一.人類的生活與能源:
1.自從人類學會用火以來,能源與生活就發生了密切的關係,人類愈文明,生活品質 愈高對能源的需求也就愈殷切。
2.最早使用的能源是生質能源,它是化學能的一種,最普遍的生質能源是木材,目前 仍是開發中國家的主要能源之一。
3.煤、石油及天然氣等化石燃料,都是由生質能轉變而成,則是工業國家的主要能源。
二.能源的枯竭:地球上大量蘊藏的煤、石油與天然氣等化石燃料。因為人口大量增加與 生活水準的提高,而需要大量的能源。因此大量開採與使用的結果,導致煤與石油 已逐漸枯竭,大約估計地球上所蘊藏的煤約只夠再開採230 年,而石油約只夠再開 採45 年。
三.能源的探討:
1.能源是人類文明日益進步的原動力,而能源短缺更是舉世注目的焦點。
2.什麼是能源?人類所需要的能源在那裡?那種能源最適合?我們又該如何節省能源?
這些都是值得我們探討的課題。
3.為使人類能永續生活於地球,開發新的能源是當務之急。
1.下列各項敘述中,錯誤的是 (A)人類最早使用的能源是生質能 (B)與人類關係最密切 的能源是太陽能 (C)化石燃料包括煤、石油、天然氣等 (D)生質能源
木材在已開發 國家已不再使用。2.地球上主要能量的來源是 (A)燃燒化石燃料 (B)水力發電 (C)太陽上的核融合反應 (D) 植物的光合作用。
3.下列各種能源中與生質能源無關的是 (A)煤 (B)核能 (C)石油 (D)天然氣。
4.人類最早使用的能源是 (A)地熱能 (B)生質能 (C)石油 (D)天然氣。
5.下列各能源中,何者為生質能 (A)石油 (B)木材 (C)天然氣 (D)核能。
4 -1 能源簡介
一.能量的定義:能量是一種作功的本領,一個能對外作功的物體,就具有能量;作功 的過程則是將能量由一物傳到另一物的過程。
二.能源:
1.定義:可提供能量的資源,簡稱為能源。
2.分類:
(1)依使用的永久性質,可分成
a.循環能源:可以永久或半永久反覆使用的能源。如,水力、風力等等。
b.非循環能源:只能使用一次,用過就散失的能源。如,化石燃料、核能等等。
(2)依利用性質,可分成
a.開放性能源:可以直接利用的能源。如,動能、光、熱、電等等。
b.封閉性能源:不能直接利用的能源,必須加以轉換才能使用。如,位能、化學能、
核能等等。
3.形式:能源可以多種形式存在,如熱能、化學能、機械能(又名力學能包括動能和位 能)、電能、光能(輻射能)、核能和磁能等。
三.能量的轉換:各種能量是可以互相轉換的,但其總量是固定的,此即是所謂的能量 守恆定律。常見的能量轉換形式,可利用圖4 來表示。其中最粗的線代表能量轉1 換效率最好;次粗的線代表能量轉換效率次好;而最細的線則代表能量轉換效率最 差。
圖4 不同型態的能源與其轉換1
6.下列各選項中,可以儲存太陽能的有 (A)光合作用 (B)石油 (C)煤 (D)核能 (E)水力。
7.下列各項敘述中,正確的是 (A)物體要作功,必須具有能 (B)物體具有能時,必須對 外作功 (C)物體具有的能愈多,可對外作的功愈多 (D)功與能是可互相轉換 (E)功為 向量,而能為非向量。
8.地球繞太陽公轉一周,則萬有引力所作的功是 (A)公轉軌道長度乘以太陽對地球的吸
引力 (B)公轉軌道長度乘以地球對太陽的吸引力 (C)地球園周長乘以太陽對地球的吸 引力 (D)0。
9.下列各種能量的來源與太陽能有關的是 (A)水庫中水的位能 (B)風力所具有的能 (C)原 子核中的核能 (D)石油中的化學能 (E)木材燃燒放出的熱能。
10.若以
C
、H 、E 、P 、M 分別代表化學能、熱能、電能、重力位能、動能,則火力發電 時,能量轉換的順序是如何?11.騎腳踏車上山坡時,所涉及的能量有 (A)動能 (B)位能 (C)電能 (D)熱能 (E)生質能。
12.植物行光合作用時,運用到下列哪一種能源? (A)生質能 (B)太陽能 (C)核能 (D)化學 能。
13.甲烷
( CH
4)
