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能源物语1998年10月能源物语目次序第一章 能量是什么？第二章 电是什么？第三章 发电机、涡轮机、发电厂简介第四章 地热能第五章 化石燃料煤、石油、天然气第六章 水力第七章 核能第八章 海洋能第九章 太阳能第十章 风能第十一章 生质能第十二章 输电系统第十三章 天然气配送系统第十四章 交通运输用的能源第十五章 节约能源结论前言能量是我们整个宇宙动力来源的一部分。我们就是用能量来工作的，或者比较正式的说我们用能量来做功。能量，它照亮了我们的城市，让汽车和火车会跑，让飞机和火箭会飞，在天气冷的时候温暖了我们的家，让我们能煮好吃的饭菜，让我们能用音响播放好听的音乐，让我们能用电视机看到许多节目和画面。能量也带动了工厂中的机器，让机器工作。能量的意思就是在说那个让你我能做功的无形的东西。因使用能量所以能进行工作。我们的身体把我们所吃下的食物转变成能量，然后当我们在走路或跑步的时候，再燃烧这些能量，让我们做功。还有，当我们在思考、阅读、或写字的时候，我们也同样是在做功喔！汽车、电车、飞机、船、还有机器，它们也都需要能量才能运转、工作，少了能量便动不起来。用比较简短、正式的话来说就是它们都在消耗能量，并把能量转变成为所做的工作了。功的意思是指让东西移动、抬升、加温、发亮等的行为。不过这些只是许多不同形态的功里面的少数几个例子而已。接着让我们想想，能量是从哪儿来的呢？我们已发现能量有许多的来源，或者说我们发现有许多的能源。在这里我们将要看看那些让这世界做功的能量。能量对我们的日常生活而言是相当重要的一部分。我们将要看看以下几种不同形式的能量：l 地热能l 化石燃料煤、石油、和天然气l 水力和海洋能l 核能l 太阳能l 风能l 生质能在我们探讨电能的这一部分时，我们也将介绍一下涡轮机和发电机的大概，以及我们是如何把电能传送给大家使用，和我们应该如何来节省能量的消耗。第一章 能量是什么？能量让我们周遭的事物不断的进行着。抬头望一望窗外，白天里太阳散发着光和热能，夜晚时电能让路灯发光照亮着街道。再瞧一瞧你家中或学校的汽车，它所使用的能量来自汽油，是一种可储存的能量。食物中含有许多能量。我们人类就是靠着吃这些食物来获取能量，使得我们能够玩耍或读书。每一件事情的发生都需要能量。而能量依照它所处的状态可以分成两种，那就是物体移动中所具有的那股运动的能量，以及储存起来、蕴藏着的能量两种。储存起来、蕴藏着的能量叫做位能。物体移动中所具有的那股运动的能量叫做动能。现在让我们举例说明这两种不同的能量。假设桌上现在有一枝铅笔，如果你把它推出桌面让它掉到地上，那么在掉落的过程中它是在移动的，它所用的就是动能。接着，如果你把这枝铅笔从地上捡起放回桌面，这个搬移的动作用的是来自你身体中的能量。把这枝铅笔从地上捡起来也就是给它注入了能量。当它被放在桌上时它所具有的就是位能，也就是说刚刚捡起它的时候所注入的能量被储存起来了。它被放得越高则所能坠落的距离就越长，所以只要你举的越高它的位能就越多。如果你用点力气把一条橡皮筋拉长则它便具有了位能，接着把它弹射出去则它就动了起来，也就是说它变成具有动能。但是可不要拿去射人喔！我们可用几个不同的方式来测量能量。Btu代表的是英制热单位，它是一个基本的测量单位。Btu的定义是这样的，在海平面的高度让一英磅的水，温度上升华氏一度所需要热能的量叫做一个Btu。一个Btu大约等于：燃烧一根火柴棒一千Btu大约等于：一条普通的糖果棒、五分之四个奶油花生酱三明治而煮一壶咖啡大概须要2000Btu。焦耳（joules）也是个测量能量的单位。一千焦耳等于一个Btu。1000 joules1 Btu所以啦，煮一壶咖啡大概须要两百万焦耳的热才行啰！焦耳被世人用来命名做这个测量单位的名称，是在一位英国物理学家James Prescott Joule去世以后的事。这位物理学家生于1818年，死于1889年，他发现热是一种能量的形式。一焦耳的能量可以让一英磅的东西抬高大约九英吋左右。全世界各地的科学家们通常都用焦耳做为能量的测量单位而不用Btu，这就好像人们多用公尺、公斤等公制系统的单位，而鲜少用英制单位系统中的英呎尺、英磅。如同其它的公制单位，你也可以衍生出千焦耳（kilojoules）这样一个较大的单位来使用。1000 joules1 kilojoule1 Btu吃一片奶油土司大约你可以获得315千焦耳的能量。用这些能量你可以完成下列六件事中的任何一件：慢跑六分钟、骑单车十分钟、快步走十五分钟、睡觉一小时又三十分钟、让一部小轿车以每小时八十公里的速率（大约等于每小时五十英哩）跑七秒钟、点亮一盏六十瓦特的灯泡一小时又三十分钟我们只能把能量做形式上的转变，也就是说把它从一种形式转变成另一种形式，事实上，我们没办法产生能量，也没办法消灭能量。以下是一些能量形式转变的例子。储存在闪光灯电池中的能量在亮灯的时候转变成光能。食物中的能量以化学位能的形式储存着。吃下食物后，我们的身体用这些存在食物里的能量来工作，变成动能。如果你吃得太多，这些过多的食物所带来的能量会再以位能的形式储存起来，也就是变成脂肪。