能量

太陽能(Solar Energy)

太陽能(Solar Energy)
台東專校化學科鍾玉峰退休老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

太陽能指的是太陽的輻射光與熱,它通常伴隨著次級的太陽能源(Secondary solar resources),例如風、海洋波浪發電(wave power)、水力發電(hydroelectricity)與生質(biomass)。自古以來人類就會利用太陽能,但到目前為止,僅僅一小部分的太陽能被利用而已。

太陽光照射到地球時,約30%的輻射能被反射回太空,其餘經大氣層到達地球表面。大地、海洋與大氣層都會吸收太陽輻射能而溫度升高,海洋水汽會蒸發,造成水的循環與空氣的對流,也造成大氣現象,如風、龍捲風等。陸地與海洋因吸收太陽能而維持平均溫度14˚C,植物也藉光合作用將太陽能貯存成化學能。每年地球吸收太陽能約有385,000百萬兆焦耳(EJ / year),光合作用只逍耗約3000百萬兆焦耳;一年裡太陽光到達地球的總輻射量相當於地球上所有非再生能源總量的兩倍。

擴散(diffusion)

擴散(diffusion)
台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

擴散(diffusion)是由於粒子(原子、分子及離子等)的無規則運動(熱運動)而產生從高濃度區域向低濃度區域轉移的質量遷移(mass transfer)現象。擴散主要是由於空間中兩區域的密度差所引起的,粒子彼此碰撞並不斷的移動,直到粒子在兩區域中均勻分佈的現象。在擴散過程中,粒子的遷移方向不是單一性,但是密度大的區域向密度小的區城遷移的粒子數,會多於密度小的區域向密度大的區域遷移的分子數。擴散現象屬於自發性過程(spontaneous process),造成系統的亂度增加,擴散現象證實一切物體的組成粒子都在不停地運動著。   

石油分餾(Fractional Distillation of Crude Oil)

石油分餾(Fractional Distillation of Crude Oil)
國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

石油亦稱為原油(crude oil),由超過8000種具有不同分子大小的碳氫化合物 (及小量含硫化合物) 所組成的混合物,原油中的碳氫化合物碳鏈長度大約C5H12在C18H38到之間。工業上,石油需經過分餾(fractional distillation)才能進一步應用。

分餾的原理是不同大小的碳氫化合物具有不同的沸點。分子量愈小的碳氫化合物, 分子間的凡得瓦力便愈低,沸騰時所需的能量越低, 所以沸點越低。相反, 分子量愈大的碳氫化合物, 分子間的凡得瓦力便愈大,沸騰時所需的能量越高, 所以沸點也越高。 因此於不同溫度時,這些具有不同沸點的石油蒸餾液(distillate)便分別被蒸發出來。

汽油(Gasoline–Ⅱ)

汽油(Gasoline–Ⅱ)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

大致上而言,汽油是烷類、環烷和稀類的混合物,每家煉油廠的配方不同,汽油有不同等級的辛烷值。汽油中也含有其它的有機物,如:醚類(這是後來加入的)、硫化物等,硫化物必須去除掉,因為它會腐蝕引擎。
燃燒汽油可產生能量,下表是汽油與常見燃料油的能量密度表:

汽油(Gasoline–Ⅰ)

汽油(Gasoline–Ⅰ)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

汽油是由石油(petroleum)衍生出來的一種液態混合物,主要用途是當做內燃機的燃料,它的組成多為碳氫化合物,為了提高辛烷值,還會加入一些異辛烷或芳香烴:苯、甲苯等。

汽油是由原油重組產生的。經過原油依沸點高低分餾而分離的初步產物,約含有5〜12個碳的烴類混合物,尚未加入添加劑的汽油稱為virgin or straight-run gasoline。為了適用於現代的引擎結構,它必須加入一些物質,在美國,汽油的組成必須符合OSHA(Occupational Safety and Health Administration)的規定,MSDS (Material Safety Data Sheets)指出無鉛汽油包含了至少15種化學物質,如:體積組成:苯佔5%,甲苯佔35%,萘佔1%,三甲苯佔7%,甲基第三丁基醚佔18%等等。

