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C007 自然科學概論 第六版

Chapter 7 資  源 編著:杜平泉、方 慧、杜鳳棋、吳鎰州    唐幼華、柴御清、蔡忠賢


章  節  簡  介 7-1  能 源 7-2  石 油 7-3  天然氣 7-4  煤 7-5  核 能

7-6  太陽能 7-7  水 力 7-8  水資源 7-9  森林資 源 學習摘要


回顧人類的歷史,我們發現能量的消耗隨 著社會的進步而增加;早期的人類利用自己 的體力,以應付生存所需要的熱能,藉著打 獵與採食野生的蔬果,獲取體內所需的能量 ;直到火種的發現,人類方懂得如何利用外 界的熱能以提昇生存的品質;文明開始後, 人類利用牛、馬等動物以及風力、水力來從 事較粗重的工作,如耕種、運輸等,公元 1712 年蒸汽機發明後,人類使用的能源種類 更加多元化,而且應用能源的技術也一再的 被開發出來 ( 如圖 7-1) 。


7-1 能 源  能量以不同的型式存在,如太陽能、熱能、 機械能、電能、化學能等。

 由於能量使用後無法再生,因此我們的社會 需要大量的能量,以維持基本作息及促進進 步。能量的主要來源為化石燃料 (fossil fuels) ( 如圖 7-2) ,包括石油、天然氣及煤,所產 生的能量為總能量的 87.5% 。


7-2 石 油  石油的形成,主要是早期生存於靠近海岸淺 水中的微生物死亡後,大量淤積於海底,經 千百萬年地殼的變化而逐漸被埋於地底下, 長期在高壓、高熱的條件下,產生化學反應 而變成極端複雜的液化碳氫化合物,稱原油 (crude oil) 或石油 (petroleum) 及氣化的碳氫 化合物稱為天然氣 (natural gas) 。

 石油是含有上千種有機碳氫化合物的混合

物 - ,主要的成份為以碳和氫為主的有機化 合物 - ,並含有少量的硫、氮或氧等的化合 物。


7-2 石 油  石油必須經過煉製的過程才能轉化成各種成 品,煉製的程序稱為分餾 (fractional distillat-ion) 。

 分餾是利用碳氫化合物不同的沸點,以分段 蒸餾的方式達到分離效果的煉製方法 ( 如圖 7-3) 。


7-2-1 石油煉製  圖 7-3 所示,為石油煉製過程中最主要的 部分,稱分餾塔 (fractional distillation tower) 。分餾塔最底層的溫度約為,在此溫 度下,大部分的碳氫化合物都被氣化掉,經 過不同高度、不同溫度的冷凝下,使不同沸 點的化合物依次被冷卻下來 ( 如表 7-1) 。


7-2-2 辛烷值  汽油中的直鏈式的碳氫化合物量多時,汽車的引擎 發動會造成震爆現象;若支鏈式的碳氫化合物量增 加,則震爆現象較輕微。因此,國際間以數值來表 示有機化合物抗震性之指數,稱為辛烷值 (octane rating) 。

 由於異辛烷之抗震性最佳,因此定其值為 100 ; 而正庚烷的抗震性最差,數值定為 0 ,依次訂出 這兩種碳氫化合物,在不同混合比率時之抗震性指 數,制訂出燃料中的辛烷值容量百分比的數據,以 作為燃料的抗震性標準。為存在於汽油中一些有機 物的辛烷值 ( 如表 7-2 ) :


7-2-2 辛烷值  從石油分餾出的汽油之辛烷值約為 50~55 ,而汽車所需要汽油之辛烷值為 87~90 ,因此通常以裂解的方式增加辛烷值 ,或添加抗震劑如四乙基鉛,以減少引擎的 震動。


7-2-3 石化工業  經由石油所煉製出的化合物,再經過化學合 成而產生的有機物通稱為石油化學品 (petro-chemicals) 。

 一般常見的石化衍生物有塑膠、人造纖維、 人造橡膠、除蟲劑、肥料、醫藥等 ( 如圖 7-4) 。未來因為石油的儲藏量遞減,因此科 學家積極探討利用煤所煉製出的合成氣,以 取代石油做為有機化合物的合成來源的研究。