当你在讲电话的时候，你的声音透过电话机转变成电能，在另一端听电话的人则经过电话机再把这电能转变回声能传入耳朵中。车子利用储存在汽油中的化学能来开动。这是因为汽车引擎能把这化学能转变成热能和动能来带动车子，使车子开动。烤面包机把电能转变成热能。电视机把电能转变成光能和声能，所以我们可以看到画面又听到声音。热能热是一种能量的形式。我们用热能可以做很多事，例如用来温暖我们的房间和做饭煮菜。热能可以靠下列三种方式来移动：1. 传导2. 对流3. 辐射传导就是说能量经由某一东西传到另一东西而移动。假如你用一根金属汤匙去搅拌在炉子上的一锅热汤，则这根汤匙会越来越烫。这就是因为热汤把热能传导给温度比较低的汤匙所造成的。金属是热的良好导体，其它一些像木头或塑料等的材料就不是热的良导体。这类不良导体称做绝缘体。这也就是为什么锅子通常本身是金属做的，而手把却是用坚固的塑料来做的原因。对流就是指气体或液体从较冷的地方向较热的地方流动的现象。上一个例子中的锅子如果是利用透明玻璃做的，则我们便可以看到汤在锅中的对流运动，看到在锅底较靠近炉火的热汤往上流到较冷的顶部，而顶部较冷的汤则流往较热的底部去替补。此一对流是以一环状路线的外观在锅子里进行着。风通常就是因对流所造成的。在白天，水面上的冷空气吹向陆地以填补陆上因热而上升的暖空气所腾出来的空间。在晚上，风向刚好相反，因为此时水面上的空气较热。辐射是热能运动的最后一种方式。太阳的光和热没办法用传导或对流的方式传到地球表面，因为太空中几乎是呈现真空的状态，太空中没有东西可以把能量从太阳传送到地球上来。太阳光以直线方式行进并称之为热线。当能量以这种方式移动时就叫做辐射。当太阳光照射到地表时，这些辐射热线一部分将被吸收而另一部分则被反射回太空。地表较暗的地方吸收较多的阳光，而明亮的地方反射的较多。所以啦，在夏天如果你穿件浅色或白色的外衣你会感到比较凉快！这里我们学到了：1. 能量就是让我们大家能够工作的那个无形的东西。2. 我们发现到有两种类型的能量存在着，也就是动能和位能。动能是物体运动中所具有的能量，位能则是储存起来的能量。3. 能量可用一些单位来测量，其中两种常用单位是Btu和焦耳。4. 我们不能制造能量也无法消除能量，只能让能量做形式的转换。5. 热能靠传导、对流、和辐射来传播。第二章 电是什么？你我的日常生活中经常需要用电。例如闪光灯和掌上型电动玩具需要用电，它们使用的电能是从电池中的化学能转换而来的，另外还有一些其它的东西所用的电则是来自于墙壁上的插座。不过，插座上的电是从别的地方送过来的喔！它是经由电线传送到你家的。咦，电线又不像管子中空的送水管，它到底怎么能够输送电能的呢？电又是如何从发电厂发出一路到达你家的呢？在第一章里面我们曾说过能量是可以传播的，例如在火炉上的汤锅经由传导的方式把热能传给锅子里的汤。现在我们要探讨的是电，它也是可以传播的。电这个字有几个不同的意义和使用场合，有文学上的、休闲娱乐的、科学的等等。在这里的话题中我们说电是一种能量形式，或是说电是一种把能量从一个地方传送（或说转移）到另一个地方的现象。简单粗略的说，电就是一种能量的流动现象。当一个小孩子说：妈咪，停电了！，这是我们一般简便的说法。他当然也可以这么说：妈咪，能量现在没有以电的形式经由输电线流过来，家里的许多电器不能动了。以上这两种不同的说法其实都在表达相同的一个事件，只不过后者比较啰唆、比较复杂罢了。在此我们说电是一种能量形式，同时也代表这个携带能量、传播能量的过程和现象。现在你可以说出来电了的意思吗？那么电是如何流动的呢？接下来我们将要说明一下对这个问题的看法。我们说所有的东西、所有的物质都是由原子（atom）所组成的。而原子又是由一些更小的东西所构成的，其中之一便是电子（electron）。就像月亮绕着地球运行一般，电子它是环绕原子的中心在转动的，或是说绕着原子核（nucleus）转动。原子核是由中子（neutron）和质子（proton）所组成的，电子则是绕着原子核在外头旋转、飞行。我们说一个电子带有一个负电荷，一个质子带有一个正电荷，而中子是中性的，不带正电荷也不带负电荷。电荷的意思是说带电的、载电的，电荷分有正型和负型两种。当然你也可以说成一个电、两个电，只不过使用电荷听起来好像比较文雅罢了。有些种类的原子中的电子运转得比较放荡、比较没有拘束，所以这些电子就容易从一个原子漂移到另一个原子，此时这些电子的流动就形成了一般所谓的电流啰。那么电线呢？电子在电线中从一个原子往下一个原子前进、漂移着，一步一步的就从电线的一端流到另外一端啰，电也就因此从电线的一端传送到另一端啦！简单吧！利用电线就可以让发电厂发出的电一路传送到你家了。电流在不同的物质材料中具有不同的流畅程度，我们用电阻来表示材料导电的流畅程度。电线电阻的大小取决于它有多粗、多长，以及它是用什么材料做的。电阻越低导电性越好。大多数的电线都是用铜做的，因为它的电阻比很多其它的金属低。在你的桌灯里、你家的墙壁里、还有其它很多地方的电线大多都是用铜做的。这股推动电子漂移的力量叫电力，一般我们使用伏特（volt）来测量与表示。电力这个词儿还有别的含意及使用场合，将来如果碰上时再详细说明。