是家用天然瓦斯的主要成份,則下列關於甲烷的敘述中,正確的是 (A)在 甲烷分子中,氫所佔的重量百分比為25% (B)甲烷具有臭味,因此瓦斯外洩時容易 被察覺 (C)每 1 莫耳的甲烷燃燒需消耗 3 莫耳的氧氣 (D)甲烷燃燒時,反應物的能量 高於生成物的能量 (E)甲烷燃燒時,反應物的能量低於生成物的能量。(92 學測)14.下列有關水煤氣的敘述中,正確的是 (A)目前家庭常用的燃料 (B)是由水蒸氣與煤氣 混合組成的 (C)可由水蒸氣與紅熱的煤焦反應而得 (D)是一種無毒的燃料。
15.光合作用的能量轉換是 (A)化學能轉換成光能 (B)熱能轉換成化學能 (C)光能轉換成 化學能 (D)光能轉換成熱能。
4 - 2 常見的化石能源
西元 1980 年能源危機以來,科學家一直積極的尋求替代能源,而核能、太陽能也逐 漸被利用,但尚未大量使用。化石燃料雖會造成汙染並且影響環境,但在可見的未來裡 仍將居於重要地位。
ㄧ.煤:
1.形成:古代植物因地殼運動,被埋在地底下,再經地熱及碳化作用後產生。
2.成分:主要成分為碳,並含有少量的氫、氧、氮、硫及其他元素。
3.種類:煤依碳化程度不同,可分為泥煤、褐煤、煙煤、無煙煤等。其各種性質如表 1
4
種類 含碳百分率 放熱量
( kJ kg )
無煙煤90% ~ 95% 29300 ~ 33500
煙煤
75% ~ 90% 23000 ~ 29300
褐煤60% ~ 75% 12500 ~ 23000
泥煤
50% ~ 60% 8400 ~ 12500
表 41 4.蘊藏量:
(1)全世界煤之蘊藏量估計約 10 兆噸,主要分布於北美洲、獨立國協及亞太等地。
(2)台灣煤層甚薄,主要分布於新竹到基隆之間,早期台灣之民生及工業所需之煤多 依賴自產,後來經濟發展迅速,省產煤不敷使用,故開放自國外進口。
5.乾餾:
(1)乾餾:隔絕空氣加熱分解,以除去揮發性物質的過程,稱為乾餾。
(2)煤經過乾餾的過程中,可得產物有
a.揮發性的氣體是氨和煤氣。
b.揮發性的液體是煤溚。
c.非揮發性固體是煤焦。
(3)煤氣是由氫氣、甲烷、乙烷和一氧化碳的混合氣體,為一種清潔無煙的燃料。
(4)煤溚則是含有苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽、酚等多種化學品,為工業重要原料。
(5)煤焦則是冶煉金屬的還原劑。
6.用途:
(1)煤可直接燃燒做為熱源。
(2)煤是火力發電廠的燃料。
(3)煤與水蒸氣反應產生水煤氣(
CO
與H
2的混合物),可作為燃料。(4)煤溚可分餾出多種有用的有機物質。
(5)製造電石或電石氣。
1.下列有關煤乾餾的敘述中,正確的是 (A)將煤在空氣中強熱使其分解 (B)乾餾後所得 乾餾物均為純物質 (C)乾餾後煤焦幾為純碳 (D)煤溚可在再經分餾得多種有機物質 (E)煤氣為重要燃料。
2.煤經燃燒後,會產生下列那些氣體? (A)
CO
2 (B)SO
2 (C)NO
2 (D)O
3 (E)CH
4。3.下列有關煤氣的敘述中,正確的有 (A)主要成分是
H
2及甲烷 (B)主要成分是CO
與H
2 (C)燃燒時放出的熱量比純碳小 (D)是煤乾餾的氣體產物 (E)是氣態的煤。4.以煤作為燃料的火力發電廠,常產生那些汙染? (A)熱汙染 (B)煤灰 (C)溫室效應 (D) 酸雨 (E)光煙霧。
二.石油:
1.成分:石油為多種碳氫化合物的混合物;其中以正烷系含量最多,另含有少量的環
圖4 原油分餾裝置2
四.汽油:
1.近年來,汽油引擎的設計都是以高壓縮比汽缸為主要考量,用以節省汽油燃料消耗 量。
2.震爆
(Knock )
:汽油蒸氣在汽缸中燃燒時,常因 急速燃燒而發生引擎震爆的現象,如此不但會損 害引擎,且大為減低引擎的動力。3.辛烷值
(ON )
:美國於1927 年訂定汽油抗震爆能力的標準,稱為辛烷值。 圖
4 3
異辛烷(1)正庚烷組成的汽油,抗震爆能力甚差,辛烷值定為 0。若以百分之百的異辛烷 (2,2,4-三甲基戊烷)為燃料,簡單結構式如圖
4 3
,引擎的震爆情形較平穩,辛烷值定為
100
;藉由適當比例混合,便可配製出各種辛烷值的汽油。(2)辛烷值愈高,表示其抗震程度愈好。
(3)支鏈烷類、烯類及芳香烴均具極佳的抗震性。
(4)常見油品的辛烷值:
品名辛烷值 品名辛烷值 品名辛烷值
