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4-1 能源簡介
功與能
• 能量:可以做功的物理量
• 功:能量傳遞的過程
外
力
作
功
位
能
增
加
位
能
轉
變
成
動
能
各種不同形式的能
• 各種形式的能量可以相
互轉換,但其總量一定,
此為能量守恆定律
化學能轉變成光能和熱能
能源
• 再生能源:在短期內能自行補充,能反
覆使用持續供應者
• 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
4-2 常見的化石能源
4-2.1 煤
4-2.2 石油
4-2.3 天然氣
非再生能源
汽車的動力來自汽油,也可以使
用的是千萬年前的太陽能,Why?
化石能源的來源
煤
• 煤:古代植物,因地殼運動,被埋在地底下,
再經地熱與碳化作用而產生。
• 成分:主要是碳,和少量氫、氧、氮、硫。
• 分類:
含碳量
泥煤 < 褐煤 < 煙煤 < 無煙煤
含碳%
燃燒熱
(kcal/g)
<50
50~70
70~90
>90
2~3
3~5.5
5.5~7
7~8
乾餾:將煤隔絕空氣加熱使之分解的過程
主成分:H2、CH4
少量:CO…等
煤溚
有機物質
1.還原劑、燃料
2.製造水煤氣(CO+H2)
C
煤焦的用途
1.當還原劑:
失電子,氧化
氧化劑 還原劑
Fe2O3 3C
2Fe 3CO
+3
-2
0
0
+2 -2
得電子,還原
2.製造水煤氣 (CO+H2):
C H2 O
CO H2
還原劑 氧化劑
石油(原油)
• 石油:古代動物、植物形成。
• 成分:碳氫化合物(烴類)的混合物,主要是
烷類(通式為CnH2n+2)
• 原油分餾:依沸點不同,加熱分離。
碳數少
分子量低
沸點低
(瀝青)
碳數多
分子量高
沸點高
原油分餾的產物
液化石油氣(LPG)(液態瓦斯)(桶裝瓦斯)
-主要為丙烷、丁烷。
汽油的震爆
• 震爆:不平穩的燃燒,使汽車震動
火星塞
活塞
引擎壁
辛烷值
(抗震爆程度)
• 辛烷值愈高,抗震爆效果愈好
• 異辛烷辛烷值為100
• 正庚烷辛烷值為0
常見油品的辛烷值
品名
辛烷值
品名
辛烷值
正辛烷
-10
苯
106
正庚烷
0
甲醇
107
正戊烷
62
乙醇
108
1-戊烯
91
甲基三級丁基醚
116
1-丁烯
97
甲苯
118
異辛烷
100
含鉛汽油
(高級汽油)
• 含鉛汽油:汽油添加四乙基鉛(抗震劑)
• 缺點:造成空氣鉛汙染 。
無鉛汽油
• 加入辛烷值高的抗震劑, 如甲醇、乙醇、
甲基三級丁基醚、烴類裂解產物…等
• 裂解:將高分子量烴類分解成低碳數的烷、
烯、氫氣
市售汽油
• 92汽油:抗震爆效果與
92 ﹪異辛烷
(體積百分比)
8 ﹪正庚烷
之混合物的相同
100 92% 0 8% 92
天然氣
• 成分:甲烷、少量乙烷、雜質。
• 優點:廢氣量較低、較無污染
石油:碳比例多
天然氣:碳比例少
C7H16 + 11O2→7CO2+8H2O
CH4 + 2 O2→CO2+ 2H2O
• 天然氣
甲烷、乙烷
• 液化石油氣
丙烷、丁烷
• 煤氣
H2、CH4、CO
• 水煤氣
CO、H2
有毒
4-3 反應熱
4-3.1 放熱反應與吸熱反應
4-3.2 熱化學反應式
4-3.3 常見化石燃料的熱值
放熱反應~放出能量
H2 + 1/2O2→H2O
吸熱反應~吸收外界能量
HgO →Hg+1/2O2
熱化學反應式
反應熱ΔH :能量變化
ΔH=生成物的熱含量─反應物的熱含量
ΔH 與物質的莫耳數(係數)、 狀態、溫度、壓力均
有關
吸熱反應:△H > 0
必寫
• C(s) +H2O(g) +133千焦→ CO(g)+H2(g)
或
• C(s) + H2O(g) → CO(g)+H2(g) △H =133千焦
CO(g)+H2(g)
+133KJ
C(s) + H2O(g)
放熱反應:△H < 0
• H2(g) +1/2O2(g) → H2O(l) + 285.8千焦