一般而言，在美国和台湾的住家中，我们均用110伏特的电力来供给各种家电器具使用，其它如干衣机、烤箱、冷气机等一些用电量较大的电器则使用220伏特的电力来带动。不过有些国家的住宅用电则全是使用220伏特电力。电池中含有化学能。在电池中进行的化学反应可以产生电荷，然后当电池两端被连接起来形成一个通路时，这原本储藏着的化学能就转变成电能释放出来了。刚刚我们用电线把电池两端连接起来而形成的通路，在电学上我们给它叫做电路（circuit）。现在你可以在这电路中加装个小灯泡和开关，让灯点亮，则这个小灯泡便可以把电池提供的电能给变成光能和热能。电阻会给电流造成摩擦、阻挠，又热会因为这样的摩擦而产生。电阻越高就越容易发热。你想到什么了吗？对了！你可以做一个发热用的零件，或说是组件，接到电路上去用。例如吹风机里那个缠绕得像弹簧般会发烫的电线，我们叫它作线圈，就是因为它的电阻很高所以会很烫。你也可以在电路中，不一定是刚刚那个电池电路，换装个电动马达来使用。怎么做呢？我们简单的介绍一下吧。电动马达会转动、工作全靠的是电磁感应的现象。首先我们把一个线圈放置在磁铁的南北两极之间。然后让这个线圈通电，则它会产生另一个磁场，而线圈本身就好像是一个有南北两极的电磁铁。此时固定的磁铁的北极会吸引线圈的南极，而又会排斥线圈的北极，所以线圈就会转动啰！经过精心设计电动马达的线圈部分可以不断地被吸引与排斥，也就可以不停地转动了。另外还有一种形式的电能叫做静电。它并不像前面谈过的那种电一样会流动，它只是静静的待在一处，所以叫做静电。让我们做个实验来对静电多一点了解。如果拿一个气球在你的毛线衣或头发上摩擦一会儿，然后再把这气球贴靠到墙壁上去，将手放掉，则发现它自己会吸附在墙壁上。现在如用上述同样的方法摩擦两个气球，然后用细线把它们分别吊起来并试着让它们靠在一起，则此时你会发现似乎有股力量要使它们分开。这个摩擦气球的动作能使气球带有静电。在你刚刚的摩擦过程中，气球从你的毛线衣或头发上沾染捡取到些许额外的电子，因而使它呈现出轻微的带负电现象。此时气球上的负电荷跟墙壁里的正电荷会互相吸引，因此气球也就能自己吸附在墙上了。那用细线吊起来的两个气球都带有负电荷，而负电荷对负电荷或是正电荷对正电荷总是互相排斥的，所以它们会分开，不能靠在一起。静电也会产生电击、触电的现象喔！举例说明，如果你是拖着脚跟走在地毯上，并且用你的身体去触碰某个金属物品，则你会发觉你的身体和这金属物品间会有火花跳动。拖着脚跟在地毯上走路，会让你的身体获取更多的电子，并且这些额外的电子会散布在你全身，接着当你用手去触碰如金属门把或其它一些带有正电荷的东西时，这些电荷会在你尚未真的接触到东西以前，就会先跳过那些微的细缝而到达那东西上面，因此也就出现了小火花，也可将它称作放电。当你在有空调、地毯环境里触摸计算机外壳时即容易产生放电现象，计算机有可能因此受损，所以在你走过地毯后，必须记得先摸摸别的东西然后再去碰计算机。在一个雷电交加的暴风雨当中，我们也可以发现有静电现象。云层中的大量冰晶互相的摩擦使得该云层带有大量的静电，然后该云层与地面或其它云层间放电时就会出现闪电啦！其实闪电跟我门先前说过的静电放电小火花是一样的，只是闪电是很大很大的火花罢了。在这里我们学到了：1. 电是能量从某一处流动到另一处的现象。2. 电子环绕着原子核运转，又某些种原子对其电子的束缚力量较小，使得其电子较容易在原子间流动。当这些电子在流动时也就生成了所谓的电流。3. 在某些材料中电可以流通传播得比较顺畅。像铜就是电的良好导体。4. 推动电子漂移的力量叫电力，我们用伏特来测量与表示。5. 电池中含有化学能。用导电体连接电池的正负两极形成一电路，可让电流流动。6. 静电不会移动，但是它却有力量可以让气球黏在墙壁上。闪电也是静电造成的喔！第三章 发电机、涡轮机、发电厂简介从第二章那儿知道了我们可以利用电线把电导引过来给电灯、电视、计算机等电器使用。但是，在供电的源头那边电是怎么产生的呢？这章里我们要谈谈发电厂（power plant）是如何发电的，而再接下来的几章我们会看到许多用来发电的能源。在第十一章我们还会介绍一下怎么把电从发电厂送到学校、办公室、和家里。大多数的发电厂都有个锅炉在那儿燃烧燃料并且发出热量，再用这热能把锅炉里的水煮沸产生蒸汽。接着，这些蒸汽将以高压经由管路喷向涡轮机（turbine），推动涡轮机旋转。然后，以转轴和涡轮机相连接的发电机（generator）也就跟着被带动起来了，于是这以机械旋转的动能就被发电机转变成了电能。因此，电能就在发电厂产生了，再来就可以准备把电输送到需要用电的各个地方啰！接下来让我们分别看看发电厂一些主要的构成部分。锅炉通常是用木柴、煤、石油、或天然气做为燃料来燃烧发热的，在锅炉中燃烧的火焰上方装设有一列一列的金属水管。这些水管受热后再把热能传导给在管中流通的水，把水加热变成蒸汽，再喷向涡轮机。在我们的日常生活中，水在华氏温度为212度（或说是摄氏100度）的时候沸腾变成蒸汽。但是从锅炉送出来推动涡轮机的蒸汽的温度更高，压力也大得多。涡轮机外观跟电扇有点类似，但二者并不相同。在涡轮机的转轴上有许多的叶片，就如同电扇有叶片一样。