7-2-4 石油蘊藏量  石油的分布產量相當的不平均,地球上已被 開發或證實有石油蘊藏的地區,一半以上集 中在中東地區,如沙烏地阿拉伯、伊朗、科 威特等國家 ( 如圖 7-5) 。

 依照目前石油的消耗速率,科學家推斷到公 元 2010~2020 年石油將完全的枯竭,為了減 少對石油的依賴度及因應石油未來的短缺, 我們應該 (1) 盡量利用其他蘊藏量較大的化 石燃料,如煤; (2) 節約能源並提高能源的 經濟效率; (3) 積極尋找安全性高而污染源 低的代用能源。


7-3 天然氣  天然氣主要為:甲烷,並含有少量的乙烷、 丙烷、丁烷、二氧化碳、硫化氫等氣體化合 物,典型的天然氣大約含有 60 ~ 80 % 的 甲烷,其含量隨產地而不同。

 由於二氧化碳會降低燃燒所產生的熱量,硫 化物會產生空氣污染,造成酸雨現象且發出 惡臭,水蒸氣於輸送管中遇低溫時會有凝結 現象,因此天然氣於使用前,需先將二氧化 碳、硫化氫、水蒸氣以及分子量大於乙烷的 碳氫化合物,從天然氣中予以去除。


7-3 天然氣  天然氣中的丙烷以及丁烷被移出後,再經液 化形成之液體稱為液化石油氣 ( liquified petroleum gas ) 或稱 LPG 。

 天然氣較石油便宜,除較易完全燃燒,較少 殘渣,更無酸雨的後遺症,因此天然氣比石 油或是煤更適合當作燃料。


7-3-1 天然氣蘊藏量  天然氣提供全球一年所消耗能量的 17% 。蘊 藏量最多的地區為獨立國家國協,約佔全世 界總蘊藏量的 50% ( 如圖 7-6) 。

 天然氣屬於氣體,在運輸以及儲存方面的困 難度很大,若將溫度降至時,其液化的體積 降為原來的 1/600 倍,則適於運輸和儲存, 但液化天然氣 ( liquified natural gas, LNG ) 的成本高,而且如果儲存槽使用不當,容易 引起爆炸。依照目前天然氣的消耗速率,天 然氣的供應大約還可以持續 40 到 60 年。


7-4

 大約在三億年前,地球的平均溫度比現在略 高,熱帶沼澤地區佈滿植物。植物凋謝後沈 積在水底,經過地殼的變化而被深埋於地底 下,在無空氣氧化且高溫、高壓的情況下, 其分解現象相當緩慢,一些較易揮發的物質 以及其含水量逐漸的減少而含碳量逐漸的增 加下,最後變成多孔性的物質稱為煤。煤因 含碳量的不同而有差異,種類 ( 如表 73) :


7-4-1

煤炭汽化

 煤在高壓、高熱的蒸氣作用下,產生一氧化 碳和氫氣,一氧化碳和氫氣再反應產生甲烷 和水的過程,稱為煤炭汽化。產生的一氧化 碳、氫氣和甲烷,則稱為人造氣體或稱為水 煤氣:


7-4-2

煤的蘊藏量

 煤約佔全世界年平均能源供應量的 27% 。煤 幾乎均勻分布在地球上,但蘊藏量最多的地 區為美國,佔全世界總蘊藏量的 29% 。依照 目前的消耗速率,煤可以持續供應 300 年。

 由於石油之蘊藏量急速遞減,因此煤可能在 未來會取代石油,成為石化工業製造石化產 品的原料,但是由於燃燒煤和石油都會產生 二氧化碳等環境污染的問題,因此無可置疑 的,未來若大量使用煤,必然會嚴重威脅到 全球的環保和地球的生態。


7-5

 當公元 1960 年核熔合的控制技術開發後, 核能成為一乾淨、便宜又安全的能源,似乎 是指日可待的事。因此科學家在 1950 年代 時預測,到公元 2000 年時核能將提供全世 界 20% 的能量來源,但是由於核能發電在 安全上一直無法獲得保障,因此到目前為止 ,其作為能源的比率還不到 3% 。目前台灣 有三座核能發電廠 ( 如表 7-4) 。


