能源

能量是什麼?

能量可以用來做功，比如可以用來烘烤麵包，可用來驅動汽車。能量可以表現為很多種形式。換句話說，能量可以從一種形式轉化成另一種形式。

　　宇宙中存在著各種形式的能量，包括動能，熱能，勢能，化學能等等。所有有生命的物種，包括人類，都需要從環境中獲取能量並且將它轉化為自身可以利用的形式，比如說用木材生火取暖，將木材的化學能轉化為熱能，又或者用化石能源來發電，將化石能源的化學能轉化為電能等等。

能源使用的歷史

人類的經濟和技術發展與能源的使用有著很密切關係。能源正朝向高能量密度的方向發展，例如人們從以往使用固態的煤，到現在逐漸轉變成使用液態的石油和氣態的天然氣等。
早在工業革命（18世紀）之前，我們的祖先就已經知道太陽和風是可以利用的能源了，而那時人類依賴的能源主要是人力和生物質能。大部分的工作均由勞動力手工完成，或者借助牲畜的力量，而生物質能（主要是木材）常用來取暖和烹飪。其他的能量來源，比如風車和水車在那時已經出現，但是這些應用形式所發揮的作用有限。

到19世紀中期，工業革命導致了能源使用方式的巨大改變，煤炭開始成為最主要的能量來源，煤炭最初用來推動蒸汽機做功，後來逐漸用於燃煤發電。
20世紀初期，雖然煤炭仍是最主要的能量來源，但是這種趨勢已經逐漸被能量密度更高的石油取代，這是人類能源使用方式的第二次重大改變。由煤到石油的改變，開創了內燃機和燃油輪船時代。隨著科學技術的日新月異，越來越多高效化石能源（比如說天然氣）和核能逐漸被人類開發使用。

預期21世紀能源使用形式將再次發生重大改變，由複雜的化石能源(如煤和石油)，向簡單的化石能源(如天然氣) 作轉變。因為科技的進步，已有越來越多的能源被人類開發利用，例如：

• 生物技術（例如從海藻中提取生物燃料）將使生物燃料使用量不斷增長。
• 核能，特別是核聚變（太陽的能量來源也是通過核聚變產生的）能源實現商業化之後，將對人類能源的利用產生巨大影響。
• 氫能，主要用於燃料電池，它主要用於小型可携式能量產生裝置中。

 

時間軸

我們怎樣使用能量？

我們生活的各方面都與能量有關。能量是我們宇宙最基本的組成部分。能量可以用來做功。對人類來說，能量的主要功能可以歸納為如下六類：

能量可以產生光

光能以波狀的形式傳遞。我們之所以能看見物體，是因為有光線進入我們的眼睛。光對植物也有非常重要，因為沒有光，植物就不能進行光合作用。

能量產生熱

日常生活中，我們使用熱能來取暖和烹飪。我們看不見熱量，但是能感受到熱量的存在。我們的身體，火爐和燈泡都不斷的向外界散發熱量。太陽是地球最主要的熱源之一。

能量產生運動

物體位置的改變就稱為運動。所有運動的物體都需要能量來驅動。沒有能量（燃料），汽車就不能在高速公路上行駛，天空的雲朵也無法飄動。

能量產生聲音

以聲波形式存在的能量處處可見。所有的聲音都源自於振動-即分子的前後運動。當聲波在空氣中傳播時，空氣分子沿聲波相同方向前後振動。振動使空氣分子不停地靠近和分離。聲能在氣體，液體和固體中以不同速度傳播。我們聽到的聲音就是通過空氣媒介來傳播的。

能量使萬物生長

所有生物都無時無刻在生長。生長需要消耗能量──即存儲在糖分中的化學能。對植物來說，太陽光的能量可以通過光合作用轉變為葡萄糖。然後植物以化學能的形式將能量儲存在葉子、莖、果實和根部。當我們進食植物，或者其他動物進食植物的時候，我們就可以吸收植物儲存的化學能。

能量支撐科技發展

能量可以用來做功。能量可以給工廠的機器和農場的拖拉機提供動力；可以驅動火車，汽車；可以用來啟動電腦和手機，從而與世界緊密聯繫在一起，相互交換資訊。總之，能量時時刻刻支撐和推動科技進步。

能量的形式

根據能量守恆定律，能量既不可能憑空產生，也不會消失。宇宙中能量總量是守恆的。在使用過程中，能量只是從一種形式，轉變為其他形式而已（例如家用的電暖爐，就是將電能轉變為熱能）。

化學能

化學能儲存於原子和分子的化學鍵中。正是由於這些化學能的存在，才使得這些粒子可以靠近在一起。當這些化學鍵斷裂後，能量就以不同的形式向周圍環境釋放。生物質能、煤、石油、天然氣和丙烷儲存的正是化學能。

機械能

機械能可以分為兩種形式：即動能和勢能。動能可以使小至電子，大至流星的物體改變位置。
物體憑藉位置的高低和距離的遠近來儲存勢能，或者說引力能。比方說，山頂上的石頭擁有引力勢能，被截留在水壩後面，水庫中的水也具有引力勢能。