当蒸汽吹向涡轮机的叶片时，转轴也就被带动旋转起来了。当蒸汽通过涡轮机以后就会被引导到一个叫做冷却塔（cooling tower）的地方，蒸汽在此冷却变成水。当引导蒸汽的热管子在冷却塔里接触到冷空气时，冷空气中所含的水气（或者说水分）会因为被加热而变成蒸汽，这蒸汽就是我们看到在冷却塔上头飘动的白雾。注意，冷却塔上飘动的蒸汽跟在管子里面的蒸汽二者是没有关联的。管子里的蒸汽被冷却成水以后就会再次流入锅炉中加热。然后这样的过程就一次又一次的重复进行着。在美国大多数的发电厂以燃烧天然气做为发电用的能源。燃烧天然气来发电是比较洁净的，比较没有污染。有些发电厂则是使用核能做为发电能源，即核能发电。另外还有一些是直接利用来自地表下面的蒸汽或热水来发电的，不需要再燃烧什么燃料。在往后的几章里我们会仔细介绍这些能源。现在我们来看看发电机。发电机的转轴跟涡轮机的转轴是相连接的，所以涡轮机转动时则发电机也就跟着转动。发电机的转轴是个会转动的部分，而发电机还有另一个部分是固定的、不转动的。如把发电机的转动部分绕上电线，固定部分放置一个磁铁，然后当转轴开始转动时，则那缠绕的电线中便产生了电流。电也就发出来了。于发电机的转轴上随便缠绕电线并不表示就都能发电，在此我们暂不讨论怎么绕线，目前的重点是要你知道当一条电线或导电材料在一个磁场中移动（或说切割该磁场），则在那导电体中便会产生电流。你是否觉得发电机好像是个倒过来用的电动马达呢？喔对了，顺便一提，电动马达有时也叫电动机。电动机它主要是消耗电能而开始转动，而发电机则是把涡轮机转轴传来的动能转换成电能而发电。二者就好像是倒过来的关系！电能从发电厂的发电机那儿产生，然后就送上长长的输电线，藉由输电线把电从远方的发电厂传送到学校、办公室，还有我门的家里。如果你想要明白有关输电线的介绍请翻到第十一章。在这里我们学到了：1. 锅炉燃烧燃料来把水加热煮沸变成蒸汽。2. 涡轮机靠那蒸汽来推动。3. 发电机则靠涡轮机的转轴来带动旋转。4. 有许多种燃料可选用，但是不同设计的锅炉要使用不同的燃料。5. 当一条电线或导电材料在一个磁场中穿越、移动，则在那导电体中便会产生电流。第四章 地热能自从地球生成以后，地热能就一直存在着。地热能的地字表示地球的意思，所以地热能也就是地球热能。你应该看过切成对半未剥壳的咸鸭蛋吧？地球的构造跟这咸鸭蛋就有些相似。地壳就好比是那蛋壳，地涵就好像是蛋白，而地核就好像是蛋黄啰。在靠近地壳处上部地涵的岩石是炽热、熔融状、有流动性的岩石，叫做熔岩。地壳便是漂浮在这些熔岩之上。当熔岩流经地层的裂缝从火山那儿喷出地表来，这叫做火山爆发，喷出的熔岩改叫做岩浆。往地球里每深入100公尺，岩石的温度就上升大约摄氏3度。或者也可以这么说，每往地球里深入328英呎，温度也就大约上升华氏5.4度。在地表下深处有时候水会流向炽热的岩石而变成滚烫的热水或蒸汽，这些热水可达到摄氏148度或华氏300度的高温。这可是比你在家里煮的开水还要烫呢！当这些地下热水透过地层裂缝流出地表来的时候，我们称之为喷泉或温泉。有些人拿这些温泉水加在游泳池里游泳，或加在按摩浴缸里洗温泉浴。这些来自地表下的热水也可以被利用来温暖温室中的环境以让植物成长。在某些地方，例如在美国南加州的San Bernardino，在冬天人们利用这些地下热水温暖他们的房屋。他们利用数英哩长的绝热水管把热水引导到需要的建筑物去，像是城市里的老人活动中心和一些其它的公共建筑物便是这样子来取暖的。在冰岛这个国家中最少有25座活火山，另外还有许多的温泉。他们有很多的房屋甚至于游泳池全是利用地热水来加温的。美国加州现有14个地点运用地热发电，其它地方不是因为地热资源不够充沛或是太过偏僻，不然就是因为水温不够而无法进行地热发电。以下是台湾主要已知的地热能源区：l 大屯山区l 宜兰清水地区l 庐山地区l 知本地区上述地区中有些地方具有相当充沛的蒸汽和热水，因而可利用来发电。在地热发电的地方你会发现我们在地上钻洞深入地底，然后再把水管插入洞中直到地下的热水里。就像你插吸管喝汽水一样，地底下的蒸汽或热水会经过这些插入的水管而流到地面上来。地下的蒸汽或热水被引出地底以后，我们就再用管子把它们引到地热发电厂去发电。如同一般燃烧燃料的发电厂一样，地热蒸汽被引导去推动涡轮机让涡轮机转动，又发电机和涡轮机转轴相连，所以发电机转动发电。地热蒸汽通过涡轮机以后也一样进入冷却塔冷却。前章我们曾经说过，在冷却塔上方飘扬的白烟并不是一般的烟雾，那是冷却过程中另外产生的蒸汽。我们可以将地热蒸汽冷却后凝结成的水再灌回地底下，让地球再次给它加温。加州的地热发电厂的发电量占全球地热发电量的一半，这般的发电能力足以供应大约两百万个家庭使用。电能产生后就接上长长的输电线，藉由输电线把电从远方的发电厂传送到学校、办公室，还有家里。如果你想要了解有关输电线的介绍请翻到第十一章。在这章我们学到了：1. 地球的里头有地核和热熔融状的地函，包在外面的是地壳。这看起来就好像咸鸭蛋一样。2. 上部地函是炽热、熔融状、有流动性的岩石，叫做熔岩。3. 在地球某些地方的地底下有水在炽热的岩石间渗流着，而这些水也就变得滚烫了。4. 我们可以建造一个地热发电厂利用地热水或地热蒸汽来推动涡轮机进而转动发电机来发电。