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能與能源

許多文章常分不清楚「能」、「能量」和「能源」,因許多相關資訊常是由英文資料而來,而英文對這三個名詞又常混用,易生混淆。科學講究嚴密,有必要把它們說清楚、講明白。
 
 
 
由於熱力學三大定律都與「能」或「能量」有關,而在實際應用上又與「能源」脫不了關係,因此,我們由它們開始談起。

熱力學三大定律

在物理學上,能有多種形式,如熱能、動能、位能、電能等,這些形式的能是可以互相轉換的,例如高處的水流到低處時會有較快的速度,就是位能轉換成動能的現象。熱力學(thermodynamics)是專門討論各種形式的能相互轉換的學問,其中有三大定律。

熱力學第一定律說:能在各種形式間轉換時其總量不變。

這個定律又稱為能量不滅定律。這裡仍用高處的水向低處流的例子來說明。在高處原本靜止的水只有位能沒有動能,流向低處時因高度降低,在重力場中就失去了部分的位能,而失去的位能會全部轉換成動能,水因而產生相當的流速。根據水失去的位能等於得到的動能,便可以算出(不計摩擦力時)水的流速。

熱力學第一定律不僅定出能量不滅的原則,還界定了轉換時量的關係。這關係可演繹出許多計算公式,基本原則是各種能的形式轉變時,其變化量的和應為零。流體力學就是根據這個原則,計算流體運動時流速、壓力和摩擦力的關係。除了核子反應因為質和能的互變而有質量和能量的改變外,一切由於能的轉換而引起的變化都要遵守熱力學第一定律的規範。

熱力學第二定律規範熱和功的轉換。功(work)在物理學上的定義是:

一物體受力而移動位置,位移乘上和位移同方向的分力就是功。基本上功也是能的一種,對一物體做功就是將能傳給這物體。

人之所以為萬物之靈,就是因為能用工具做功,槓桿、刀斧、滑輪都是這一類的工具。起初,這類工具的動力,是人本身的力氣或牛馬驢等獸力。工業革命後,蒸汽機、內燃機的發明,使熱能成為動力的來源。熱使水氣化產生壓力推動蒸汽機;汽油因燃燒,氣體體積急遽增大而產生高壓推動內燃機,都是把熱轉化成功的例子。蒸汽機、內燃機和後來發展出來的氣渦輪機,都是把化學能轉化成熱能再轉化為功的機械。

更重要的,這些機械能在瞬時產生大量的功,單位時間內產生的功就是功率,產生的功率高才是這些機械威力強大的主要原因。由於這些機械的使用,才造成十九世紀以來人類兩百年的工業文明。既然熱功轉換是工業生產的原動力,工業技術也要受到熱力學第二定律的規範。

熱力學第二定律是:
● 任何裝置都不能不間斷地把工作系統所吸收的熱能100%全部轉換為功。
● 熱能不會自動地從溫度較低的區域傳向溫度較高的區域。

熱能若要不間斷地轉換為功,必須是循環的程序,一個循環完成後,工作系統的溫度、壓力等狀態要恢復原狀,再進行下一個循環,使熱源源不斷地轉換為功。根據熱力學第二定律的第一條,工作系統所吸收的熱,經過這樣的循環程序絕不可能100%完全轉換為功。如燃料在內燃機中燃燒,瞬間產生大量的熱,使汽油與空氣變成高溫高壓的氣體推動活塞,使轉軸高速旋轉產生功,而所排出的尾氣溫度仍相當高,使得燃料燃燒產生的熱量,大部分被尾氣帶走了。

一般汽車引擎的熱功轉換效率並不高,汽油燃燒的熱大部分隨著排氣逸散到大氣中。汽車汽缸排氣溫度如能降低,尾氣帶出的熱量也就減少,熱功轉換效率會提高。但若想把排氣溫度降低,則整個引擎系統要在低溫下操作,如此,因為瞬間爆發力不夠,功率會不足。

