王秋森
編按：
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提供能源需求與降低能源對環境衝擊是兩個可以同時達成的目標
。
節約用能、提高用能效率、增加可再生能源的利用、提高能源的產生效率，以及預防污染是達成上述兩個目標的途徑。目前我國工業部門使用的能源約佔全國能源消費的一半，因此在節約用能與降低能源對環境衝擊的工作上，工業部門也應負擔一半的責任。為促請業界共同來關心，本刊特別邀請國內學者專家針對能源問題撰文，將於今後數期連續刊出。本期推出的是國立台灣大學公共衛生學系王秋森教授撰寫的『能源與環境』第一部份：認識能源。其第二部份：能源的環境衝擊將於下一期刊載。
第一節 前言
現代的人類生活方式必須使用大量的能源。自然界中雖然蘊藏豐富的能源，但卻必須先予轉換為可用的能源型態才能供現代人類使用。而可用能源的產生過程往往導致嚴重的環境衝擊。從環境衛生的角度看，最理想的能源類型是環境衛生衝擊最低的能源。而從永續發展的觀點看，最理想的能源類型則是自然界中蘊藏量最多的能源。可再生能源是能同時符合上述兩個選擇原則的能源類型。
但可再生能源科技的研發起步較晚，其經濟效益目前大多仍低於不可再生能源。因此目前人類使用的能源仍以不可再生能源為主。基於環境衛生與永續發展的要求，除加速可再生能源科技的研發外，應同時加強研發提高不可再生能源產生效率的科技以及研發高用能效率的產品。
本章首先說明能源的類別，然後解釋『能』的類型、『能』的轉換、熱力學的三個定律以及有效的用能原則，最後探討各種可用能源產生過程中引起的環境衛生衝擊以及減低環境衛生衝擊的方法。
第二節 能源的類別
能源可分為『可再生能源』(
renewable energy )與『
不可再生能源 』( non-renewable energy)兩大類。前者係指太陽能及地熱能等幾乎用之不竭的能源。嚴格的說，此類能源並不是真的可再生，因為它們並不是在使用後可再生而成為可用的能源。實際上它們僅是由自然界幾乎無限的持續提供而已。不可再生能源指的則是化石燃料及鈾燃料等蘊藏量有限的能源。
可再生能源包含太陽能、水力、風能、波浪能、海洋熱能、生質能、地熱能、以及潮汐能。其中太陽能係指太陽輻射所含的能量，它可直接用於加熱(
例如燒熱水 )，亦可使用太陽電池將之轉換為電能。水力的主要利用方式是將高處的水在流往低處時產生的動能用於發電。高處的水係地面水經太陽輻射加熱蒸發，在大氣中凝結為水滴後降落下來而得。因此水力是一種來自太陽能的能源。
利用風力發電的方法近年來已逐漸被各國採用。風係因空氣由高氣壓區流向低氣壓區而產生，而氣壓的不同則是氣溫不同所造成。大氣能量的來源是太陽輻射，因此風能也是一種來自太陽能的能源。
波浪能主要係指海水產生的波浪所含有的能量。海浪係因受氣流驅動的結果(
所謂無風不起浪 )，而風能係來自太陽能，因此波浪能也是一種來自太陽能的能源。波浪能亦可用於發電。
海水所含的熱能稱為海洋熱能。太陽輻射導致表面海水溫度的上升，利用表面海水與深處海水溫度的差異可將海洋熱能轉換為電能。海洋熱能也是一種來自太陽能的能源。
植物利用太陽輻射進行光合作用，其所產生的生質量可直接當作燃料，亦可用於製造甲醇、乙醇等燃料。生質量所含的能量稱為生質能。生質量是光合作用的產物，因此生質能也是一種來自太陽能的能源。
蘊藏於地球內部的地熱能是一種重要的能源。有些地區的地熱能係以水蒸氣或熱水、或兩者混合的形式儲存在地下不很深的位置。地下的熱水或水蒸氣可鑿井引出以供發電或其他用途。地熱能係儲藏於地球內部的能源，不同於上述各種透過太陽輻射而傳輸到地球的能源。
每日一漲一退的潮汐是一種可加以利用的能源。潮汐能的來源是月球與太陽引力，不同於上述地熱能及各種透過太陽輻射而傳輸到地球的能源。
值得注意的是各類型的可再生能源分別與太陽、地球、及月球有關。因此只要這些天然物體的狀態保持穩定，即能繼續提供可再生能源。