5. 地热能也就是在说地球热能或地球产的热能的意思。6. 台湾本岛地区富有地热潜能地区。第五章化石燃料煤、石油、天然气化石燃料是从哪儿来的呢？化石燃料是一个分类的名称。煤、石油、和天然气是三种主要的化石燃料，也是最常见的三种化石燃料。它们形成于数百万年前恐龙的时代，所以有了化石燃料这个名字。化石燃料是由腐烂后的动物、植物遗骸所演变形成的。植物会把从太阳光获得的能量转变成另一种形式的能量储藏在体内，这种储藏在它们体内的能量便是它们的食物，而这个转变太阳光成为食物的现象叫做光合作用（photosynthesis）。接着，动物吃植物来获取能量，人类则吃植物和动物来获取能量而工作。那些古早的植物、恐龙、还有其它的动物死亡后，它们的遗骸开始腐化并渐渐地被土地所埋藏，就这样一代又一代、一层又一层深深的埋在地底。经过数百万年长时间的演变，这些藏有古代动、植物遗骸腐化后的成分的地层中便纷纷形成或出现了坚硬像石头般色彩焦黑的煤炭、浓稠黏滑液态的石油、以及天然气。在美国有很多地方的地底下均蕴藏有这些化石燃料，例如人们已在加州开采出石油和天然气。不同的化石燃料要用不同的方法来进行开采。地底下的煤矿埋藏得有深有浅，深的我们需要挖坑道进入地底开采，至于浅的、靠近地面的我们就直接露天开采、挖掘。在美国加州并没有发现煤矿，不过在其它的州却有丰富的蕴藏，所以加州的一些小型发电厂所要用的煤便是从外地运送过来的。我们接下来看看石油（oil或petroleum）的情形。为了要开采石油和天然气，我们首先要往地底下钻洞，一直钻探深入到矿床（deposit）为止。然后就在洞口上架设钻塔（rig）把石油或天然气从地底下打出来、抽取上来。打出地面以后通常就利用管路把它们输送到别的地方进行下一步的处置。加州58个县其中18个县发现有石油的蕴藏。Kern县是全美国最大的产油地之一，也就是Bakers油田的所在地。不过，加州自己的油井所出产的石油量只够供应加州一半的需求，不足的部分大多是由阿拉斯加的石油来供应，以及少数别的国家的石油。外地的石油是用大油轮装载经水路运送到加州的。刚从油井出来的黏稠乌黑的石油我们又称之为原油（crude oil），也就是还没有提炼、加工过的石油。我们平日真正在用的是原油经过提炼后的各项石油产品，而不是原油本身。原油提炼后可以做什么用途？对于已开采出来或已经过提炼但是还没有要用的原油或石油，我们会用很大的油槽把它们先储存起来。你知道吗？石油除了做燃料用以外还可以做成其它很多的产品，像是农耕用的化学肥料，人们常穿的雨衣，每天用的牙刷，装鲜奶的塑料罐，写字用的原子笔等，这些都是石油经过提炼加工后出现的产物。石油还可以做好几千种别的东西喔！几乎所有塑料原料成分都含有那个东西石油。现在，你是否也来说说几个从石油提炼而来的产品名称吧？在炼油厂里我们用加热的方式来提炼原油，原油会因为热的影响而分馏成许多不同的产物。这些在原油经过加热分馏后提炼出来的产物中有一部分就是我们的燃料用油。炼油厂提炼出的燃料用油有汽油、柴油、航空用油、船舶用油、家庭取暖用的燃油、及火力发电厂发电用的燃油等。美国加州约有74%的石油是消耗在轿车、巴士、卡车、摩托车、飞机等交通工具上的。于第十三章中我们将会谈到能源在交通运输方面的使用状况。接下来让我们看看天然气吧！天然气在加州也有出产，不过产量还是比需求量要小，所以就需要自别州和国外输入天然气供给使用。天然气比空气轻，甲烷是它最主要的成分。甲烷是一种简单的化合物，它由碳原子和氢原子所构成，化学表示式为CH4。天然气是非常易燃的，使用时特别要小心！通常在蕴藏有石油矿的地方附近也都会蕴藏有天然气。同样的，我们也是要把天然气从地底下打上来，然后再用长长的管子把它输送到别处。一般天然气是无色无味的，所以我们看不到也闻不到。因此天然气在被送进输送管路和储存槽之前会先混合一种化学物质，让它闻起来就像腐败的臭鸡蛋一样有股浓烈的味道。这样一来我们便可以轻易的察觉到天然气是否有外泄，也就比较安全啰！存放在储存槽中的天然气是经由铺设在地下的管路输送到你家的，使得你在家里就能用天然气煮饭烧菜。天然气在工厂里也有用途喔，所以也有送到工厂去的天然气。另外我们还有一些发电厂是燃烧天然气发电的，所以也要送天然气到发电厂。在第十二章里将有更多关于天然气管线的说明。为什么要节约使用化石燃料呢？化石燃料的生成需要数百万年甚至千万年的时间。你我现正在消耗的化石燃料便是六千五百万年以前恐龙时代就开始孕育的资源。一旦用光就没有了，它不会再回来。所以我们应该是不要轻易浪费化石燃料。它们是用了就不能再回收、不能再生的。又你也不会想要自力救济、自给自足吧，现在埋个骨头然后等个几百万年后再开采来用？要是那骨头最后没有变成燃料，那你怎么办？要节约使用化石燃料我们可从节约使用能源做起。在第十四章中将有更多关于节约能源的讨论。在这章我们学到了：1. 化石燃料是早在恐龙的时代就开始慢慢孕育形成的。当那时候的动、植物死亡后，它们腐化的遗骸埋在地层中随着时间而逐渐的变化，历经千百万年漫长的时间才形成了今天的煤、石油、天然气。2. 化石燃料通常都是蕴藏在地底下的，所以我们得要靠挖掘（像是煤矿）或钻洞抽取（像是石油和天然气）来开采它们。