或
• H2(g) +1/2O2(g) → H2O(l) △H = -285.8千焦
- 285.8KJ
△H與莫耳數成正比
反應式係數n倍, △H即n倍
H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l) △H= -285.8KJ
表示消耗 1 mol H2 會放出285.8千焦的熱
0.5 mol O2
產生 1 mol H2O(l)
X2
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) △H= -285.8x2 KJ
= -571.6 KJ
表示消耗 2 mol H2 會放出571.6千焦的熱
1 mol O2
產生 2 mol H2O(l)
熱值 氣體>液態>固體
4-4 化學電池
化學能轉換成電能
化學電池的基本原理
活性 Zn > Cu
電極:傳遞電
子或產生反應
的地方
電流
e-
NO3-
鹽橋
NH4+
維持電中性
溝通電路
NH4 NO3 →NH4++NO3-
陽極:Zn(s)→Zn2+(aq)+2e-
陰極:Cu2+(aq)+2e-→Cu(s)
(負極)
(正極)
放出電子
氧化反應
得到電子
還原反應
放電電池的電極
•依活性
•活性電極:參與反應
•惰性電極:不參予反應,如C、Pt、Au
分類
1.不可充電的一次電池
2.可充電的二次電池
構造
1.陽極(負極)
2.陰極(正極)
3.電解液
錳乾電池(碳鋅電池、勒克朗舍電池)
電解液(酸性)
氧化
還原
(還原劑)
(氧化劑)
優點:電壓(1.5V),價格便宜
缺點:電壓不穩
鹼性乾電池
氧化
陽極
(還原劑)
電解液(鹼性)
還原
(氧化劑)
優點:電壓(1.5V)穩定,
使用時間較久,在低溫仍
有良好的性能
水銀電池
電解液:KOH(aq)、NaOH(aq)
優點:電壓(1.35V)穩定
缺點:汞污染
HgO(S) +Zn(S) Hg(l) +ZnO(S)
鋰碘電池
電解液:碘化鋰(LiI) 晶片
正極(陰極):碘
負極(陽極):鋰
2 Li(s) + I2 (s) → 2 LiI (s)
優點:電流穩定
作為心律調節器
但價格高
心
律
調
節
器
鉛蓄電池(俗稱電瓶)
正極(陰極):PbO2
負極(陽極):Pb
電解液:稀硫酸(約30%)
優點:電壓(2.0V×6)穩定
陰極重量變重
得電子,還原
PbO2 (s) Pb(s) 2H2SO 4 (aq)
+4
放電
0
失電子,氧化
陽極重量變重
H2SO4減少,硫酸濃度降低
2PbSO4 (s) 2H2O(l)
+2
充電
(正接正、負接負)
電池正極
接充電器電源的
正極
電池負極
接充電器電源的
負極
PbO2 (s) Pb(s) 2H2SO 4 (aq)充電
2PbSO4 (s) 2H2O(l)
充電
鎳鎘電池(可充電)
• 組成:
– 正極(陰極):鹼式氧化鎳[NiO(OH)]
– 負極(陽極):鎘( Cd )
– 鹼性電解質:KOH
• 電壓:1.2 伏特(V)
鎳氫電池
正極(陰極) :氧化鎳
負極(陽極) :鑭系儲氫材料
電解液:KOH、NaOH
鋰離子電池
正極(陰極) :鋰金屬氧化物
負極(陽極) :碳
優點:重量輕、高電壓(3.6V)、高電量
燃料電池
•陽極:氫、甲醇、乙醇、天然氣、汽油
•陰極:氧氣
•化學能(氧化還原反應)轉換成電能
氧化,放出e-
氫氣燃料電池
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)
0
陽極
0
+1
-2
陰極
還原,得到e-
優點:無污染,補充燃料
即可持續使用,能量轉換
效率高
太陽能電池
• 一層薄矽晶片組成,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
電池名稱
正極
(陰極)
負極
(陽極)
電解液
電壓
(V)
錳乾電池
碳棒
鋅