燃料電池的歷史(History)

燃料電池的歷史(History)
國立台灣師範大學化學系董騰元教授責任編輯


燃料電池的原理是德國的科學家Christian Friedrich Schonbein在1838年發現的,隔年的一月於哲學雜誌-”Philosophical Magazine”上公開發表。基於這個基礎上,1842年時,威爾斯(Welsh)的科學家-威廉-羅勃‧葛洛夫爵士(Sir William Robert Grove)發現將水的電解反應作逆向操作時可產生電能的現象,這是人們後來稱之為燃料電池的第一個裝置,當時他叫做氣體伏特電池(gas voltaic battery)。

赫斯定律

赫斯定律 (Hess law)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

Hess law就是俄國的化學家 Germain Henri Hess(1802年8月7日〜1850年11月30日),依其在熱化學方面的研究結果,於1840年,所提出的一個概念:在熱化學上,一個化學反應熱含量-焓 (enthalpy) 的變化,是可以預測,其值與反應途徑無關。

Hess law指出焓 (enthalpy) 是狀態函數 (state function),一個化學反應焓的變化量是固定的,與反應途徑無關。換句話說,只與反應前的狀態和反應後的狀態有關,與反應經由的路徑無關。因此若一個化學反應的熱含量變化 (△H),無法直接測得時,便可以藉由這個定律計算出。

能量單位

能量單位 (Units of energy)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

因為能量的定義來自作功 (work),所以在國際單位制SI中,能量的單位與功一樣—–即是焦耳(J)。焦耳這個單位是為了紀念英國的物理學家James Prescott Joule,他在熱功當量方面的實驗(mechanical equivalent of heat)有巨大貢獻。SI制中,1焦耳等於1牛頓‧米。能量單位在不同的領域中,各有其常用的單位,分述如下:

1.在原子物理(atomic physics),粒子物理(particle physics)和高能物理(high energy physics)方面,常用電子伏特(electronvolt eV),1 eV表示將一個電子提高一伏特電位能所需的能量。
1 eV=1.60217653×10-19J。

2.光譜學中,因為E=hν=hc/λ,能量正比於波長的倒數,所以常以cm-1為能量單位,1cm-1=0.0001239eV 。

3.在討論能量的產生與消耗時,常用到BOE (barrel of oil equivalent)和toe (ton of oil equivalent)為能量單位。燃燒1桶的原油,大約產生6.1178632 × 109 J的能量, 即1 BOE=6.1178632 × 109 J﹔燃燒1噸的原油大約產生42 GJ 的能量,即1 toe = 42 GJ。

液化石油氣(Liquified petroleum gas)

液化石油氣(Liquified petroleum gas)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

液化石油氣又稱為LPG(liquified petroleum gas),液化瓦斯(LP Gas)或自動瓦斯(autogas),它是碳氫化合物的氣體,用來當做燃料產生熱能,可由原油中或潮濕的天然氣中提煉產生。目前在能量的消耗比例上,液化石油氣大概佔3%。最早的液化石油氣是在1910年由Dr. Walter Snelling製造出來的,1912年開始在商業上量產。

市售的LPG主要的成分是丙烷(propane)和丁烷(butane),有時也含少量的丙烯(propylene)和丁烯(butylene),其中丙烷約佔60%,丁烷佔40%,這個比例隨著季節會稍有調整,冬天丙烷多些,夏天丁烷多些,另外為防範漏氣時可以察覺到,還會加入味道強烈的臭劑: CH3CH2SH (ethanethiol)。

柴油(Diesel)

柴油(Diesel)
國立中山大學董騰元教授責任編

柴油是一種燃料,適用於柴油引擎,柴油引擎可應用於於汽車、卡車、機車、船等交通工具上。柴油是由原油在200 °C到350 °C間分餾所製造出來的產物,它的化學組成主要是飽和的碳氫化合物(包含正、異、環狀)和芳香烴。不過,近年來的發展,柴油不再只是指由石油衍生,也可以是生質柴油(biodiesel)、BTL柴油、CTL柴油或是GTL柴油,傳統由石油衍生的柴油稱為石化柴油(petrodiesel)。

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