不可再生能源包含化石燃料及鈾燃料。化石燃料係古代的動植物掩埋於地下長期經高溫高壓作用形成的。煤炭、石油、天然氣、油頁岩、以及焦油砂都屬於化石燃料。鈾燃料則係從含鈾的礦石中提煉出來的鈾
- 235同位素。
目前人類擷取自然界中的可再生能源及不可再生能源並將它們轉換為可用的能源型態其總量雖然相當可觀，但若較諸太陽輻射所含的總能量，則僅有後者的百分之一左右。若沒有太陽輻射，則地球表面的平均溫度將會降到零下240℃，可見太陽提供的能量是何等的重要。
第三節 『能』的類型
『能』(energy)
與『
物質 』(
mass)
是存在於宇宙中的兩種實體
(entity)
。從人類直接觀察的角度看，物質是比較容易以眼睛直接觀察到的。而在各種類型的『能』之中，除了『光』可用眼睛觀察到之外，其他均須使用眼睛以外的器官去體驗或以間接的方法去測量。
機械性的推力和拉力，以及物質的冷熱，可用我們的肉體去感受；聲音
( 機械能的一種 ) 可用耳朵去察覺；但是可見光以外的電磁波則必須透過它與物質的互動呈現出來的現象才能獲知它們的存在。例如微波能使水溫升高，因此可以獲知微波的存在。
不同類型的『能』之間可以互相轉換。例如電能可透過電燈轉換為光能，而光能則經空氣中的分子吸收後轉換為熱能。依其存在的形式，『能』可區分為下列幾種類型：
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機械能
(
mechanical energy )：機械能可分為動能與位能二種。運動中的物體
( 例如：行駛中的汽車 )擁有一種動能
(
kinetic energy )，它的能量可用下式計算：
動能 = 質量× (速度)2/2
動能與質量成正比。例如兩輛大小不同的汽車若以同樣速度行駛，則大車的動能較大。
動能是機械能的一種。另一種機械能則代表做『功』的位能。例如被拉長的橡皮筋含有位
能，它在回復正常的長度時即將位能釋出，此種『能』可用於拉物體。拉力與物體被拉動的距離的乘積稱為『功』(
work )，而做出這種『功』的便是出自於橡皮筋的『位能』。
-
地心引力的位能
( potential energy：因為地心引力的作用，沒有支撐的物體都會向下降落。這種降落的能力代表一種『能』，稱為位能。儲於水壩上游的水有較高的位能，因此能往下流，而在它的流動過程中，位能被轉換為動能，也就是說高處靜水的位能轉換為流水的動能。水力發電的原理便是將水的位能轉為動能，再透過渦輪機將水的動能轉為電能。
-
熱能 (
thermal energy )
：所有物質中的原子和分子經常都處於運動的狀態中，這些運動中的微小粒子與運動中的較大型物體
( 如汽車
) 同樣具有動能。兩者的主要差異在於前者的運動是不規則的。因為微小粒子之間經常發生碰撞，互相碰撞的粒子之間會有部分動能的交換，因而改變其速度。這些經常在做不規則運動的微小粒子的動能總和即是熱能。而溫度則是一物質內所有運動中的原子和分子的平均運動速率的一種計測單位。我們平常說某物體比較熱，其實是指該物體的溫度比較高，也就是指該物體中的原子或分子的平均運動速率比較高。至於熱量則是熱能的計量單位，一物體的含熱量可用下式計算：
含熱量
= 質量 ×比熱× ( 溫度 - 基準溫度 )
在上式中，比熱是將一單位質量的該物質提高一個單位的溫度所需的熱量
( 例如將
1
g的水提高1 ℃所需的熱量是1cal，因此水的比熱是1cal/g℃
)。基準溫度一般均規定為攝氏零度，也就是說根據上式計算的含熱量是相對於攝氏零度的含熱量。因為熱量不僅與相對溫度(溫度－基準溫度)成正比，也與質量成正比，因此一池10
℃的水所含的熱量會高於一壺沸騰中的水所含的熱量，雖然後者的溫度較高。
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電磁能
