第二章能源力學 Energy Mechanics

第二章能源力學 Energy Mechanics 2-1概論 Introduction 2-2 能源的形式Forms of Energy 2-3能量轉換Energy Conversions 2-4　能量守恆 Energy Conservation 2-5　能量的單位 Energy Units 2-6 能量與功 Energy and Work 2-7 熱與功 Heat and Work

2-1　概論 Introduction 能源的分類 • 初級能源(Primary Energy) • 或一次能源： • 自然界中以原有的形式存 • 在，無需任何加工或轉換 • 就可直接取得的能源， • 例如：化石燃料、核能及 • 生質物等。 • 二次能源(Secondary Energy) • 指由一次能源經加工轉換成 • 另一種型態的能源， • 例如：蒸汽、電力、 • 氫氣、生質柴油、生質酒精、 • 焦炭及工業製程廢熱等等。 • 一次能源不論經過幾次轉換所得到 • 的另一種能源皆稱為二次能源。一旦開發或開採後，其可能在相當短的時間內即消耗殆盡不會消耗殆盡

2-2能源的形式Forms of Energy • 化學能:能量係儲存於某些物質中，而當該物質經歷化學反應時即會釋放出能量。 • 熱能:熱能乃伴隨著介質中分子的自由運動，而其量化的指標即為溫度。 • 質能:質量可轉換成能量，而其最著名的公式即愛因斯坦所推導出的質能互換公式。 • 動能:為機械能的一種，當一質量運動時所蘊含的能量。

2-2能源的形式Forms of Energy • 5.位能:亦屬於機械能，其大小與物質於力場中的位置有關。 • 6.電能:電能猶如水於重力場中。 • 7.電磁輻射:太陽能量照射道地球及其他星球即為電磁輻射能量的傳遞。

2-2能源的形式Forms of Energy Example (1): Kinetic Energy

2-2能源的形式Forms of Energy Example (2): Kinetic Energy

2-2能源的形式Forms of Energy Example (1): Potential Energy

2-2能源的形式Forms of Energy Example (2): Potential Energy

2-2能源的形式Forms of Energy

2-2能源的形式Forms of Energy • Koera Electric power plant. • The world’s largest and • most efficient (57%) • combined cycle facilities • (gas turbine and steam • turbine system)

2-3　能源轉換 Energy Conversions 能源轉換效率 (η)

2-3　能源轉換 Energy Conversions 能源運送與運用之總效率

2-3　能源轉換 Energy Conversions

2-3　能源轉換 Energy Conversions 各種能源設備之能源轉換過程與轉換效率

2-4　能源守恆 Energy Conservation 假設單擺於運動過程中沒有能量耗損，當該單擺位於最低點 (B點 ) 時，其速度是整個運動過程中最快時刻，因而動能最大。反之，當單擺移至最高點 (A點 ) 時，此時速度為零，即動能為零，而所有能量轉換成位能，因而單擺位於最高點，此即為單擺的能量守恆。

2-4　能源守恆 Energy Conservation 溫室所接受的能量=儲存於內部空間能量+藉由傳導、對流或輻射方式向外部傳遞能量

2-4　能源守恆 Energy Conservation • Passive solar home • 25% of the heating • needs are provided by • solar energy.

2-4　能源守恆 Energy Conservation • Block diagram of a • fossil-fueled electric • generating station. • Energy in= Energy out • No energy is stored.

2-5　能量的單位 Energy Units

2-5　能量的單位 Energy Units • 焦耳 • 當一牛頓力作用經過一公尺，能量為一焦耳。 • 2.卡 • 1卡定義為使1克水升高1℃所需之熱量，其相當於4.184焦耳。須注意其不同於攝食常用的大卡，事實上一大卡相當於一仟卡。 • 3.英制熱單位(Btu) • 1 Btu 的定義為使一磅的水升高華氏1度所需之能量，其相當於1,055焦耳，同時也相當於252卡。 • 4.英呎-磅 • 1英呎 - 磅定義為1磅力作用1英呎之能量 • 5.電子伏特 • 1電子伏特(簡寫為1eV)，定義為使一電子通過一伏特電位差所需的能量。

2-5　能量的單位 Energy Units 6. 度 (kWh) 為表示電力的產生及使用，「度」為一常用的單位，例如家居電力使用量的多寡。一度即為一千瓦 - 小時 (kWh)，相當於3.6×106焦耳。 7. Toe Toe為評估生質能源數量常用的單位，其中1 toe=11.63 MWh=11,630 kWh，因此，1 toe即相當於11,630度。

2-5　能量的單位 Energy Units 功率的定義為單位時間所輸出或使用的能量。 1瓦特(Watt)即相當於每秒有1焦耳的能量，或1焦耳 = 1瓦特× 1秒。英制系統常用的功率單位是馬力(horsepower)，其中1馬力相當於每秒有550英呎-磅的能量，1馬力也相當於746瓦。 1千瓦－小時 (kWh)，即俗稱的度。由於1小時相當於3,600秒，因此1度電就相當於3.6×106 焦耳。

2-5　能量的單位 Energy Units 數量級

2-6 能量與功 Energy and Work 水霸：Potential Energy

2-6 能量與功 Energy and Work Work= Weight x Height

2-6 能量與功 Energy and Work

2-7 熱與功 Heat and Work U.S. household energy consumption by end use

2-7 熱與功 Heat and Work

2-7 熱與功 Heat and Work Thermal Energy: If both brick assemblies are heated in klin for several hours, they will have the same temperature, but the larger array will store nine times as much thermal energy as the smaller one.

2-7 熱與功 Heat and Work Thermal Energy: A 1-lb sample of water stores about five times as much thermal energy as 1 lb of rocks at the same temperature because water has a higher specific heat.

2-7 熱與功 Heat and Work Heat: temperature difference

2-7 熱與功 Heat and Work Conduction: through the metal spoon from the hot coffee to colder fingers

2-7 熱與功 Heat and Work Conduction: Fourier’s Law

2-7 熱與功 Heat and Work Percentage of energy saved by lowering the thermostat in winter

2-7 熱與功 Heat and Work Convection currents in water

2-7 熱與功 Heat and Work Heat transfer through a double-pane window

2-7 熱與功 Heat and Work Radiation: Solar air heater for use in a window

2-7 熱與功 Heat and Work The thermal equilibrium of an object is maintained if Ein=Eout

2-7 熱與功 Heat and Work A hot-water radiator as an illustration of heat transfer via conduction, convection, and radiation

2-7 熱與功 Heat and Work Heat Engine

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