7-5-1

核能發電

 目前正在運轉的核能發電廠,大多是利用鈾 的核分裂反應,所伴隨的巨大能量來做發電 用。基本上,它利用中子撞擊鈾以產生較輕 的原子與中子: 1 0

141 92 1 n + 235 U → Ba + Kr + 3 92 56 36 0 n + 能量

 由於中子撞擊鈾原子分裂產生三個中子,這 些新生的中子又和其他的鈾原子產生撞擊反 應,如此核分裂開始後,鈾分裂現象將一直 持續下去,這種連續反應的現象稱為連鎖反 應 (chain reaction) ( 如圖 7-7) 。


7-5-1

核能發電

 核能發電廠即在有效的控制連鎖反應下,利 用核分裂產生的巨大能量作為發電的來源。 一般核能廠利用慢中子作引發劑,使用石墨 或水當作緩和劑 (moderator) ,以減速由放 射性元素產生之高速中子,並以鎘或硼作為 控制棒 (control rods) ,控制連鎖反應過速 的現象發生。  核能反應爐可分為四部分 ( 如圖 7-8) ,即 (1) 遮蔽裝置-混凝土鉛; (2) 燃料棒- 235U ; (3) 緩和劑-石墨或水; (4) 控制棒-鎘或硼。 核反應所產生之高熱能,使水蒸發成為高熱 之蒸氣,用以推動渦輪發電機以產生電力。


7-5-2

核燃料

 因大多數的鈾礦,含鈾量通常不超過 0.2% ,因此採自礦區的鈾礦在作為核燃料前 ,必須將鈾礦轉變成含 80% 的氧化鈾 (U3O8) 。

 一般燃料棒只有三年的使用期限。但是其剩 餘的鈾 235 之含量仍約 1% ,因此使用過的 廢燃料棒需經核廢料處理程序,以防輻射線 洩露造成輻射污染。


7-5-3

核能廠的問題

 大多數人對於核能廠懷有相當恐懼的心理, 深恐核能廠會像核子彈一樣產生可怕的核子 爆炸。事實上核能廠最大的問題,在於是否 輻射會外洩或核廢料是否將造成污染,而不 在於是否會爆炸,因為燃料棒中的鈾 235 含 量不足以造成核子爆炸。

 核能廠所引起的災害,比較重大的兩次核能 廠災難,分別發生於公元 1979 年美國賓夕 法尼亞州的三浬島 (Three Mile Island) 核能 廠以及 1986 年發生於前蘇聯的車諾比 (Chernobyl) 核能廠。


7-5-3

核能廠的問題

 兩次災難都是肇因於冷卻水供應發生問題, 使得反應器溫度急速升高,導致核心熔化、 輻射外洩。三浬島輻射外洩事件,因處理快 所以沒有造成災難;而車諾比事件,由於因 應危機的機動性低,而造成大量的輻射氣體 和微粒外洩,不但演變成眾多人命的傷亡, 而且引起生態環境的後遺症,可能需要數百 年的復建工作才能回復舊觀。


7-6

太陽能

 太陽能是最有經濟價值的一種能源,不但取 之不竭又沒有污染問題,而且似乎可以無限 制的轉化成其他能源。但是事實上,目前要 將太陽能轉變成有用的能源卻非易事,不只 技術困難而且所費不貲。


7-6-1 靜態與動態的太陽能加熱系統  利用特殊的建築材料,可以將太陽能轉變成 室內取暖設備所需之能源。

 靜態太陽能加熱系統 (passive solar heating) 利用對流現象,吸收透過窗戶進入 室內的太陽能,以提高室內的溫度。部分被 吸收的太陽能並經由底層特殊的材料加以儲 存,以供夜晚時慢慢釋出以維持室內的溫度 。


7-6-1 靜態與動態的太陽能加熱系統  動態太陽能加熱系統 (active solar heating) 為另一種室內加熱系統,裝於屋頂上的太陽 能收集器 (solar collector) 。太陽能收集器 為一黑色之平板,上面置一層玻璃板,黑色 平板與玻璃板中間鋪上水管,藉著水的流動 以吸收熱能來維持室內之溫度,玻璃板的目 的在於防止能量的散失。