熱力學第二定律的第二條是根據熱一定要從高溫處流向低溫處的經驗所提出的。若想讓熱反向從低溫處流向高溫處,必須有一工作系統做功。例如:炎熱的夏季希望室內保持涼爽,溫度較室外低,要使室內的熱流向室外,就必須裝一臺冷氣機。

自然界類似熱能由高溫處流向低溫處的現象很多。如水自高處向低處流;物質自高濃度處向低濃度處擴散。在熱力學中是用「系統隨機度(system randomness)」的觀念來討論這些現象。

一系統在平衡穩定狀態時,因為沒有任何干預或刻意的安排,隨機度最高。當室內的熱量靠冷氣機的作用流向室外時,室內較室外涼爽,這樣的情況就是經刻意安排的,「系統隨機度」會降低。另外一例:將一粒鹽投入水中,鹽粒附近鹹度較其他部分高,水和鹽粒的「系統隨機度」就較低。攪拌後,鹽溶解並均勻分布在水中,各部分水的鹹度變得都一樣,這時「系統隨機度」較高。

依此類推,物質在氣態時分子運動較不受拘束,隨機度高,在液態時隨機度就低些,固態則最低。結晶性固體中原子排列整齊,隨機度又較非結晶性固體低。結晶性固體若降低其溫度,會因原子或分子的振動減弱而隨機度又降低。這觀念推到極致,用量化的說法:

任何結晶性物體在絕對零度時的隨機度應為零。

這句話就是熱力學第三定律。用通俗的說法:任何自發性的變化都使系統的隨機度增加。這個定律規範了任何自發的變化程序均趨向平衡穩定狀態,使系統隨機度變高。根據第三定律還可以計算系統趨向平衡時的能量變化。

以上只概念性地介紹熱力學三大定律,這三大定律是根據已知的自然現象歸納而得。在熱力學裡,根據這三大定律演繹出許多公式,可以計算能和功轉換時量的關係。

能源

人類利用能的轉換改善生活品質。用燃料燃燒取得光和熱,以便烹調熟食、夜間照明和嚴冬取暖,自古以來就是生活的一部分。用水車車水灌田或用轆轤自井中汲水,則是把人力或獸力轉化為功的實例。工業革命以後,蒸汽機、內燃機等更能把燃料燃燒所生的熱轉換為功。到了二十世紀初,發明了火車、汽車,蒸汽機、內燃機等用來推動火車和汽車,燃料成為行走動力的根源。電被發現後,又用這些機械來發電。電也可以驅動馬達從事工業生產,或加熱取暖維持生活,使得人類今日對能的利用,較古人更為多元化。

在前述熱力學三大定律的規範下,燃料的熱能與各種功相互轉換,有一定的量的關係。綜言之:人類利用能改善生活的方式,因工業技術的進步有所不同。古人用人力和獸力從事生產,以今天的工業技術來看,熱和電是最基本的兩種能的形式。凡任何能產生熱和電的就是能源(energy resource)。柴薪、煤、油、天然氣燃燒生熱是能源;高山上水庫中的水沖下來時可用來發電是能源;太陽光、風力可以發電,也是能源。

能源是從實用角度的思維產生的名詞。某一形式的能是否可以轉換為可使用的形式的能而被視為能源,其關鍵在工程技術上的可行性。如日本有人提出用海洋洋流發電的想法,讓洋流流過放在海中的水渦輪機,帶動渦輪旋轉發電。這個想法在工程技術上有兩個問題必須克服。

首先要有辦法把水渦輪機固定在洋流中,使洋流只流過渦輪而不會把整個水渦輪機沖走。目前用船舶拋錨的方法,固定懸浮在海中的巨大發電裝置恐怕力量不夠,要發展新的海底工程技術才行。此外,在海洋中即使發電成功,如何把電力傳送到陸地上應用,也需要新的電力輸送技術。在這兩項技術未發展出來之前,海洋洋流目前還不能算是能源。

