個內建電場。由於空乏區所提供的內建電場，可讓半導體內所產生的電子在電池內流動，因此若經由電極把電流引出，即可形成一個完整的太陽能電池。,節目錄,優點以光照射產生電能，不需要消耗任何化學物質，可連續使用數年不用更換。,太陽能電池,N型半導體在純矽中摻入具有五個價電子的原子如磷原子之後，該原子和鄰近的矽原子形成共價鍵，同時會多出一個帶負電的自由電子。把這提供自由電子的原子稱為N型半導體。P型半導體在純矽中摻入具三個價電子的原子（如硼原子）後，該原子會取代矽原子的位置，與矽原子形成共價鍵，但會在硼原子的周圍產生一個空洞，被稱作電洞，這電洞可當做帶正電的載子。,補充,節目錄,廢電池回收再利用流程,四、廢棄電池的汙染及其問題,,節目錄,廢棄電池的汙染及其問題,鋅進入人體時導致嘔吐及腹瀉。錳具中等毒性。鎘使人體骨骼鬆弛，引發關節痛，如痛痛病。鎳具中等毒性，並可致癌。鉛主要影響人體的血液系統和神經系統，中毒時導致貧血、神經麻痺、腦受損。汞中毒症狀為牙齒脫落、口內炎、肝腎發生障礙、手腕及下肢麻木、運動有障礙、影響中樞神經異常等，稱為水俣病。,補充,節目錄,第四節其他能源的利用,章目錄,一、核能二、光能、太陽能三、生質能四、海洋溫差發電五、地熱六、風力七、水力,一、核能,,核反應涉及原子核的分裂或融合，經由質量的轉換而釋出能量，稱為核能，比一般化學反應所放出的能量約大100萬倍。,【例如】若核反應後減少了1克的質量，可產生的能量約為E＝110－3kg3108m/s2＝91013J,節目錄,核融合,核融合將較輕的原子核聚合成一個較重的原子核，並放出大量的能量。太陽的發光發熱、熱核彈及氫彈即來自核融合反應。核融合亦可應用於核能發電，不會產生放射性物質，原料亦可由海水取得，因目前技術仍無法商業化，但指日可待。,節目錄,核分裂,核分裂即利用中子來撞擊重原子核如鈾U、鈽Pu，使重核發生分裂。核分裂技術可用於製造原子彈、放射性同位素或核能發電等。,,,,,核分裂反應,核分裂動畫,節目錄,二、光能、太陽能,太陽主要成分為氫氣與氦氣，和少量的重金屬元素。太陽內部進行核融合反應，每秒將四百萬噸的氫變為能量。太陽以光的形式傳送到地球上，含有可見光、紫外線、紅外線、X光、微波及其他電磁波。功能紫外線殺菌紅外線保溫X光檢查身體內部微波加熱食物,太陽所發出的光與熱,節目錄,太陽熱能發電,太陽熱能發電是以裝置發電設備的熱高塔、具有拋物面的碟或槽為中心，其外環繞多層反射鏡，將陽光集中於一點來聚集陽光的熱量。,圖源林水盛,自然科學概論,文京出版社,民87,P265,補充,節目錄,太陽能相關科技產品,臺灣處於熱帶及亞熱帶交界，年日照約為1700小時，對於發展太陽能成為替代能源，具有相當大的潛力。應用太陽能電池、計算機、手錶、太陽能熱水器、太陽能動力車、太陽能發電廠等。,節目錄,三、生質能,生質能指的是由植物或動物所產生的有機物或廢料，經由燃燒、分解或發酵等過程，轉化成沼氣、熱氣、燃油等可用的能源。優點減少化石燃料的使用、降低空氣污染、減少廢棄物、減少堆置掩埋土地。,知識大補帖生質柴油是利用各種植物油、動物油或廢棄的食用油為原料，經化學處理後形成的酯類燃料。它可以取代柴油，排放的廢氣更可被分解且汙染性低。自2008年起，經濟部推動柴油中添加1％生質柴油，並且逐年升高生質柴油的添加量。,節目錄,四、海洋溫差發電,利用深海與海面之間大於20℃的溫差，表層熱海水經由抽水機抽入裝有低沸點液體氨、丁烷或氟氯烷等的蒸發器中，將它變成氣體來推動發電機發電，再利用深海低溫的水將它冷卻變為液體，可循環使用並發電。,節目錄,五、地熱,地熱主要是利用地底岩漿的熱能，將流經岩漿槽附近地層的水引出作為溫泉使用。地熱發電是直接取用高溫的水蒸氣轉動發電機進行發電。,節目錄,六、風力,利用風產生動力轉動風車，連接在風車轉軸上的發電機轉動而發電。優點建造風力發電廠費用低，不需使用燃料即可產生電力，且無環境汙染之顧慮。缺點風車葉片會產生很大的噪音，使人不安，且對自然景觀有負面的影響。,節目錄,七、水力,利用水的位能轉換成動能推動渦輪機葉片轉動發電機而發電。水力能是目前唯一已被大量開發利用的能源，全世界的電力約有23％來自水力發電。臺灣在民國82年統計，水力發電約占總發電量的6.6％。,節目錄,