7-6-2 太陽能發電廠  圖 7-9 是為位於美國加利福尼亞州南部, 利用太陽能發電的發電設施。它是以半弧形 的太陽能收集器,將太陽光反射而交於中心 部位,使流經鋪於中心部位管內的液體加熱 至溫度約達,再利用此高熱的液體,將水變 成高溫的水蒸氣用來推動發電機發電。

 太陽能發電由於建造費用比一般傳統的發電 廠便宜,而且不須使用任何燃料,又沒有空 氣污染現象,因此可能成為未來的主要發電 型態之一。


7-7 水

 水力發電 ( 如圖 7-10) 為利用水位差所造成 位能差,以帶動發電機發電,是效率最大的 發電方式,而且並無污染產生的問題。但是 為發電所建的水庫,卻造成環境生態很大的 損害:水庫本身建成後將淹蓋水庫所在範圍 內的所有地上物,甚至於有歷史價值的景物 與城市 ( 如大陸正在興建的三峽水庫 ) ,同 時水庫也造成水庫下游河川的沈積物以及養 分呈現大量遞減的現象。  台灣較大的水力發電廠計有石門水庫、翡翠 水庫、德基水庫、曾文水庫、阿公店水庫、 烏山頭水庫等。


7-8 水資源  水是地球上最珍貴的資源,如果沒有水的存 在,地球上將沒有任何生命的跡象。

 雖然地球上的水含量固定不變,且由於水藉 著蒸發及下雨的方式循環不停,由於水分布 的不均及人們大量的用水,地球上有些地區 已經顯現嚴重缺水現象。


7-8-1 水的分布  水是地球上含量最多的化合物,約有 ¾ 的 地球表面被水所覆蓋。雖水的含量如此可觀 ,但是淡水所占的比率卻相當的低,大約地 球上的 97.2% 的水存於海水中,又約 2.8% 的水 ( 如圖 7-11) 存於冰原及南北極,其餘 極大部分的淡水為地下水;因此存於湖泊、 河川適合用於灌溉、飲用的水大約只有 0.12% 。

 水同時也是組成生物的主要成份 ( 如表 75) :約佔人體的 70% 重量,其他的動物或 植物則在 50% 至 90% 之間。


7-8-2 水的循環  水藉著太陽能被蒸發,又由於溫度的關係被 凝結,並靠著降雨或降雪的方式,不斷的被 淨化與循環 ( 如圖 7-12) 。

 大氣中含水蒸氣的量稱為濕度 (humidity) ,一般濕度的表示法有絕對濕度 (absolute humidity) 與相對濕度 (relative humidity) 兩種。


7-8-2 水的循環  一定體積的空氣中含有水蒸氣的重量,稱為 絕對濕度。

 一定溫度下,空氣中的水蒸氣,若達到空氣 所能容納的最大含量時,稱為飽和狀況 ( 如 圖 7-13 ) 溫度越高則絕對飽和濕度相對的升 高,因此若溫度降低,空氣中的水蒸氣即凝 結成液態水。空氣中水蒸氣量對該溫度下的 飽和水蒸氣量之比值,則稱為相對濕度。若 水氣量達到飽和時,此時相對濕度為 100% ,稱為露點 (dew point) 。


7-8-3 用水的危機  由於人們過度的浪費水資源,地球上的水資 源已呈現不足現象;根據環保署資料,台灣 地區每人每天約消耗 300 升的水,而歐美 地區每人每天才約消耗 250 公升的水,包 括抽水馬桶沖水一次約 12~20 升,沖澡每 分鐘約 8 ~ 12 升,以及工廠與養殖漁業大 量的抽取地下水,使得地下水位降低、海水 入侵,導致水資源日趨缺少。尤其在炎夏季 節,台灣地區時常感受到缺水的嚴重性。


7-9 森林資源  自從約 10,000 年前,農業型態的生活方式產 生以來,人類已經消耗掉地球陸地上約 1/4 的森林區域。如果能夠節制的利用,消耗的 速率不超過育林的速率,森林資源是項可以 再生的重要資源。

