可再生能源與不可再生能源
各位同學好！歡迎來到今日物理學中一個非常重要的課題：我們如何為世界提供動力。能源無處不在，小至為手機充電，大至照亮整個城市。在這些筆記中，我們將探討獲取能源的不同方式。我們會探討那些終有一天會耗盡的能源（不可再生能源），以及那些源源不絕的能源（可再生能源）。了解這些對你來說至關重要，不單是為了考試，更是為了理解我們地球的未來。現在就讓我們開始吧！
兩大類別：可再生能源 與 不可再生能源
想像一下地球的能源資源就像一趟長途旅行中的零食。有些零食吃完就沒了，永遠不會再有。而有些卻能每天神奇地補充！這就是不可再生能源和可再生能源之間的主要區別。
不可再生能源
這些是「有限的零食」。它們是天然資源，無法以等同我們消耗的速度，通過自然方式輕易地補充。它們是由古代有機物經過數百萬年形成。
主要特點：
• 它們是有限的（總有一天會耗盡）。
• 它們從地下開採出來。
• 燃燒它們通常會釋放有害污染物和溫室氣體，例如二氧化碳（CO₂）。
例子：
• 化石燃料：這是主要類別，包括煤、石油和天然氣。
• 核燃料：例如鈾等材料是從地球開採出來的，也是有限的。
可再生能源
這些是「會神奇補充的零食」。它們是可以在人類時間尺度內自然補充的能源。太陽會繼續發光，風會繼續吹拂！
主要特點：
• 它們是取之不盡的，或者可以相對快速地補充。
• 它們通常更清潔，對環境的影響也較小。
例子：
• 太陽能（來自太陽）
• 風能（來自流動的空氣）
• 水力發電（來自流動的水）
• 其他例子包括地熱能（來自地球內部的熱量）和生物質能（來自有機物）。
重點提示
最大的區別在於補充的速度。不可再生能源的消耗速度遠遠快於其形成速度，而可再生能源則是不斷或非常快速地補充。
我們的明星選手：太陽能
太陽是地球上大多數能量的最終來源。讓我們看看如何利用它那不可思議的力量。
太陽常數
地球每秒從太陽接收到大量的能量。為了測量這個量，科學家們使用一個稱為太陽常數的數值。
定義： 太陽常數是指在地球與太陽的平均距離處，每秒落到1 平方米面積上的太陽總能量，測量位置為地球大氣層之外。
• 它的數值約為 1400 W m⁻²（或 1400 J s⁻¹ m⁻²）。
• 為什麼是在大氣層之外測量？ 因為我們的大氣層會反射和吸收部分能量，所以實際到達地面的功率會減少。
利用太陽常數解題：
物體（例如衛星上的太陽能板）所接收到的總功率 (P) 等於太陽常數 (I) 乘以其面向太陽的面積 (A)。
公式： $$P = I \times A$$
例子：一顆衛星的太陽能板總面積為 8 m²。它們在太空中會接收到多少太陽功率？
解： P = I × A = 1400 W m⁻² × 8 m² = 11200 W。
太陽能電池如何運作
太陽能電池（或稱光伏電池）有著不可思議的功能：它能將陽光直接轉化為電力！
運作過程（簡化版）：
1. 陽光（由稱為光子的微小能量包組成）照射到太陽能電池上。
2. 這些光子會將電池半導體材料中的電子從原子中撞擊出來。
3. 這些被釋放的電子流動，產生電流。
能量轉換： 光能 → 電能
重點提示
太陽提供了源源不絕、強大的能量流（以太陽常數衡量）。太陽能電池能將這種光能直接轉化為有用的電能。
捕捉微風：風力發電
風只是流動的空氣，由於它具有質量並且正在移動，因此它具有動能。風力渦輪機的設計目的就是捕捉這種能量。
風中的功率
風力渦輪機能夠產生的功率取決於幾個關鍵因素。讓我們看看這個公式。別擔心，我們會為你逐一解釋！
最大功率公式： $$P = \frac{1}{2} \eta \rho A v^3$$
讓我們來解讀一下各個項：
• P 是產生的功率（單位為瓦特）。
• η (eta) 是渦輪機的效率。它代表風的動能成功轉化為電能的百分比（以小數表示）。沒有渦輪機的效率能達到 100%！
• ρ (rho) 是空氣密度（單位為 kg m⁻³）。通常約為 1.2 kg m⁻³。
• A 是渦輪機葉片掃過的面積（單位為 m²）。如果葉片長度為 r，則面積為 $$A = \pi r^2$$。
• v 是風速（單位為 m s⁻¹）。
超級重要提示：請注意 v³！這意味著風速是迄今為止最重要的因素。如果你將風速加倍，可利用的功率會增加 2³ = 8 倍！這就是為什麼風力發電場都建在風力強勁的地方。
重點提示
風力渦輪機將風的動能轉化為電能。產生的功率對風速（與 v³ 成正比）和渦輪機葉片的大小（與面積 A 成正比）極為敏感。
