物理溫習筆記：能量與能源運用

哈囉！歡迎來到「能量與能源運用」的溫習筆記！這一章非常實用，因為它與你家中、城市裡的物理現象息息相關，更會影響你的錢包和我們的地球呢。我們會探討電器如何運作、建築物如何變得更具能源效益，以及我們的電力從何而來。學完這章，你就會成為一個更精明的能源消費者，並明白當中的科學原理。我們開始吧！


甲部：家居電力

你有沒有想過開冷氣要多少錢？或者為什麼有些燈泡比其他的好用？本節將會解答這些問題。我們幾乎所有東西都用電，所以一起來看看電力是如何運作的吧。

1. 電器中的能量

家中幾乎每件電器都是能量轉換器，它們將電能轉換成其他形式的能量。

  • 電風扇將電能轉換為動能（扇葉轉動）和聲能。
  • 電熱水壺將電能轉換為熱能（熱力）。
  • 燈泡將電能轉換為光能和熱能。

但它們在轉換能量方面表現如何呢？這就牽涉到「效益」了。

終端能源效益

這是一種量度方式，衡量輸入能量中有多少被轉換成我們真正想要的有用形式。沒有任何機器能達到百分百的效率；部分能量總會被「浪費」掉，通常是以熱的形式。

類比：想像一下你用一個會漏水的桶子去澆花。你倒入的總水量就是「能量輸入」。真正到達植物的水量就是「有用能量輸出」。而漏掉的水就是「浪費的能量」。效益就是用來澆花的水量與你倒入的總水量之比。

公式如下：

$$ Efficiency (\eta) = \frac{\text{Useful Energy Output}}{\text{Total Energy Input}} \times 100\% $$

效益越高，代表能量浪費越少，這樣既省錢又環保！

重點提要

電器將電能轉換成其他形式的能量。終端能源效益告訴我們電器在不浪費能量的情況下，表現有多好。


2. 光明世界：燈光原理剖析

我們家中會使用不同類型的燈具。讓我們來看看它們是如何運作的，以及哪種是最好的。

照明燈具種類
  • 白熾燈：一種老式燈泡。電流使一條幼細的燈絲發熱，直到它白熱化發光。你可以把它想像成一部熱到發光的麵包機。這種燈泡效率非常低，超過90%的能量都以熱能形式浪費掉了！
  • 氣體放電燈：包括熒光管。電流激發管內的氣體原子，使其釋放出紫外線(UV)光。管內壁的白色塗層吸收這些紫外線光後會發光，產生可見光。比白熾燈更有效率。
  • 發光二極管 (LED)：它們是效益之王！LED利用半導體物料在原子層面將電能直接轉換為光。它們發熱量極少，壽命長，而且是目前最節能的選擇。
光線量度

要正確比較不同燈泡，我們需要一些專門術語。別擔心，它們比聽起來簡單得多！

  • 光通量 (單位：流明, lm)：這是光源每秒向所有方向發出的可見光總量。可以把它想像成燈泡發出的光的總「功率」。流明值越高，燈泡就越亮。
  • 照度 (單位：勒克斯, lx)：這是投射到物體表面單位面積上的光通量。它衡量物體表面看起來有多亮。如果光通量是從雲層降下的總雨量，那麼照度就是落入地面一個小桶子裡的雨量。
照度的重要定律

1. 逆平方定律：物體表面上的照度與其距離光源的平方成反比。簡單來說：你離光源越遠，光線就越暗，而且會迅速變暗！

如果你與燈泡的距離增加一倍，光線會分散到四倍大的面積上，所以照度只剩下原來的1/4。

2. 朗伯餘弦定律：當物體表面垂直（成90°）於光源時，照度最大。如果表面傾斜成某一角度 (θ)，照度會降低。

想想陽光。正午時分（太陽直射頭頂），地面會比傍晚（太陽光線斜射地面）熱得多、亮得多。

這個公式結合了這些概念： $$ Illuminance (E) = \frac{\text{Luminous Flux} \times \cos\theta}{\text{Area}} $$

對於從點光源直接照射到物體表面的光線： $$ E = \frac{\text{Luminous Flux}}{4\pi d^2} $$

電燈光效能

這是選擇燈泡時最重要的數值！它是光通量（你獲得多少光）與電能輸入（你使用了多少能量）的比率。

$$ Efficacy = \frac{\text{Luminous Flux (lm)}}{\text{Electrical Power (W)}} $$

單位是流明／瓦 (lm/W)。光效能越高越好！

  • 白熾燈：約15 lm/W（差）
  • 熒光管：約60 lm/W（好）
  • LED燈：約100+ lm/W（極佳）
重點提要

要選擇最好的燈泡，不要只看瓦數。要看流明（亮度）和光效能 (lm/W)。LED燈是最具效益的選擇。


3. 無火煮食

現代廚房利用電力以巧妙的方式烹調食物。

  • 電熱板：當電流流過時，簡單的電阻會發熱（就像白熾燈泡，但目的是產生熱）。它透過傳導加熱鍋具。這種方式效率不高，因為很多熱量會散失到周圍空氣中。
  • 電磁爐：這就像魔法一樣！它利用不斷變化的磁場，直接在磁性鍋具（例如鐵或鋼製鍋具）內部產生電流。這些電流會直接加熱鍋具本身。爐面保持涼爽。它烹調速度非常快，而且比電熱板高效得多，因為熱量是在需要的地方精準產生。
  • 微波爐：利用微波（一種電磁波）使食物中的水分子高速振動。這種振動是動能，令食物變熱。它可以從內到外烹煮食物！
計算電器運作費用