 森林提供建築、燃料、紙漿、醫藥等所需之 材料,年產值約美金 3000 億元。全球每年 被砍伐的森林,一半被用來作為日常生活所 需之取暖與烹煮上; 1/3 用於製造建築材 料,如木材、夾板、木渣板等;剩下的 1/6 則用於生產紙漿,以供製造各類紙張用。


7-9 森林資源  森林在環境生態上,對於水土的維護與全球 氣候的調節,具有重大的影響作用。樹木可 以保育土壤防範被洪水沖走,並可防止土壤 中之沈積物流失,而一棵大樹在炎熱的天氣 裡,可以自土壤中吸取約 5 噸的地下水,再 蒸發至大氣中,以變成雲或雨來調適大氣的 溫度。通常,大氣中之水氣約 50~80% 是蒸 發自森林。

 森林更是地球氧氣與二氧化碳互生的重要工 具,藉著綠色植物的光合作用,使得大氣中 的氧氣可以順利更新 ( 如圖 7-14) 。


1. 目前使用的能源有化石燃料、核能和水力。 其中化石燃料包括石油、天然氣以及煤,所 產生的能量為總能源的 87.5% 。 2. 石油:含有上千種有機碳氫化合物的混合物 ,主要的成份為以碳和氫為主的有機化合物 並含有少量的硫、氮或氧等的化合物。 3. 分餾:利用碳氫化合物不同的沸點,以分段 蒸餾的方式達到分離效果的煉製方法。


4. 裂解:將碳原子數目較多,分子量較大的 碳氫化合物於高熱高壓的情況下轉化成低分 子量的碳氫化合物如汽油或煤油等。 5. 辛烷值:國際間以數值來表示有機化合物 抗震性之指數。異辛烷之抗震性最佳,其辛 烷值值定為 100 ,而正庚烷的抗震性最差 ,定為 0 ,再依次訂出這兩種碳氫化合物不 同混合比率時之抗震性指數,制訂出燃料中 的辛烷值容量百分比的數據,以作為燃料的 抗震性標準。


6. 高分子材料:石油化學品:由石油所煉製 出的化合物,再經過化學合成而產生的有機 物之通稱。 7. 我們應該: (1) 盡量利用其他蘊藏量較大的化石燃料,如煤炭 (2) 節約能源並提高能源的經濟效率; (3) 積極尋找安全性高而污染度低的代用能源;以 減少對石油的依賴以及因應石油未來的短缺。


8. 高天然氣:主要為甲烷,並含有少量的乙 烷 、丙烷、丁烷、二氧化碳、硫化氫等氣 體化合物,典型的天然氣大約含有 60~80% 的甲烷,其含量隨產地而不同。 9. 液化石油氣 (LPG) :天然氣中的丙烷以及 丁烷被移去後,再經液化形成之液體。 10. 液化天然氣 (LNG) :將天然氣降至 -162℃ 時,其液化的體積降為原來的 1/600 倍,則適於運輸和儲存。


11. 高煤依含碳量與含水量的不同分為: (1) 褐煤:含碳量 30% ,含水量 40% 。 (2) 次煙煤:含碳量 40% ,含水量 9% 。 (3) 煙煤:含碳量 65% ,含水量 3% 。 (4)無煙煤:含碳量 90% ,含水量 3% 。

12. 煤炭汽化:煤在高壓、高熱的蒸氣作用下, 產生一氧化碳和氫氣,一氧化碳和氫氣再反 應產生甲烷和水的過程。產生的一氧化碳、 氫氣和甲烷則稱為人造氣體或稱為水煤氣。


13. 連鎖反應:中子撞擊鈾原子分裂產生三個 中子,這些新生的中子又和其他的鈾原子產 生撞擊反應的連續現象。 14. 核能反應爐分為四部分: (1) 遮蔽裝置-混 凝土鉛; (2) 燃料棒- 235U ; (3) 緩和劑- 石墨或水; (4) 控制棒-鎘或硼。 15. 水力發電:利用水位差所造成位能差以帶動 發電機發電,是效率最大的發電方式,並且 無污染問題。


16. 水是地球上含量最多的化合物,約有 3/4 的 地球表面被水所覆蓋。水約佔人體的 70% 重量,其他的動物或植物則在 50% 至 90% 之間。

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