高雄世運主場館

第七章 能量

7-1 能量的形式與轉換

(能量之間的轉換所依賴的過程，稱之為作功)

力學能

動能 位能

能量

化學能 光能電磁能 核能熱能

重力位能

彈力位能

．．．

功(Work)

施力於物體上，使物體沿力方向產生位移S，此過程稱為對物體作功。在此過程中，作功將某種能量轉換為物體的能量(動能、位能)

W = F ‧ S (沿力方向的位移大小)

SI制單位：焦耳=牛頓(N)‧公尺(m)

功(Work)

功(能量)只有大小，沒有方向性，是純量。正(+)：代表作正功or獲得能量負(-)：代表作負功or損失能量

施力(F)與位移(S)同向，作正功

施力(F)與位移(S)反向，作負功

施力(F)與位移(S)互相垂直，不作功

動能

施力其間，可使物體運動速度增加，此時物體獲得了能量，我們稱這種物體運動所具有的能量為動能Ek

mvEk 2

1 2

功能定理

施力所作的功(W)完全轉變成物體的動能Ek

kEW

施力10牛頓，使質量2kg的物體移動10m，利用功能定理求物體的速度？

重力位能

施力使物體的高度產生變化，此時物體獲得or失去能量，我們稱這種物體因高度h 所具有的能量為位能(U)

h：距地表的高度

地表設為重力位能的零點

mghU

彈力位能

彈性體因形狀改變所儲存or釋放的能量，稱為彈力位能，大小與形變量有關。

2

2

1kxU

k：彈力常數

x：伸長量

彈性體處於原長時，彈力位能為零

力學能

由於動能、位能(重力位能、彈力位能)和物體的運動狀態及外力有關，統稱為力學能

一質量為2公斤的鉛球在離地20公尺的位置自由釋放，當鉛球落地瞬間，試求：

(1)鉛球的動能？

(2)鉛球在20公尺處的位能？(地面為零位面)

(3)二者有何關係？

力學能守恆

力學能 = 動能 + 位能 = 常數 (保持固定)

Ek + U = 定值

在重力作用下的物體，其動能與位能總和維持不變，

稱之為力學能守恆。

mgh + 0 = mgh' +1/2mv'2 = 0 +1/2mv2

熱能

當兩物體（或系統）的溫度不同時，由高溫物體轉移到低溫物體的能量，我們稱為熱。熱是能量的一種形式，也是物體內部原子運動動能的一種表現

溫度是分子平均動能的量度，代表分子運動的激烈程度。物體的溫度愈高時，其分子運動得愈激烈，分子的平均動能就愈大。

氣體分子的平均動能和絕對溫度成正比。

4.2焦耳的能量 = 1卡的熱量(力學能) (熱能)

溫標

0(℃) 100(℃)