核能

核能存在於原子核中。在兩個原子核相互碰撞，產生其他粒子的過程同時，巨大的能量將釋放到周圍環境中。鈾是一種用來產生核能的典型原材料。

熱能

熱能其實就是物質的內能。熱能的產生，源於物質內部原子和分子的振動和運動。物質的內能越多，物質內部原子和分子的振動就越劇烈。地熱能是熱能的一種。

輻射能

輻射能就是以橫波傳遞的電磁能。輻射能包括可見光，X射線，伽瑪射線和無線電波。太陽光是最常見的一種輻射能。

電能

電能是由於電子的定向運動產生的。所有物體都是由原子組成，原子又由更小的電子，質子和中子構成。當在導體兩端施加一個電壓，導體內部的電子就會定向運動，並產生電流。閃電是自然界典型的電能例子。

能源的來源

能源可以分為兩類：初級能源和次級能源。初級能源（比如 化石能源）可以通過能源轉換過程轉變為次級能源，比如說由化石能源轉變為熱能、電能或其他形式的能源（例如精煉燃料）。此外，初級能源又可以再分為可再生能源和非可再生能源，後者仍然是目前的主要能源來源。

非可再生能源

煤，石油，天然氣，甲烷和鈾都是非可再生能源。這些能源之所以被稱為非可再生能源，是因為這些能源的儲量都是有限的。比方說石油，它是古代海洋動植物遺體，經過數百萬年的自然演化而形成的，是不可能在短時間內產生出來，因此稱為非可再生能源。在所有非可再生能源中，煤由於價格便宜，而成為當今世界用於發電的首選能源。

可再生能源

可再生能源包括生物質能，地熱能，水力能（包括潮汐能），太陽能和風能等。這些能源之所以稱為可再生能源，是因為它們可以時刻得到補充，並且對自然資源的影響比較小。目前，這些可再生能源主要用來發電。

能源的量度

根據能源的種類，和業界傳統的計量方法，能源可以採用不同的單位來度量。英國熱能單位(BTU)是各行各業最早採用的能源計量單位之一，直到現在仍然使用。而現今，以焦耳（能源的國際標準單位)作為能源計量單位越見普及。
能量可以從一種形式，轉變為其他形式，從而滿足最終用戶的需求。由於歷史原因，沒有一種能量計量單位可以廣泛的被所有人接受。根據能源等級和最終使用者的需求，計量單位可以是非常個別的。
對於低能量程度的活動，比如說與粒子相關的能量計量，一般採用電子伏特（等於1.602 x 10^-19焦耳）做單位。
對於日常生活方面的能量程度，一般使用千卡（又稱大卡，定義是等於將1公斤的水，溫度升高1^oC所需要的熱量）單位來計量。
大量能源量度，一般是按體積或者重量進行，因此也以體積或重量單位來進行計量。有些能量計量單位，比如說英國熱能單位，雖然也可以用來計量，但是在能源貿易時，這些單位顯得不夠大。因此，人們一般使用百萬英國熱能單位（1 x 10⁶英國熱能單位）和誇特英國熱能單位（1x 10¹⁵英國熱能單位）來度量。
初級能源的典型能量值如下

初級能源的能量值
煤	- 約250萬英國熱能單位／噸
原油	- 約560萬英國熱能單位／桶
油	- 約578萬英國熱能單位／桶
天然氣	- 約1,030英國熱能單位／立方尺
液態天然氣	- 約250萬英國熱能單位／桶

常用的能量單位包括：

• 英國熱能單位(Btu)：
  1個英國熱能單位等於將1磅的水溫度升高1華氏度所需要的熱量。它是用來計量燃料能量和產熱設備輸出功率的標準度量單位。
• 卡路里(Cal)：
  1卡路里等於將1克水溫度升高1攝氏度所需要的能量。
• 焦耳(J)：
  能量計量的基本單位。1焦耳定義為使用1牛頓力使物體沿力的方向移動1米所消耗的能量。
• 千瓦時(kWh)：
  千瓦時一般用來度量一段時間內電能的消耗量。用這個單位可以有效地計量家用電器（比如電冰箱）的耗電量。每月的電費帳單也是採用千瓦時來計量的。1千瓦等於1000瓦，1千瓦時就是一個功率為1000瓦的用電設備1小時的耗電量。
• 噸油當量：
  1噸油當量表示燃燒一噸（1000公斤）或者7.4桶石油所獲得的能量。1噸油當量等價於1270立方米天然氣或者1.4噸煤所蘊藏的能量，即41.87千兆焦耳（GJ）或者11.63兆瓦時能量。

功率的度量

功率是指能量消耗的速度。功率的度量單位有馬力和瓦特。和能量的單位一樣，功率的單位也可以相互轉換。

• 馬力：
  馬力是功的單位。這個單位最初用來度量將煤從煤礦中提升上來所需要的能量。為了更好的理解馬力這個單位，可以做如下的換算，即1馬力等於將33000磅的物體在1分鐘內提升1英尺所做的功。
• 瓦特：
  瓦特是功率的單位，表示在特定的時間內，能源消耗的速度。1瓦特等於每秒1焦耳。

能量單位換算
1 卡路里	= 4.1868 焦耳
1 英國熱能單位	= 1,055 焦耳
	= 252 卡路里
1 千瓦時	= 3.6 x 106 焦耳
1 兆瓦時	= 3.6 x 109 焦耳
1 千兆瓦時	= 3.6 x 1012 焦耳
1 噸油當量	= 4.1868 x 1010 焦耳
1 百萬噸油當量	= 4.1868 x 1016 焦耳