3. 我们用大型的输油管和油轮来把石油运送到工厂（例如炼油厂）去做加工、提炼的作业，以将石油制成各种石油产品。4. 有很多东西都是源自石油的，例如塑料制品和化学肥料就是。5. 石油矿（或说油田）的附近通常也都会蕴藏有天然气。6. 学校、办公室、和家里用的天然气均是经由长长的瓦斯管线接通才得以送上门来的。7. 化石燃料用掉了便不能再生、无法再造。第六章 水力山林中的雨水汇集成河川，从高处往低处流，最后通入大海，河川有能量可以给我们利用吗？如同在这之前我们曾经说过的，能量是推动进行一切事情、活动、工作的泉源，因为有使用能量所以能进行工作。流动中的水具有动能，我们可以利用来做些事情，所以河川或瀑布可以说是我们的一种能源。川流不息的河水在过去几百年来转动着水车为我们灌溉花草及研磨谷物。我们利用了河水流动所带来的能量。进展到今天，这股能量也能够用来发电了。水力就是指流动中的水所具有的那股能够推动物体工作的能量，而水力发电就是说藉由水力来进行发电的工作。水力发电简单说就是要把水流中的动能转换成电能来用。首先，我们可以在河道的某处建造水坝把水流引进水力发电厂。这种专为水力发电用的水坝跟一般水库的水坝并不一样，它不是用来蓄水，它只是要引导水流集中通过发电厂来发电而已。河水被引向发电厂后随即经由引水道（penstock）流到涡轮机那儿去推动涡轮机旋转。水力发电厂的涡轮机跟我们在第三章所看到的那些火力发电厂的涡轮机是差不多的，只不过推动火力发电厂涡轮机的是蒸汽，而在水力发电厂这边的是水。同样的，涡轮机转动后便带动发电机，也就可以发电了。接着就把这些电能输送到家中、学校、工厂或商场、或办公室啰！今天我们在主要河川和山区水库都能见到这些有用的水力能源。在这一章我们学到了：1. 水力就是在指水流中所含的动能。2. 水流可以用来推动水车磨谷子，也可以用来做水力发电。3. 让水流进涡轮机，使涡轮机转动并带动发电机，如此便能做水力发电。4. 在山地和平地河川的水坝一般都建有水力发电厂。第七章 核能现今我们的世界中有一种能源也是相当重要的，那就是原子里面所含有的核能。有一存在宇宙间的定律是这么说的，物质和能量既不能制造也不能消灭，但是可以有形式上的变换。另一方面，知名的科学家爱因斯坦（Albert Einstein）发现物质可以转变成能量，他并且用下面的数学式子来表示这个现象。在上面公式中，E表示能量，M表示质量，C表示光速（每秒3108公尺）。这也就是说，从某物质转变过来的能量等于该物质的质量乘以光速的平方。后来的科学家就是应用爱因斯坦写出的这条重要公式，才得以将原子的能量释放出来，并发明了原子弹。早在两千年前的古希腊时代，人们已认为自然界里最小的东西就是原子了，在他们那时候并不知道其实还有更小的东西存在。我们从前面第二章的介绍知道原子是由电子、质子、中子这些更小的粒子所构成的，质子和中子位在原子核里，而电子就好像地球绕着太阳运行那般的环绕在原子核外面旋转。下面我们来介绍核分裂（nuclear fission）。我们可以试着把原子核打破、分开来，这就是所谓的核分裂。一旦发生了核分裂现象，就会有一股巨大的能量以光和热的形式被释放出来，我们称这因为核分裂而被释放出来的能量叫核分裂能，或简称核能。如果可以缓慢地释出核能，则我们就能加以控制和利用，例如利用核能来发电。但是如果在同一时间内有很多很多原子都发生核分裂，瞬间把全部的核能都释放出来，则我们对它便无法控制掌握，巨大的能量将会引起惊天动地的爆炸，这就是一般所谓的原子弹（或说核子弹）啰！核能发电厂通常用铀做为燃料，铀是地里面挖掘出的一种稀有金属。我们先把挖掘到的铀做一系列的处理并制作成像药丸一样的丸锭状颗粒，然后装置在细细长长的管子中放入发电厂的反应炉去进行核分裂反应。不过核能发电厂并不等于不是原子弹，通常反应炉中铀燃料的核分裂链锁反应是在我们的控制之下平缓的进行着。当一粒原子发生核分裂以后，它除了提供核能以外，原本在原子中的小粒子（例如质子、中子）也会因此而爆发散射出来，这些射出的小粒子撞击到别的原子后又会让别的原子引发核分裂反应。这样子重复连续的反应下去我们称它叫做链锁反应。核分裂反应中如果越来越多的原子同时被撞击而分裂，就会有越来越多的能量和小粒子同时散发出来，然后又会有更多的原子同时反应，链锁反应如此加速扩大进行下去便会在一极短暂的时间中产生巨大的能量，使得我们无法掌握、无法利用而失控。所以为了避免核能发电厂运转失控造成危险，我们使用控制棒来进行控制、调节核分裂链锁反应的速度，使它不至于进行得太快或太激烈。我们说只要让链锁反应一直进行就可以在瞬间释放出非常巨大的能量而形成一个具有毁灭性的核子弹，但是要做一个真正的核子弹并不是只有这样子而已。例如，我们必须把纯度极高用来做为火药的元素铀235和钸强力紧密的包装在一起，并且它们的质量和形状也必须非常精确才行。而核能发电厂用的核子反应炉并没有这些构成核子弹的条件，因为核能发电厂不是设计用来爆炸的。不过，果真核能发电厂中的链锁反应失控的话还是会造成极为严重的危险，这是真的。核子反应（例如核分裂反应）除了释出能量也会产生致命的核子辐射。