這是一項生活技能！電力公司會根據你使用的能量收費，能量的單位是千瓦小時 (kWh)。

逐步指南：

  1. 找出電器的功率額定值，單位是瓦特 (W)。例子：一個微波爐可能是1000 W。
  2. 將功率轉換為千瓦 (kW)，除以1000。1000 W / 1000 = 1 kW。
  3. 確定運作時間，單位是小時 (h)。假設你使用了15分鐘。15分鐘 / 60 = 0.25小時。
  4. 計算耗用能量，單位是千瓦小時 (kWh)。 $$ \text{Energy (kWh)} = \text{Power (kW)} \times \text{Time (h)} $$ 能量 = 1 kW × 0.25 h = 0.25 kWh。
  5. 計算費用。將耗用能量乘以每千瓦小時的價格。如果電費是每千瓦小時$1.2，那麼費用 = 0.25 kWh × $1.2/kWh = $0.30。
重點提要

電磁爐和微波爐通常比簡單的電熱板更具能源效益。你可以使用公式費用 = 功率 (kW) × 時間 (h) × 每千瓦小時的價格來計算任何電器的運作費用。


4. 熱量搬運工：冷氣機

冷氣機並不是「製造冷氣」。它是一種熱泵——它將熱量從室內搬運到室外，逆著熱量的自然流動方向（熱量自然是從高溫流向低溫）。

類比：想像一下酒吧的保安。保安（冷氣機）利用能量把不受歡迎的「熱量客人」從涼爽的「房間酒吧」趕到炎熱的「外面世界」。

冷氣機性能量度
  • 製冷量 (單位：kW)：這是冷氣機從房間抽走熱量的速率。製冷量越高，表示它能為更大的房間製冷，或更快地為房間降溫。請注意：這與它的耗電功率不同！
  • 性能系數 (COP)：這是冷氣機的效益評級。它是抽走的熱量與所耗用電能之比。
$$ \text{COP} = \frac{\text{Cooling Capacity (kW)}}{\text{Electrical Power Input (kW)}} $$

不要混淆！冷氣機的COP通常大於1（通常在2到4之間）。這並沒有違反能量守恆定律。這只是說明搬運熱量比產生熱量更容易。你每使用1千瓦的電力，冷氣機可能將3千瓦的熱量從你的房間搬走（COP = 3）。

COP值越高越好，代表冷氣機越高效益！

香港能源效益標籤計劃 (EELS)

你一定在電器上看過這些貼紙！它們將產品分為1至5級。

  • 1級：最具能源效益（最好！）
  • 5級：最低能源效益（最差！）

選擇1級能源效益的電器，可以在其使用壽命內為你節省大量的電費。

重點提要

冷氣機是一種熱泵。它的效益以COP衡量——數值越高越好。選購電器時，記得留意能源效益標籤，並選擇1級產品以節省能源。

乙部：建築物與交通工具的能源效益

節省能源不只關乎電器；也與我們建築物的設計以及出行方式有關。

1. 更節能的建築物

在香港這類炎熱的地方，冷氣耗用了大量的能源。設計優良的建築物可以透過減少從外部吸收熱量來降低能源消耗。

熱量進入建築物的主要途徑是透過牆壁、屋頂和窗戶的傳導。

熱傳導率

熱量通過物質的速率取決於多個因素：

$$ \frac{Q}{t} = \frac{\kappa A (T_{hot} - T_{cold})}{d} $$

當中：

  • $$ \frac{Q}{t} $$ 是熱傳導率（單位：瓦特）。
  • $$ \kappa $$（kappa，希臘字母）是物質的熱導率。好的絕緣體，如泡沫，具有較低的 κ 值。好的導體，如金屬，具有較高的 κ 值。
  • $$ A $$ 是表面面積。（更大的牆壁／窗戶會讓更多熱量通過）。
  • $$ (T_{hot} - T_{cold}) $$ 是溫度差。（外面越熱，熱量進入的速度越快）。
  • $$ d $$ 是物質的厚度。（牆壁越厚，熱傳導速度越慢）。
熱傳送系數 (U值)