順水而行：水力發電
水力發電利用流動水的能量，通常是從高處向下流動的水。
能量轉換過程
水力發電的關鍵是將勢能轉化為電能。
1. 建造水壩以形成水庫，將大量水儲存在高處。這些水具有重力勢能（GPE）。
2. 水被釋放，並通過大型引水管向下流動。當水下落時，其重力勢能轉化為動能（KE）。
3. 快速流動的水衝擊並轉動渦輪機的葉片，將水的動能轉化為轉動渦輪機的機械能。
4. 渦輪機連接到發電機，發電機將機械能轉化為電能。
能量鏈： 重力勢能 (GPE) → 動能 (KE) → 機械能 → 電能
計算水力發電功率
可獲得的功率是水損失重力勢能的速率。
公式： $$Power = \eta \times \frac{\Delta E_p}{t} = \eta \times \frac{mgh}{t}$$
• η 是系統的總體效率。
• m/t 是水的質量流量（每秒流過的水量，單位為公斤）。
• g 是重力加速度（約 9.81 m s⁻²）。
• h 是水下落的垂直高度差。
重點提示
水力發電是透過使用渦輪機和發電機，將儲存在高處水的重力勢能轉化為電力來產生。
原子之心：核能
核能是從原子核中釋放出來的能量。這主要有兩種方式：裂變和聚變。
束縛能與穩定性
束縛能是將原子核結合在一起的能量。你可以把它想像成質子和中子的「膠水」。原子核越穩定，每個核子（質子或中子）所需的束縛能就越多。
束縛能曲線是一張顯示不同元素每核子束縛能的圖表。
• 對於非常輕的元素（如氫），束縛能較低。
• 束縛能會上升到鐵（Fe-56）處達到高峰，鐵是原子核最穩定的元素。
• 然後對於非常重的元素（如鈾），束縛能會緩慢下降。
當反應的產物比反應物更穩定（在曲線上位置更高）時，能量就會被釋放。
• 核裂變：一個非常重的原子核（例如：鈾-235）分裂成兩個較小、更穩定的原子核。由於產物在束縛能曲線上位置更高，因此會釋放出巨大的能量。這就是核電站中發生的過程。
• 核聚變：兩個非常輕的原子核（例如：氫的同位素）結合形成一個更重、更穩定的原子核。同樣地，由於產物在曲線上位置更高，因此會釋放出大量的能量。這是為太陽提供動力的過程。
核裂變反應堆的內部結構
核電廠會控制裂變過程以產生熱能，然後像化石燃料發電廠一樣（透過產生蒸汽來轉動渦輪機）生產電力。
主要部件：
• 燃料棒：包含可裂變材料，通常是鈾-235。
• 慢化劑：一種包圍燃料棒的材料（例如水或石墨）。它的作用是減慢裂變產生的快中子。慢中子在引起其他鈾原子的進一步裂變方面更有效，從而使鏈式反應得以持續。
• 控制棒：由吸收中子的材料製成（例如硼或鎘）。這些控制棒可以升降進出反應堆核心。降低它們會吸收更多中子，減慢鏈式反應。提升它們則會加速反應。它們對於控制反應堆的功率輸出以及關閉反應堆至關重要。
• 冷卻劑：一種流體（通常是水），通過反應堆核心泵送以吸收裂變產生的巨大熱量。這種熱冷卻劑隨後用於在獨立的迴路中將水煮沸，產生蒸汽以驅動渦輪機。
重點提示
當原子核變得更穩定時，核能便會釋放出來。裂變會分裂重原子核，而聚變則會結合輕原子核。裂變在反應堆中受到控制，利用燃料棒、慢化劑、控制棒和冷卻劑來發電。
我們的選擇舉足輕重：能源對世界的影響
沒有一種能源是完美的。我們對能源的選擇對環境和社會都有著巨大的影響。
環境影響
• 化石燃料：燃燒它們是造成溫室效應和全球暖化的主要原因。釋放出的二氧化碳就像一層毯子，將熱量困在大氣中。它們還會導致空氣污染和酸雨。
• 核能：它不會產生溫室氣體。然而，主要的挑戰是放射性廢料的安全處置，這些廢料在數千年內仍然具有危險性。此外，也存在事故風險。
• 可再生能源：雖然清潔得多，但它們也有缺點。水力發電大壩可能會破壞生態系統，而大型太陽能或風力發電場則需要大量土地。
香港的能源消耗
香港是一個能源需求龐大的大都市。
• 我們大部分電力來自化石燃料（天然氣和煤）以及從大亞灣核電站進口的核電。
• 由於香港本身沒有天然能源資源，我們嚴重依賴進口燃料。
• 這些能源的具體用途是為我們的建築物（照明、空調）、交通系統和工業提供動力。
• 香港越來越注重提高能源效益和探索可再生能源方案，以減少我們的環境足跡。
重點提示
每一種能源都有其環境和社會影響。全球的挑戰是如何負責任地管理轉型，逐步轉向更清潔、更可持續的能源。在香港，這意味著要著重於提升效益，並妥善管理我們對進口化石燃料和核燃料的依賴。