天空中的閃電威力強大,可以使汽車充電後行駛在時光隧道中,從過去回到現實,但這是電影〈回到未來〉的想像,現實社會還沒有這項技術。所以,閃電目前也還不能算是能源。今天主要的能源是煤、石油、天然氣,皆為化石能源。這些能源是燃料,要經燃燒釋放出化學能。化石能源是地下礦藏,所以終有枯竭的一天。水力、陽光、風力等,因為可以源源不絕地用來發電,燒柴薪取暖也從不虞匱乏,均稱之為再生能源。

能源效率

英文「energy conservation」 宜譯為「能量守恆」,而「energy saving」則應譯為「能源節約」,不能譯為「能節約」。因為根據熱力學第一定律,能是不滅的,根本不應有節約或浪費的問題。能源就不同了,化石能源是一種商品,要在市場上價購,應當節省使用。再生能源雖非商品,但使用時其工程技術也要成本,也應節約使用。所以,「能源節約」是很重要的行動,說成「能節約」就發生語病了。

能源節約最重要的手段就是提高能源的使用效率,能源用來做功,提高使用效率就是提高熱功轉換效率。根據熱力學第二定律,化石能源轉換為機械能,其熱功效率很低。因為工作流體在減壓膨脹做功時,溫度可能高達近攝氏一千度,大量的熱隨尾氣逸出,這是熱能轉換為機械能時效率低的主因。近年氣渦輪機的設計精良,效率大幅提高;又有複循環發電的技術,用氣渦輪機的尾氣產生蒸氣,再用蒸汽機與渦輪機一併推動發電機轉軸,熱功轉換效率可高達45~50%,是目前效率最高的發電技術。

一項發展中的高能源效率技術是燃料電池,將燃料轉化成氫氣,在電極組上把氫氣氧化成水,就會產生電流。因為燃料電池不需要經過高溫燃燒和熱功轉換,是直接由化學能轉換成電能的裝置,在低溫下操作效率就很高。根據熱力學計算,燃料的化學能轉化成電能的轉化效率約為45%,如再將燃料電池的廢熱回收利用,能轉換效率可以高達80%。因此,近年來對燃料電池的技術開發投入甚多,特別是汽車工業。燃料電池如用來推動汽車,可大幅提高汽車燃料的使用效率而節約能源。

化石能源

提高熱功轉換效率節約能源,主要目的是為了減少石油等化石能源的使用量。據統計,二十世紀人類使用化石能源的用量,比過去十九個世紀用量總和還多,而且全世界的年用量有增無減。根據BP statistical review of world energy 2002數值顯示,二○○一年全球燃料的消耗,主要能源所占比重依序為石油(38.5%)、煤(24.7%)、天然氣(23.7%)、核能(6.6%)、水力(6.5%)。

形成石油的過程需要幾千萬年的時間才能完成,依照化石燃料可採年數及人類使用的速率,顯而易見,在合乎經濟效益的新能源或新技術發現之前,欲持續人類經濟的發展,節省化石能源,如改變日常生活習慣或使用高效率的技術,已是刻不容緩。

節省化石燃料以追求經濟持續發展的另一項意義,是控制二氧化碳的排放。由於大量使用化石燃料,燃燒後殘留在大氣中的二氧化碳的濃度日益提高,造成溫室效應並引起全球性的氣候變遷,使得地球生存環境日益惡化。從這角度思考,除了提高化石能源的熱功轉換效率之外,降低溫室氣體排放量也成為世界各國追求的重要目標。因為全球氣候變遷牽涉的層面既多樣又複雜(跨國、跨區域),目前處理的策略大致可分為使用高潔淨、高效能的燃料和替代燃料。