為簡化計算，我們通常將熱導率 (κ) 和厚度 (d) 結合為一個數值：U值。

$$ U = \frac{\kappa}{d} $$

U值衡量熱量通過物質的容易程度。
U值越低越好！這代表該物質是一種優良的絕緣體。

總熱傳送值 (OTTV)

OTTV是衡量整個建築物外殼（所有牆壁、窗戶和屋頂）平均熱量增益的指標。它比單純的牆壁U值更全面，因為它還包括陽光透過窗戶進入的熱量。
OTTV越低越好！這意味著建築物設計良好，能有效保持涼爽。

影響OTTV的因素包括：

  • 牆壁和窗戶的U值。
  • 窗戶與牆壁的比例。
  • 遮陽設計。
  • 使用太陽能隔熱窗膜來阻擋熱量。
重點提要

要使建築物更具能源效益，我們希望將熱傳送降至最低。這可以透過使用低U值的材料，並將建築物設計成具有低OTTV來實現。


2. 更環保的交通

車輛是主要的能源消耗和污染來源。

電動車 (EV) vs. 燃油車
  • 燃油車：內燃機燃燒汽油或柴油。這個過程效率很低。燃料中只有約20-30%的能量真正用於驅動汽車；其餘的都以廢熱形式流失了！
  • 電動車 (EV)：使用電池驅動電動機。主要部件包括電池組、變頻器和電動機。電動機效率極高，電池中超過90%的能量用於驅動車輪。

混合動力車同時使用電動機和汽油引擎，結合了兩者的優點。

你知道嗎？

由於電動車的效率高得多，即使為它們充電的電力來自燃燒煤炭，整體「從發電到行駛」的效益仍然可能比汽油車更好。公共交通工具，例如港鐵，由於能同時載運大量乘客，因此效益甚至更高。

重點提要

電動車比燃油車具有更高的終端能源效益，因為電動機比內燃機的效率高得多。

丙部：可再生與不可再生能源

我們所有的電力從何而來？讓我們看看這些能源來源及其影響。

1. 能源種類

  • 不可再生能源：這些能源是有限的，最終會耗盡。一旦我們使用它們，它們就消失了。它們也是空氣污染和氣候變化的主要原因。
    例子：化石燃料（煤、石油、天然氣）、核燃料（鈾）。
  • 可再生能源：這些能源會自然補充，不會耗盡。它們通常對環境更潔淨。
    例子：太陽能、風能、水力（水）、地熱能（地球熱力）。

2. 深入了解能源

核裂變

核電廠利用核裂變。一個大的不穩定原子核（如鈾-235）分裂成兩個較小的原子核，釋放出巨大的能量。這可以透過結合能曲線來解釋，曲線顯示分裂一個非常重的原子核會產生更穩定的較輕原子核，而能量差異會被釋放出來。

裂變反應堆透過以下方式控制鏈式反應：

  • 慢化劑：減慢中子速度，使裂變更容易發生。
  • 控制棒：吸收中子，以控制反應速率或終止反應。
  • 冷卻劑：將產生的熱量傳遞到產生蒸汽以驅動渦輪機的系統。
太陽能

太陽常數是到達地球大氣層頂部的太陽能量。它約為1360 瓦特／平方米。

太陽能電池（光伏電池）將太陽光直接轉換為電能。它們是衛星的電源，並且在地球上變得越來越普遍。

風力發電

風力發電機就像一個反向運作的風扇。風推動葉片，轉動發電機來產生電力。

風力發電機可產生的最大功率由以下公式給出：

$$ P_{max} = \frac{1}{2} \eta \rho A v^3 $$

當中：

  • $$ \eta $$ 是風力發電機的效率。
  • $$ \rho $$（rho，希臘字母）是空氣的密度。
  • $$ A $$ 是葉片掃過的面積 ($$\pi r^2$$)。
  • $$ v $$ 是風速。

重要一點：功率與風速的立方成正比 ($$v^3$$)！這意味著如果風速增加一倍，潛在功率會增加2³ = 8倍！這就是為什麼風力發電機要放置在風力非常強勁的地方。

3. 環境影響

我們的能源選擇會帶來後果。

  • 化石燃料：燃燒它們會釋放溫室氣體，例如二氧化碳 (CO₂)，這些氣體會將熱量困在大氣層中，導致全球暖化。它們還會釋放造成酸雨和煙霧的污染物。
  • 核能：它不產生溫室氣體，但會產生放射性廢料，這些廢料危險且難以安全儲存數千年。
  • 可再生能源：通常更潔淨，但它們也有自己的挑戰。太陽能和風能是間歇性的（沒有陽光或風時無法運作），而且大型項目可能佔用大量土地。

在香港，我們的電力主要來自天然氣發電、從中國大陸進口的核能，以及少量燃煤發電。

重點提要

能源主要分為兩大類：不可再生能源（化石燃料、核能）和可再生能源（太陽能、風能）。我們過度依賴不可再生能源正導致全球暖化等環境問題。未來在於轉向更潔淨的可再生能源。