正辛烷-10 1-丁烯97 乙醇108 正庚烷0 異辛烷100 甲基第三丁基醚116
正戊烷62 苯106 甲苯118
1-戊烯91 甲醇107
五.汽油的添加物:
1.含鉛汽油:在汽油中加入四乙基鉛,則稱為含鉛汽油。
(1) 直 接 由 原 油 分 餾 得 到 的 汽 油 , 辛 烷 值 約 為 55 , 若 在 汽 油 中 加 入 四 乙 基 鉛
)
)
(( C
2H
5 4Pb
之類的化合物,辛烷值便可提升至90。(2)含鉛汽油燃燒後,會形成鉛化合物,沉積在汽缸內,通常又加入二溴乙烷
)
( C
2H
4Br
2 當作鉛的清除劑,使產生具揮發性的二溴化鉛( PbBr
2)
而排出,只 是又造成二次汙染。(3)根據醫學報導,過量的鉛會引起兒童腎臟病變。
(4)汽機車裝設的觸媒轉化器,可使廢氣中的一氧化碳、氮氧化物或碳氫化合物,反應 生成氮氣、二氧化碳和水而降低汙染,但含鉛汽油會使轉化器失效。
2.無鉛汽油:汽油中不添加四乙基鉛者,稱為無鉛汽油。
(1)在汽油中加入分子量較小的支鏈烷類、烯類或芳香烴,以提高其辛烷值。
(2)現今許多國家與地區不僅禁止含鉛汽油,更要求汽車必須使用添加甲醇、乙醇、第 三丁醇或甲基第三丁基醚的加氧汽油為燃料;甲醇與乙醇燃燒時廢氣少,且辛 烷值高,因此在石油價格不斷攀升的趨勢下,極可能成為汽車的主要燃料。
(3)95 無鉛汽油是指該汽油之震爆性,與體積 95%異辛烷和 5%正庚烷之混合物的震 爆性相同。
(4)近來國外開發一種『超級 98 無鉛汽油』,其辛烷值達 98,是專門提供給渦輪引擎 跑車使用,但是為提高辛烷值,使得含苯量達6 %,恐有致癌之虞。
5.裂解汽油與直餾汽油的差異在於 (A)裂解汽油含烯烴,所以辛烷值較大 (B)裂解汽油 的分子量較大 (C)裂解汽油取得容易比較便宜 (D)裂解的汽油燃燒熱值比較大。
6.下列有關原油分餾的敘述中,正確的是 (A)是利用沸點不同來分離物質 (B)分餾後的 產物是純物質 (C)分餾塔愈高的地方,所得產物沸點愈低 (D)分餾的最後殘餘物是瀝 青 (E)最先餾出的產物是石油氣。
7.下列有關汽油的敘述中,錯誤的是 (A)含鉛汽油是指汽油中含有四乙基鉛 (B)汽油含 鉛的目的是幫助汽油完全燃燒 (C)汽油和空氣混合在汽車引擎內燃燒會產生氮的氧 化物 (D)汽油是烴類的混合物 (E)汽油辛烷值是表示汽油分子量的大小。
8.已知,各化合物的辛烷值如右,正辛烷
-10、1-戊烯
91、苯
106、甲基第三丁 基醚
117。試著計算下列混合物的辛烷值。(1)70 %的 1-戊烯及 30 %苯。
(2)80 %的甲基第三丁基醚及 20 %的正辛烷。
9.下列有關汽油的敘述中,錯誤的是 (A)辛烷值愈高的汽油表示其震爆情形愈嚴重(B)正 庚烷的震爆情很嚴重,故定其辛烷值為零 (C)再汽油中加入少量的四乙基鉛後,可 以提高辛烷值 (D)若某種汽油的震爆性與體積 90%異辛烷與 10%正庚烷之混合物的 震爆性相當,則其辛烷值等於90。
10.下列有關辛烷值的敘述中,正確的是 (A)辛烷值是表示汽油燃料的抗震程度 (B)辛烷 值愈大,表示該汽油燃燒時震爆程度愈大 (C)四乙基鉛可增加辛烷值 (D)異辛烷的辛 烷值定為100 (E)支鏈烷烴、烯烴及芳香烴均有高的辛烷值。
11.下列有關石油分餾產物的敘述中,錯誤的是 (A)石蠟、瀝青是石油分餾產物中沸點最 高的 (B)汽油之含碳數為
C
16~ C
23 (C)潤滑油的分子量高於汽油的分子量 (D)接近塔 底所收集的是沸點最高的分餾物。六.天然氣
1.成分:天然氣以甲烷為主,是一種碳原子數較少的碳氫化合物的混合物,有時含不 定量的氮氣或雜質。
2.蘊藏量:目前世界各國所生產的天然氣提供全世界能源的 24 %,臺灣主要分布於苗 栗、新竹一帶,其產量約占臺灣能源供給量的1.23 %。
3.性質:
(1)天然氣為無臭、無毒的氣體。
(2)燃燒熱大,燃燒產物為二氧化碳和水,較無汙染,為一種乾淨的化石燃料。
(3)天然氣是工業上製氫的原料,也是用以製造氨、尿素及甲醇等。
(3)天然氣是工業上製氫的原料,也是用以製造氨、尿素及甲醇等。