化石燃料
化石燃料是不可再生能源,終有一日會耗盡。
主要化石燃料:
- 煤炭 (Coal)
- 石油 (Petroleum)
- 天然氣 (Natural Gas)
- 化石燃料燃燒時會釋出能量
- 大多數發電站和車輛都使用化石燃料
- 燃燒過程會產生二氧化碳和其他污染物
04: 能源與能源消耗
探討可再生能源與不可再生能源、核能的運作原理、結合能曲線、各種能源的比較,以及能源消耗對環境的衝擊,包括溫室效應和全球暖化。
核心概念
核能
核能發電即利用核反應來發電。由於核燃料的蘊藏量有限,因此核能是不可再生能源。
結合能定義:
$$ E_b = \Delta m c^2 $$
- 把組成原子核的核子完全分離所需的能量
- 結合能也等同把質子和中子組合成原子核時釋放的能量
- 質量虧損 $\Delta m$ = 核子總質量 - 原子核質量
結合能的計算
結合能可以用質量虧損或直接使用質量單位(u)計算。
質量-能量等價:
$$ E_b = (\Delta m \text{ in u}) \times 931 \text{ MeV} $$
- $1\text{ u} = 931\text{ MeV}$
- 結合能 $E_b$ 通常用 MeV 作單位
- 每個核子結合能 $\frac{E_b}{A}$ 衡量原子核的穩定程度
- 每個核子結合能愈大,原子核愈穩定
核裂變和核聚變
核裂變和核聚變所釋放的能量,等於核反應中結合能的增幅。
能量釋放公式:
$$ E = \Delta E_b = E_{b,\text{final}} - E_{b,\text{initial}} $$
- 核裂變: 重核素分裂成較輕核素
- 核聚變: 輕核素融合成較重核素
- 不穩定的原子核較可能發生核反應
- 形成較穩定(結合能更大)的原子核時釋放能量
結合能曲線特點
結合能曲線顯示不同質量數 $A$ 的原子核的穩定程度。
①至少需要有 2 個核子才會有結合能存在
②輕核素範圍:$A$增大時$\frac{E_b}{A}$也增大 → 易發生聚變
③鐵-56(Fe-56)在曲線頂峰,非常穩定 → 裂變/聚變只會吸收能量
④重核素範圍:$A$增大時$\frac{E_b}{A}$減少 → 易發生裂變
⑤曲線輕核素範圍比重核素範圍陡峭 → 聚變比裂變釋放更多能量
太陽能
太陽能是可再生能源,源自太陽內部的核聚變反應。
太陽能電池:
- 利用半導體將光能轉化為電能
- 應用於太空船或與世隔絕的地方
- 只在日間發電,輸出功率隨天氣變化
- 常用電池儲存部分電能,以達到 24 小時不間斷供電
- 可與風力發電互補,補足太陽能發電的不足
- 太陽能是清潔能源,不會排放溫室氣體
溫室效應
溫室效應是一個天然過程,對地球的生物非常重要。大氣層困住部分地面發出的熱輻射,令地球保持溫暖。
溫室氣體:
- 二氧化碳 ($\text{CO}_2$)
- 水蒸氣 ($\text{H}_2\text{O}$)
- 甲烷 ($\text{CH}_4$)
- 溫室氣體含量增加 → 加強溫室效應
- 自十九世紀末至今,地球表面平均溫度已上升了 $0.7^{\circ}\text{C}$
- 這種氣候變化稱為全球暖化
全球暖化的後果
溫室氣體增加主要由燃燒化石燃料、砍伐森林和人口增長造成。
🌊
海平面上升: 兩極冰層融化
🌪️
極端天氣: 極端天氣狀況出現得更頻繁
🦟
疾病傳播: 較暖氣候助長登革熱等疾病
經典例題解析
結合能計算
題目:
$^{206}_{82}\text{Pb}$ 原子核的質量是 205.974466 u,質子的質量是 1.007276 u,中子的質量是 1.008665 u。求 $^{206}_{82}\text{Pb}$ 原子核的單個核子結合能,答案以 MeV 為單位。
解法:
質量虧損 $\Delta m = 82(1.007276) + 124(1.008665) - 205.974466 = 1.744\text{ u}$
結合能 $E_b = 1.744 \times 931 = 1623\text{ MeV}$
個核子結合能 $\frac{E_b}{A} = \frac{1623}{206} = 7.88\text{ MeV}$
結合能 $E_b = 1.744 \times 931 = 1623\text{ MeV}$
個核子結合能 $\frac{E_b}{A} = \frac{1623}{206} = 7.88\text{ MeV}$
核裂變能量計算
題目:
以下是 U-235 的一個裂變反應: $^{235}_{92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow ^{141}_{56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3^{1}_{0}\text{n}$
已知: $^{235}_{92}\text{U}$ 的單個核子結合能 = 7.590937 MeV
$^{141}_{56}\text{Ba}$ 的單個核子結合能 = 8.326028 MeV
$^{92}_{36}\text{Kr}$ 的單個核子結合能 = 8.512845 MeV
求裂變釋放的能量。
解法:
釋放的能量 = 結合能的增幅
$= 141(8.326028) + 92(8.512845) - 235(7.590937)$
$= 1174.17 + 783.18 - 1783.87 = 173.48\text{ MeV}$
$= 141(8.326028) + 92(8.512845) - 235(7.590937)$
$= 1174.17 + 783.18 - 1783.87 = 173.48\text{ MeV}$
概念判斷題
題目:
判斷: 核聚變釋放的能量通常比核裂變釋放的能量多。這句說法正確嗎?為什麼?
解法:
正確。從結合能曲線可知,輕核素聚變時結合能增幅比重核素裂變時大,因此以每個核子計,聚變釋出的能量比裂變多。
溫室效應說明題
題目:
說明溫室效應的運作過程。
解法:
① 部分太陽能穿過大氣層,並由地球表面吸收。
② 地球表面溫度上升,發放紅外輻射。
③ 溫室氣體吸收這些紅外輻射。
④ 大氣層向各個方向輻射熱,部分返回地球表面。
② 地球表面溫度上升,發放紅外輻射。
③ 溫室氣體吸收這些紅外輻射。
④ 大氣層向各個方向輻射熱,部分返回地球表面。
互動實驗室:結合能曲線與能源模擬
選中原子核
質量數 ($A$):56結合能 ($E_b$):492個核子結合能:8.8穩定性:非常穩定
圖例
結合能曲線
選中原子核
輕核素(聚變)
重核素(裂變)
💡 點擊曲線上的原子核查看結合能,觀察輕核素和重核素的聚變/裂變傾向
控制面板
反應類型判斷:
鐵-56 處於結合能曲線頂峰,非常穩定
計算挑戰
點擊下方按鈕生成隨機題目。