今日課程內容 CH7: 功與能 外力做功 動能 功能定理 CH8: 能量守恆 保守力 位能 機械能與機械能守恆 能量守恆定律.
第三章:能量守恆 Energy Conservation. 2 能源守恆原理...
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21-Dec-2015 -
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第三章:能量守恆Energy Conservation
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能源守恆原理
於任一密閉系統的總能源始終保持定值。
)(0 TEPEKE
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圖 3.1 小心將球自 A 點釋放,搖擺順序為 A-B-C-B-A ,回程將不會超過 A 點,因此不會打到鼻子。 A 點因球自身的重量使其具有一固定能源 ( 即其重力位能 ) ,球於 B 點時將僅有動能 ( 此時速度最大 ) 。除非另有能源輸入,否則於搖擺回程球將無法超過 A 點高度,在無外力加入的情況下這是不可能的。
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圖 3.2 被動式太陽能屋:能源輸入 = 能源輸出 + 能源儲存
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位於紐約州 Oswego 的被動式太陽能屋- 其中 35% 所需熱能由太陽能供應
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圖 3.3 化石燃料發電廠之方塊圖- 輸入能源等於輸出能源 ( 沒有儲能 )
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%100)(
)(
總能源或儲能輸入有用的能源或功輸出
效率
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裝 置:能量轉換過程 效率發電機:機械能→電能 70~99%
電動機:電能→機械能 50~95%
暖氣爐:化學能→熱能 70~95%
風力機:機械能→電能 35~50%
化石燃料電廠:化學能→熱能→機械能→電能 30~40%
核能電廠:核能→熱能→機械能→電能 30~35%
汽車引擎:化學能→熱能→機械能 20~30%
日光燈:電能→光能 20%
電燈泡:電能→焦耳熱能→光能 5%
太陽電池:光能→電能 5~28%
表 3.1 一些能源轉化裝置及系統的效率
圖 3.4 :多層能量轉換過程之總效率
=各過程效率的相乘積
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圖 3.5 西非布基那法索國 (Burkina Faso) 之有趣的抽水方法,圖中男孩利用位能作功,藉著跳躍完成工作。
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圖 3.6 : 1960-1995 年間,開發中國家的能源成長、 GDP 的成長、人口成長。
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中國經濟快速成長致使煤炭燃燒遽增,其電力約有 75% 來自煤
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表 3.2 世界商業性能源消耗 (1970 年及 1990 年 )
1970 1990
地 區 能源消耗 每個人 能源消耗 每個人(1018J) (109J/個
人 )(1018J) (109J/個
人 )
開發中國家拉丁美洲亞 洲非 洲
318
194
12261010
13716
11011
34493422
工業國家 129 180 183 221
集中經濟 44 120 38 128
全世界 203 55 358 70資料來源: British Petroleum, BP Amoco Statistical Review of World Energy (London : 2000); United Nations, World Population Prospects 1990 (New York : 1991)
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表 3.3 開發中國家的能源使用來源 百分比
生質 35
石油 26
煤 25
天然氣 8
其他再生能源 6
核能 < 1
資料來源:Worldwatch Institute, www.worldwatch.org, “State of the World”, 1993.
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人工泥漿及稻草磚塊建造房屋
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表 3.4 轉換及當量
能源單位
• 1 Btu = 1055 J = 778 ft-lb = 252 cal• 1 ft-lb = 1.356 J = 0.33 cal• 1 calorie = 4.184 J• 1 food Calorie = 1000 cal = 1 kcal• 1 hp-hr = 2.68 × 106 J = 0.747 kWh• 1 kWh = 3.61 × 106 J = 3413 Btu = 2.65 ×
106 ft-lb • 1 Quad = 1015 Btu• 1 GJ = 109 J = 948,000 Btu
功率單位 • 1 watt = 1 J/s = 3.41 Btu/h• 1 hp = 550 ft-lb/s = 2545 Btu/h = 746W
1桶 (bbl) 原油 = 42 gal = 5.8×106 Btu = 6.12×109 J1標準立方呎天然氣 (SCF) = 1000 Btu1撒姆 (therm) = 100,000 Btu1 加侖汽油 = 1.24 × 105 Btu106 ft3 天然氣 = 172桶原油1公噸煙煤 = 25 × 106 Btu1公噸鈾 235 = 70 × 1012 Btu原油 1000桶 / 天 = 2.117 × 1012 Btu/yr原油 1百萬桶 / 天 (1 MBPD) = 5.8 × 1012 Btu/day
= 煤 8千萬公噸 / 年 = 氧化鈾 0.2公噸 / 年
不同燃料量計算間的換算關係式
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1000 MWe 電廠所需的燃料 - 2.4×1011 Btu/d 輸入煤: 9000公噸 / 天或 1單位火車貨運量 (100~90 大
車 / 天 )原油: 40,000 bbl/d 或一個油槽 /週天然氣: 2.4×108 SCF/d鈾 (如 235U) : 3 kg/d
能源需求美國 1999 年全部能源消耗 =97×1015 Btu (97 Quads) = 45 MBPD 油當量 = 102×109 GJ
註: d - 天 , /d - 每天
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一桶 (bbl) 原油 = 普通車駕駛 1400公里 (840英哩 )
供應一座 10萬人口城市電力需要 4000 bbl/d 原油
供應加州 8 小時能源需要 100萬桶原油一加侖汽油 = 11 度電 ( 發電效率假設為 30%)
= 提供 5 小時標準冷氣的運轉 = 電鐘操作 200 天 = 打開彩色電視機 48 小時 = 2m2 (22 ft2)面積於夏天太陽能平均日照量
每日用量及能源當量
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100萬 Btu大約等於
90磅的煤125磅的爐材8 加侖的馬達汽油10 therms 的天然氣美國每人一天的能源消耗電廠所生產的 100 度電
日 常 生 活中 之 功 率( 單位時間所 使 用 的能量 ) 相關數據
1000 MWe 電廠 - 60%負載因數, 5.3×109 kWh/yr ,足供一座 100萬人口的都市需要
美國每人使用的功率 = 12 kW普通人坐著 = 60 W普通人跑步 = 400 W以 65 mph行駛的汽車 = 33 kW