氯化銨、
二氧化錳
1.5
鹼性乾電池
碳棒
鋅
氫氧化鉀
1.5
水銀電池
氧化汞
鋅汞齊
氫氧化鉀
1.35
鋰碘電池
碘
鋰
碘化鋰
3.0
電池名稱
正極(陰極)
負極(陰極)
電解液
電壓(V)
鉛蓄電池
二氧化鉛
鉛
稀硫酸
2.0
鎳鎘電池
鹼式氧化鎳
鎘
氫氧化鉀
1.2
鎳氫電池
氧化鎳
鑭系儲氫材料
氫氧化鉀
1.2
鋰電池
鋰金屬氧化物
碳
有機電解液
3.6
酸性
鹼性
鹼性
酸性
鹼性
鹼性
電池處理
• 乾燥、常溫使用
• 含大量重金屬,必須回收,以
免汙染環境。
4-5 發展中的能源
4-5.1 核能
4-5.2 太陽能
4-5.3 其他能源
核能與化學能
化學反應:只涉及價電子的交互作用
CH4(g) + 2O2(g) → 2H2O(g) + CO2(g) +882.8 千焦
此化學反應前後原子種類、數目不變(質量守恆)
核反應:涉及原子核的分裂或融合,新元素產生
7
3
Li + 11 H → 2 42 He + 9.62×108千焦
此反應比上述化學反應所放出的能量約大100萬倍
核分裂反應
• 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。
235
92
U+ n Ba+ Kr +3 n + 能量
1
0
141
56
92
36
1
0
實例:原子彈、核能發電
鏈鎖反應
核熔合
•核熔合: 輕的原子核熔合較重的原子核
2
1
p+
H+31H42 He+01n +1.7 1012 J
p+
n + n n
p+
→
n +
n
n
p+
實例:太陽光發光發熱、氫彈。
核能
損失質量
公斤(kg)
焦耳
(J)
光速
3x108
(m/s)
2
E=mc
•若核反應後減少了1克的質量,可產生的能量約為
E (1 10 kg) (3 10 m/s)
13
2
9 10 (kg m/s ) m
13
9 10 nt m
9 1013 J
3
8
2
核能發電
• 核融合來發電的技術仍在研發中
• 目前核能電廠是利用核分裂原理
中子減速劑(石墨和重水D2O)
利用控制棒(鎘和硼材料製成)吸收過多中子
核反應
235
235
92
92
2
2
1
1
+
1
=
141
+ 92
+3×1
U+ n Ba+ Kr +3 n + 能量
1
0
+
+
0
3
141
56
92
36
56
+ 36
=
=
4
1
0
+ 3×0
+ 1
H+ H He+ n +1.7 10 J
3
1
+
1
=
4
2
1
0
2
+ 0
12
核反應前後,電荷數和質量數守恆
太陽能
•
•
•
•
•
太陽能利用的研究四個方向:
光電法
光化法
自然現象,如海洋能與風能
直接應用,光能轉熱能
光電法
光能直接變成電能的方法
光化法
•利用陽光來觸發化學作用
•光合作用(光能=>化學能)
太陽能的直接應用
如太陽能熱水器建物的保溫、農業上之
曬穀等
地熱能
• 地底岩漿傳到地表的
熱能
• 熱能=> 動能(水蒸
氣)=> (電能)推動渦輪
發電
• 臺灣多火山溫泉但因
熱水酸性大,腐蝕力
強,如無法克服,則
不易用以發電。
生質能
•指可經由培植生產再
利用的動、植物能源
•可經處理產生液態燃
料、沼氣(成分:CH4、
CO2)
•可用於燃燒產生熱能
或發電
•燃燒垃圾發電
•利用甘蔗或玉米可製
成酒精主要的生質能
能源
水力能
• 水位能差→動能→機械
發電→電能
• 水力能是目前唯一已被
大量開發利用的再生能
源,全世界的電力約有
23%來自水力發電
• 約佔臺灣發電量1.4%
海洋能-潮汐發電
• 潮汐發電:潮汐高低潮的變化來發電
海洋能-波浪發電
• 波浪發電:波浪上下運動產生的壓力,來
壓縮空氣發電
海洋能-溫差發電
• 海洋溫差發電:海洋溫差產生電力的方法
排水口
熱水
入口
深海冷水入口
海洋能-洋流發電
• 洋流發電:洋流的動能=>推動發電
機發電
風力發電
•風動能→機械能→電
能
•優點:費用低、無環
境汙染
•缺點:噪音