(
electromagnetic energy )：電磁能涵蓋電能、磁能、以及電磁波的能。可見光是一種電磁波，因此光能是一種電磁能。正電荷與負電荷之間的吸引力以及正電荷
( 或負電荷
) 之間的排斥力，則是電場的位能。
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化學能
( chemical energy
)：各種物質因其化學結構的不同而含有不同的化學能量。例如汽油燃燒時會產生熱能，便是汽油的化學能轉換為熱能的結果。
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核能
(
nuclear energy )：核能是物質透過核子結構的變化而產生的『能』。由質量產生的能量可用下式計算：
能量=質量×(光速)2
光的速度極高(3 ×
1010 cm/s)，因此只要微量的質量即可產生巨量的能量。
上述各種類型的『能
』之中，機械能中的動能、熱能、以及電磁波是屬於動態的。地心引力的位能、化學能、電場的位能、與核能則是屬於靜態的。動態的『能』可用直接或間接的方法加以觀察，靜態的『能』則必須在其轉換為其他類型的『能』後才能觀察到。
第四節 『能』的轉換與熱力學的三個定律
不同型態的『能』可藉由物質的變化而互相轉換。導致『能』型態轉換的物質變化可分三大類：
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物理變化：指物質的物理狀態或特性的變化。例如行駛中的汽車經煞車而停下來，其原有的動能即透過煞車皮的摩擦而轉換成熱能。
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化學變化：指物質的化學結構的變化。例如汽油在引擎中燃燒，其碳氫化合物所含的化學能即透過氧化而轉換為熱能。氧化是一種化學變化，氧化的結果將碳氫化合物轉變為二氧化碳和水。
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核子變化：指物質的原子核結構的變化。核子變化可分為核分裂與核熔合兩種。目前的核電廠即是利用核分裂
( 以中子撞擊核燃料中的鈾
- 235同位素使其原子核分裂成許多較輕的原子核 )
而將微量的質量轉變為巨量的能量。至於核熔合的變化則是將較輕元素的同位素的二個原子核在極高溫下使之熔合成一個較重的原子核，同時將微量的質量轉變為巨量的能量。將核熔合所產生的熱能用於發電的科技則尚在研究階段。
熱力學是一門以熱能的機械作用與關係為研究對象的科學。它的主要內容可由其三個定律予以總括。
熱力學第一定律
在沒有核子變化的情況下，能量不會被消滅，也不會無中生有，它只能在不同類型之間轉換。熱力學第一定律的精義是『能量是守恆的』，因此它亦稱為能量守恆定律。
熱力學第二定律
能量雖然守恆，但能的品質
( 以其可用度來衡量 ) 卻不一定守恆。在不可逆過程中，能的品質一定會降低，也就是說，高品質的能會變為較沒用的低品質的能。
這個定律中所稱的不可逆過程是指在不改變任何物體的狀態的條件下在一系統內發生的變化無法完全復原。自發性的過程均屬不可逆過程。例如水由高處往低處流動是一種自發性的過程。它之所以能夠自發性的流動是因為高低兩處的位能有一定
( 非無限小 ) 的差異。若將高低兩處的位差減至無限小的程度，則水仍可能由稍微高出的一方流向另一方，但其流速則極低，此種過程即屬於可逆過程。
熱力學第三定律
在絕對溫度零度時的各種過程中，能的品質不會降低。
熱力學的三個定義所描述的原理相當抽象，前面所做的說明並非嚴謹的解釋，而僅嘗試以一般用語將其內涵表達出來。曾有人這樣說：