目前公認為潔淨的高效能燃料是天然氣,因為天然氣熱效率高、排放的二氧化碳較少。其發電原理與燃煤相同,利用燃燒產生的熱氣推動氣渦輪發電機,再利用渦輪機餘熱使水變成蒸氣推動蒸氣渦輪發電機發電,這就是熱效率高達42%的複循環發電。科學家同時不斷探索其他新潔淨技術或燃料,例如淨煤技術(煙道氣除硫、流體化床燃燒技術、氣化複循環發電)、燃料電池的開發等。

再生能源

替代化石能源的除了核能外,討論最廣泛的就是再生能源。其中較具發展潛力的再生能源有水力、風能、太陽熱能、太陽光能、地熱及生質能,現階段這些再生能源主要應用於發電(80%)及熱利用(20%)。雖然受到成本高、經濟誘因低及環境限制等因素,但配合政府政策,「再生能源」仍不失為目前達到節約能源和對抗溫室效應的有效調節及輔助燃料。

據臺電公司調查估計臺灣再生能源發電方面,具開發潛力的風能有一百萬千瓦、地熱潛能26處(理論蘊藏量約一百萬千瓦)、潮差發電開發潛力約一萬千瓦以上,生質能發電應用有垃圾焚化發電及沼氣發電5,000千瓦,太陽能發電僅是配合澎湖風力發電廠以穩定供電系統。

九十一年行政院正式核定「再生能源發展方案」,規劃目標至二○二○年再生能源總發電裝置容量配比10%以上(占能源總供給配比3%以上),並推動多項示範推廣獎勵辦法,這項艱鉅的目標將考驗政府及各階層人士的能力。隨著大型石油公司(如Shell,BP,Amoco)相繼投入再生能源事業,致力於小型發電系統、太陽能光電、生質能等技術研發,並朝商業化目標邁進;期望未來帶動新興產業的發展,達到如殼牌公司對二○二○年再生能源可提供全球能源達5~10%的預估。

從「能量不滅」、「熱功轉換效率」等熱力學的基本觀念,可以清楚界定「能」與「能源」。提高熱功轉換效率,就是「節約能源」。能源包括化石能源和再生能源,節約化石能源和使用再生能源,都具有環境保護的意義。

自瓦特發明蒸汽機不到三百年的時間,人類因高度的科技發展享受著舒適的文明,卻也付出高額的代價,由於燃燒的化學反應使大氣受到污染,連帶也使人類生存的地球生態循環系統產生變化,如溫室效應(生態系異常、氣溫上升、異常氣象、沙漠化)、臭氧層破壞(紫外線及高能粒子輻射強度增加)、酸雨(魚貝類死亡、植物枯死)等。

降低溫室效應及節約能源已是全球性的問題,各國都很關注聯合國氣候變化綱要公約UNFCCC京都議定書的發展情況、國際間的交涉動向和政策制定,特別是環境稅(碳稅)和京都機制(排放權交易、共同減量、清潔發展機制)的有效性。

為了永續經營和善盡地球村一員的責任,經濟部能源會推動立法制定「再生能源發展條例」,希望藉由獎勵規範、補助、收購、申報查核制度、示範推廣等措施,排除障礙以營造再生能源發展的有利條件。同時增加國與國之間的合作協商、「無悔」政策的優先推動,以確保環境保護、能源安全及經濟發展的目的。

再生能源發電原理
  • 水力:利用水的位能轉換成動能,推動水輪機轉換成機械能帶動發電機產生電能。
  • 生質能:由太陽能行光合作用成為生質體做為燃料使用,經由四種轉換技術(直接燃燒產生熱能、經發酵產製液態燃料(如酒精)、廢棄物發酵產生沼氣、經氧化/裂解等方法產製燃料)以生產能量。
  • 地熱:利用地熱產生蒸氣發電。
  • 風力:利用風速轉動風車翼產生機械能,驅動發電機而產生電能。
  • 太陽光能:利用光電效應使半導體材料吸收光能產生電流。
  • 太陽熱能:收集太陽熱能,產生高溫推動蒸氣發電系統、熱發電系統、或碟式史特林發電機產生電能。
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