1 atm 時水的凝固點

1 atm 時水的沸點

攝氏溫標

32(°F) 212(°F) 華氏溫標

273.15(K) 373.15(K) 絕對溫標

C

F

K

依比例可得 C 0 F 32 K 273.15

100 0 212 32 373.15 273.15

溫標轉換

15.273

325

9

CK

CF

絕對零度 (0 K)，為理論上的最低溫度

物體內部原子運動

熱能 溫度

光能

太陽散發出能量，輻太陽散發出能量，輻

射光線至地球，藉由射光線至地球，藉由

陽光的照射，使我們陽光的照射，使我們

覺得溫暖。覺得溫暖。

電、磁能

電可以經由各種形式作功，

轉換成其它形式的能量，所

以具有能量，稱為電能。

化學能

物質由分子或原子間的鍵結組成，稱其以化學能的形式儲存能量。當物質發生化學反應放出光或熱時，其能量便從化學能的形式轉換為光能或熱能。

7-2 能量轉換的關係

隕石降落地球時，隕石降落地球時，

將部份位能轉換為將部份位能轉換為

動能，並與大氣磨動能，並與大氣磨

擦產生熱能。擦產生熱能。

光能、電能互換

太陽能板可以吸收太陽能板可以吸收

光能轉換為電能，光能轉換為電能，

提供電器運作之提供電器運作之

用。用。

化學能、動能互換

圖片來源：http://autoproducts.aape.biz/attachments/news_pic/12462416474a

48236fdfea1.jpg

圖片來源：http://4.bp.blogspot.com/_SwzjJzHm4zc/SrnKiJn4WrI/AAAAAAAABfI/MHzZ

oDEAfmk/s400/DSC05534.JPG

汽油燃燒推動引擎，汽油燃燒推動引擎，

也是藉由化學反應，也是藉由化學反應，

把化學能轉換為車子把化學能轉換為車子

動能來使用。動能來使用。

能量守恆

各種形式的能量在轉換的過程中，各種形式的能量在轉換的過程中，

不會憑空產生不會憑空產生，也，也不會憑空消失不會憑空消失，，

整個過程中能量的總和總是維持一整個過程中能量的總和總是維持一

定，稱之為定，稱之為能量守恆能量守恆。。

7-3 核能與核能發電

原子核內潛藏著巨大的能量，可以透過原子核內潛藏著巨大的能量，可以透過核分核分

裂裂或是或是核熔合核熔合過程中釋放出來，這種潛藏在過程中釋放出來，這種潛藏在

原子核內的能量就是原子核內的能量就是核能核能。。 引申自愛因斯坦引申自愛因斯坦

核反應

以中子撞擊鈾以中子撞擊鈾235 235 的的主要反應是使鈾原子核分裂成主要反應是使鈾原子核分裂成

為較輕的鋇原子核、氪原子核與三個中子。為較輕的鋇原子核、氪原子核與三個中子。

核反應過程的質能守恒

在核反應過程中，有能量變化伴隨反應前後總質

量的改變。質能轉換公式

E = mc2

E：總能量m：質量c：光速

這種發生在核反應中的質量與能量的轉換，稱為

質能互換。由於光速是一個很大的值，因此核反

應中很小的質量變化，便可以產生巨大的能量。

若核反應後減少1公克的質量，約可產生多少焦耳的能量？

大約能夠讓你家用電多久？

yrs

J

J

JE

10000

1025.1)102.7()109(

102.72001

106.311

109)103(10

5813

8

6

13283

大約可用

個月

度個月用

千瓦小時度

連鎖反應

在鈾核分裂的原子核反應式中，初始需要一顆中子入射撞擊引發第一個鈾原子核的分裂反應。每個鈾原子核的分裂，平均可產出3顆中子，這些產出的中子可以撞擊其他鈾原子核持續造成核分裂，這樣的狀況持續下去稱為連鎖反應。

核能發電工作原理

原子爐中鈾核分裂的連鎖反應連鎖反應，放出大量的能量。控制棒控制棒是使用可以吸收中子的材料吸收中子的材料製成，可以調控鈾燃料在適當的反應速率下進行。

核能發電工作原理

反應產生的能量加熱密封在第一循環系統中反應產生的能量加熱密封在第一循環系統中之水，再加熱第二循環系統中之水產生之水，再加熱第二循環系統中之水產生高壓的高壓的水蒸氣水蒸氣以推動以推動渦輪機葉片渦輪機葉片，帶動，帶動發電機發電發電機發電。。推動渦輪機的推動渦輪機的水蒸氣經冷卻水蒸氣經冷卻後可以後可以重複使重複使用用，而冷卻用水常常是使用核能電廠附近的，而冷卻用水常常是使用核能電廠附近的海海水水。。

核能發電的優、缺點

核能發電的優點在於以少量的核燃料就可以產生大量的能量，核燃料的運輸與儲存都很方便。核能發電的過程中，不會產生火力發電燃燒所生成的二氧化硫與氮的氧化物，而導致空氣汙染與酸雨形成，也不會產生溫室氣體二氧化碳，而使全球暖化，造成對生態與自然環境的衝擊。但是具有輻射性的核廢料處理與儲存問題，以及核能電廠運作維持高度的安全性，需要妥善與專業的管理。

輻射安全

核輻射包含α射線、β射線與γ射線（波長極短的高能量電磁波）。測量人體吸收輻射劑量的單位：西弗

日常生活的輻射來源與劑量

核熔合

自然界中太陽太陽所發出之巨大能量就是來自核熔核熔合合反應。以氘與氚核熔合反應為例，大約在攝氏一億度一億度的高溫下，氘與氚的原子核具有足夠動能來克服彼此的斥力，以達到核力的作用距離產生熔合反應。

7-4 能源的有效利用與節能

再生能源：

不可再生能源：

風力發電

藉由風力作功而將風的能量轉換成電能

太陽能

太陽透過核熔合產生大量的光能，經由太陽能電池將太陽光能轉變成電能

潮汐發電

應用新科技尋求新應用新科技尋求新的替代能源也是一的替代能源也是一個重要課題，除太個重要課題，除太陽能、風力發電陽能、風力發電外，潮汐發電、海外，潮汐發電、海水溫差發電也是可水溫差發電也是可資利用的潛在能資利用的潛在能源。源。

世界首臺渦輪式潮汐發電機（2009年安裝於英國北英格蘭斯

川格福德灣）

抽蓄電廠-電能的儲存利用

例如例如明潭水力發電明潭水力發電，白天的用電尖峰時段，利，白天的用電尖峰時段，利用用明潭明潭放水發電，放流的水則儲存在發電廠旁放水發電，放流的水則儲存在發電廠旁的水池中，深夜離峰用電時段再利用其他電廠的水池中，深夜離峰用電時段再利用其他電廠多餘的電能將水抽回多餘的電能將水抽回明潭明潭大壩，供次日使用。大壩，供次日使用。

((電能電能 水的位能水的位能 水的動能水的動能 電能電能))

生質能源

靠簡單的靠簡單的

光合作用光合作用

生成，使生成，使

用完後又用完後又

變為二氧變為二氧

化碳及水化碳及水