熱力學第一定律說，你不可能贏，你只能求和；第二定律說，只有在絕對溫度零度時，你才有機會求和；第三定律說，你不可能達到絕對溫度零度；總結起來說，你連求和的機會也沒有，你永遠是輸家。
這個說法相當透徹的表達了熱力學的三個定律。但要注意的是其在第一定律中所說的『贏』與『和』是針對能量而言，而在第二及第三定律中所說的『和』與『輸』則是針對能的品質而言。在能量方面，我們是永遠可以求和的，但在能的品質方面，我們是永遠的輸家。舉個例子說，低溫熱能的品質低於高溫熱能的品質；我們雖可用瓦斯爐將低溫的水加熱以提高其所含熱能的品質，但根據熱力學第二定律，我們為了達到這個目的而用掉更高品質的能
( 瓦斯所含的化學能 ) ，也就是說在燒熱水的過程中，能量的總和不變，但能的品質降低了。
第五節 有效用能原則
一個系統的用能效率是指它實際用於做功的能量與輸入該系統的總能量之比。例如：鎢絲燈的用能效率約為5%，意即輸入鎢絲燈的電能只有5%用於發光，其餘95%均直接轉換為熱能
( 用於發光的5%最後也轉換為熱能
)。又如以電熱水瓶燒開水，則輸入的電能百分之百轉換為熱能，因此電熱水瓶的用能效率是100%。若一個系統含有數個串聯的用能單元，則整個系統的用能效率等於各單元的用能效率的乘積。圖一顯示從鈾礦的開採到電暖器的使用其整個系統所涵蓋的五個串聯單元，將個別單元的用能效率相乘所得的系統用能效率為14%
( 這裡所稱的用能效率是廣義的，它係指一個單元產生的能量與輸入該單元的總能量之比
) 。由用能效率的定義可以推知，具有較高用能效率的系統能夠以較少的能量達到同樣的目的。這是使用能源的一個重要原則。
另一個用能的原則是基於『能』的品質的考量。『能』依其可用度的高低而具有不同的品質。電能，溫度高於2,500
℃的熱能，以及可用於發電的高速風能均有極高的可用度，因此可歸為極高品質的能。能產生高於2,500
℃熱能的鈾燃料其所含核能亦可歸類為極高品質的能。溫度介於1,000至2,500
℃ 的熱能其可用度低於溫度高於2,500
℃的熱能，因此歸為次高品質的能。能產生在此溫度範圍的熱能的氫氣、天然氣、汽油、及煤炭其所含化學能亦可歸為次高品質的能。溫度介於100至1,000
℃ 的熱能其可用度低於溫度介於1,000至2,500
℃的熱能，因此歸為中品質的能。能產生在此溫度範圍的熱能的農廢其所含生質能亦可歸為中品質的能。溫度低於100
℃的熱能，其可用度頗低，可歸為低品質的能。
用能系統其所需求的能的品質亦可分成四級。需要高於2,500
℃熱能的工業製程必須使用極高品質的能。需要溫度介於1,000至2,500 ℃ 熱能的的工業製程以及汽車的行駛則必須使用次高品質的能。需要溫度介於100至1,000
℃熱能的工業製程以及烹飪則只須使用中品質的能。至於冬天要在室內提供暖氣則只須使用低品質的能。用能的第二個原則是：針對用能系統所需的『能』的品質等級，使用相當等級的能。若將具有較高品質的能使用於只需較低品質的用能系統，則是品質的浪費。例如以電暖器提供室內的暖氣，是將極高品質的能用於僅需低品質『能』的地方，其品質浪費極大。若使用絕緣良好的玻璃窗
( 例如兩層玻璃，中間夾有一很薄的空氣層
) 讓陽光射入室內亦可達到提供暖氣的功能，而其在能源品質等級的對等方面亦配合的很好。
從使用能源的角度來看，另外值得一提的是：能源所含的能量並不可能全部轉換為有用的能。因為含有能源的礦物的開採、運輸、提煉、能的型態轉換等過程都須使用能量，而且在用能過程中其效率未必能達100%，此外在能的型態轉換過程中亦會受到熱力學第二定律所說明的限制而有一部份能量無法轉換為可用的能。由於上述的因素，有些能源其開採、提煉、運輸，發電所用掉的有用能量反而高於其所產生的有用能量。以核能發電產生的電能用於提供室內暖氣為例，從採礦到最後的電能使用整個系統其實際用於產生暖氣的能量僅佔為了產生這部分有用能量而用掉的有用能量 ( 即使用於開採、提煉、運輸、發電的有用能量
) 的30%。