因为这辐射对人类有害，所以核能发电厂要用很厚很坚固的混凝土围阻体把整个反应炉罩住，像你在南台湾垦丁海边所看到的两颗灰色圆顶建筑物就是这玩意儿。核能电厂利用核分裂链锁反应把核能转变成热能，然后再利用热能把反应炉炉心的水加热外送，最后达到发电的目的。所以除了产生热能的方式跟火力电厂不同以外，其余的发电流程均差不多。新式的核能电厂中，在炉心加热过的水并不直接变成蒸汽去推动涡轮机，而是送去加热第二部分的水，第二部分的水被加热后才变成蒸汽去推动涡轮机而发生电力。第一部分的水只负责传热。再来让我们看看核融合（nuclear fusion）是什么。核融合反应可以产生另一种形式的核能，叫核融合能。核融合就是利用较小的原子融合成较大的原子。太阳会发光、发热、还会发出一些其它的射线，就是因为太阳在进行着氢变成氦的核融合反应。氘和氚这两种氢原子经由核融合反应可以结合成一个氦原子和一个多余的中子，同时亦产生了能量！长久以来科学家们一直在研究如何去控制核融合反应，希望也能做个核融合反应炉来发电。不过，当前所遇到的难题是要知道如何才能控制核融合反应在一个密闭的空间中进行。核融合的优点之一就是它所产生的致命辐射线比较少。在这章我们学到了：1. 核分裂就是把原子分裂开来。2. 分裂原子可以释放出光能和热能。3. 核能电厂控制核子链锁反应的进行，并用所产生的热能对水加热。在炉心加热过的水会再去加热另一部份的水，让另一部份的水沸腾变成蒸汽去推动涡轮机和发电机而发电。4. 核融合就是把一些原子核融合组成一个更大的原子核。5. 太阳会发光、发热、还会发出一些其它的射线，就是因为太阳在进行着把氢变成氦的核融合反应。6. 科学家们正不断努力的研究，希望能够掌握、控制核融合反应，以创造出一种更洁净又可利用的能源。第八章 海洋能将来也许有一天我们可以真的让海洋能变成生活中或工作中一种有利用价值的能源喔！不过目前的海洋能发电厂都还仅止于实验阶段而且规模也都还很小。虽然如此，我们还是要在这一章中看看海洋能到底是什么。目前我们主要有三种获取海洋能的方法，也就是利用波浪、潮汐、海水温差等三种方法。接下来就让我们对它们分别做个简单的介绍吧！波浪能在海面上下起伏的波浪具有动能，我们可以想办法利用这动能去转动一部涡轮机呀！看看右图所示的简单例子吧。当舱里的水面上升就会把空气往上挤出舱外，当舱里的空气顺着通道要排出去的同时就会流经涡轮机，也就会转动发电机而发电了。当舱里的水面下降时，外头的空气会被吸入舱中。此时逆向流通专用的那一对气孔便会打开，空气会顺着它们所形成的通道流通，所以又会再经过涡轮机使它转动。以上只是获取波浪能的一种简单的设计，当然还是有其它不同种类的构造。例如有些是在舱中装置一个活塞，当波浪造成水面上下运动时，活塞也就跟着上下的往复运动着，当我们再让发电机跟活塞一起连动以后也就可以发电了。大多数的波浪能发电系统规模都很小，不过它倒已足以点亮航海专用的警告浮标和灯塔了。潮汐能接着我们要谈到另一种海洋能，那就是潮汐能。我们可以沿着海岸筑水坝构成一个大蓄水槽，然后借着涨潮的时候把流进来的海水存起。当退潮以后蓄水槽里的水位就跟外头海洋的水位有了落差，这时候我们就可以把所存的海水给放流回大海去，如此也就可以像水力发电厂那样子来发电了。涨潮后的高潮水位和退潮后的低潮水位二者之间的高度差叫做潮差，有大的潮差才能形成有效的潮汐能发电。我们发现要做潮汐能发电最少要有16英呎的潮差才行，而地球上只有少数几个地方能满足这样的条件。全世界现在已有几个潮汐能电厂在运转，像是法国就有一个可以供应二十四万户家庭用电的潮汐能发电厂。海洋热能最后我们说明一下海洋热能，这是一种利用海水温差来获取海洋能的观念。如果你曾经在海里游泳和潜水的话，你应该知道潜得越深水温也就越低。海面因为有阳光照射所以比较温暖一些，而深海下面可就是很冷很冷啰。这也就是为什么潜水员需要穿上保温潜水衣才能潜入深海，潜水衣可以保持体温使潜水员不会觉得寒冷。我们可以建造一个利用海水温差来发电的发电厂。不过我们也必须够深入海中才行，让海面和海底温差最少有华氏38度才能利用来发电。利用海水温差这个观念我们称它叫做海洋热能转换（Ocean Thermal Energy Conversion，简称OTEC）。目前在日本和夏威夷都有一些实验计划正在进行中。在这章我们学到了：1. 我们可用三种基本方法获取海洋能。2. 波浪能发电系统应用的是波浪上下起伏的运动而来转动发电机的。3. 潮汐能发电系统应用的是海水高潮和低潮之间的潮水位差所形成的一股水流来发电的，就像一般的水力发电一样。把涨潮时涌入的海水用水湾保存起来，退潮以后便可以泄回大海而形成水流来做发电。4. 海洋热能转换就是在利用海面和海中的水温差异来发电。第九章 太阳能在太阳下我们把衣服晒干所用的就是来自太阳的热能。长久以来太阳一直都是我们的能源。你不相信吗？让我们再来看看几个例子吧！花草树木吸收阳光获得养分而生长，因此我们也就有了蔬菜水果可以吃。我们今天用的煤、石油、天然气等化石燃料是由数百万年前的植物、动物腐烂后所形成的，而那时候的植物和动物也是因为阳光才得以生长，所以这些化石燃料可以说也是由太阳能所转变而来的。此外，太阳还可以提供我们热水喔！太阳能热水太阳能热水器最先是于1890年代在美国加州出现，使用后证明了太阳能热水器的确比燃烧木头或煤炭的热水器来得好用又经济。以前也有人使用由煤炭做成的人造瓦斯来烧煮热水，但是它的成本是当今燃烧天然气的十倍。另外，在过去的年代用电就又更贵了。因此已有为数不少的家庭采用了太阳能热水器，例如在1897年的时候加州Pasadena城里就有30%的家庭装设了太阳能热水器。后来经过一些改良使得太阳能热水器的使用者更多，并且逐渐扩展到更多别的阳光充沛的地区。太阳能热水器在美国风光了好一阵子。直到发现丰富的石油和天然气蕴藏以后，人们开始使用这些廉价的化石燃料来烧热水，渐渐的也就把太阳能热水器淘汰了。不过，如今太阳能热水器又复活了，光是在美国加州就已经安装超过五十万部！不论家庭或办公场所、甚至于温水游泳池都可以用它来供应热水。温水游泳池怎么用太阳能热水器呢？我们可以在屋顶上铺设一大片平板，然后在整面平板上装设水管，接着让水流通过这些水管(同时也晒着太阳)，这样子晒热的水就可以放到游泳池去啦！帅吧？太阳能发电太阳能也可以用来发电，这是利用太阳所散发的热能来做的。说到利用太阳热能，你是否已经想到我们只要可以用这热能把水加热成蒸汽之后就有办法来发电了？不错，就是如此！有些太阳能发电厂的设计是这样子的，先在地面装设拋物线形的曲面镜并把通有水的水管架设在曲面镜的焦点上，接着当太阳出来以后阳光便会被反射汇聚在焦点上，而水管中的水就刚好被加热了。被曲面镜汇聚照射在焦点的太阳光相当的炽热，烫到足以把水管中的水加热成蒸汽。有了蒸汽也就能转动涡轮机和发电机而发电了。在美国加州Mojave沙漠中就有一些应用上面这种设计所盖的大型太阳能发电厂，其发电量可供应超过三十五万户家庭用电。但是利用太阳热能来发电的缺点就是它只有在晴朗的白天时候才有用，当阴天或晚上的时候它就没搞头了。所以有一些电厂为了解决天黑时没电可用的问题，于是就在有阳光时用太阳能发电，天黑时靠燃烧天然气继续发电。另外有一种设计形式的太阳能电厂叫做中央高塔型太阳能发电厂。太阳光经由环绕在中央高塔周围成千上百面的镜子反射到高塔上去。而这些镜子是定时定向的反光装置，它们会随时间转动角度使得白天都能够面向太阳并且反射阳光到中央高塔顶端。接着我们就可以利用这反射集中到中央高塔的强烈的热能来烧水，当水烧热变成蒸汽就又可以转动涡轮机和发电机了，当然就又能发电了！约十五年前在加州的沙漠中就有一个应用这种设计而建造的实验用发电厂，叫做太阳二号（Solar ），现在人们正在用一些新的技术将它重新建造一番。太阳二号所利用来发电的正是太阳光所带来的热能。太阳二号将大约可生产一万户的家庭用电量。科学家还说更大型的中央高塔型太阳能发电厂将可望提供十万至二十万户的家庭用电。太阳电池使用太阳电池（solar cells）可以让我们把阳光直接转变成电能来使用喔。太阳电池又叫做光伏打电池（photovoltaic cells），在一些小电器上常可以看到。例如计算器和电子手表，甚至于宇宙飞船上也有。太阳电池是在1950年代美国为了人造卫星而开发出来的，它是由金属状的硅砂所组成的。当光线照射到太阳电池，太阳电池中的电子便会开始漂移而集中到一边去，这样会让太阳电池两边的电子数量不平衡，形成像电池一样的正、负两极。此时如果有个导体把两边接通，则会有电流出现。我们可以将几个太阳电池合并组装成一个太阳电池组，以供应较大的电力。在有些设计中太阳电池组还能追踪阳光，以便随时都可以接收到最多的光线。太阳电池所产生的电能可以直接应用在许多的场合中。我们可以用它来供应家庭电器和照明用电，也可以用在商店、市场上。太阳能也可以经由太阳电池转换成电能储存在电池里，供应路边行车指示牌的夜间照明，或供应公路紧急救援无线电话来使用。有些实验用的电动车也是用太阳电池把阳光变成电能以供电动马达使用。在这章我们学到了：1. 太阳是对植物、动物、人类都有用的能源。例如我们把衣服晾在室外藉由太阳光和热来晒干，这就是在利用太阳能。2. 让水通过屋顶的水管(曝晒在阳光下)这样便可以获得热水。加州现有超过五十万部像这样的太阳能热水系统。3. 我们也可以把阳光反射集中照在水或其它种液体上加热以生成蒸汽，再用这蒸汽去旋转涡轮机和发电机来发电。这就是太阳能发电。4. 太阳电池可以把阳光直接转变成电能来用。第十章 风能我们可以利用风来做一些事情，所以风也是一种能源。我们可以透过一些方法把风的动能转变为机械能或电能来使用。帆船让风吹拂着它的帆，利用风的动能推着它前进越过河川和海洋，这就是利用风能工作的一个例子。多年以来农夫们利用风吹动风车来抽井水，这又是风能的一种应用。荷兰人利用风车把低洼地区的积水抽走也已经有几个世纪的时间了。就像利用水力驱动的水车转动大磨轮来研磨谷物一样，我们也可用风车来做这工作。在现代，风能也可以用来发电了。风力发电用的风力机就像一部超大型的风扇一样，风吹拂到叶片而转动了风力机。装设叶片的转轴经由一个传输箱变速后再以更高速的转轴通向发电机，进而发电。当风力太强的时候，风力机中有煞车装置可以停住叶片，避免受损。在美国加州有很多风大的地方，可是唯一的问题就是风并不是整年都有。通常是在夏天的时候会比较有风，此因海陆温差大造成海风吹向