知識力

請自行調高解析度

❐ 熱機的工作原理
熱機(Heat engine)是將熱能轉換成機械能的裝置，汽車所使用的引擎與瓦特所發明的蒸氣機都是屬於熱機的一種，熱機又分為內燃機(ICE)與外燃機(ECE)兩大類：
➤內燃機(ICE：Internal Combustion Engine)：將燃料的化學能「直接」轉換成機械能的裝置，最簡單的做法就是將燃料與空氣混合燃燒產生熱能，氣體受熱膨脹「直接」推動機械裝置使機械對外做功，例如：汽車、船舶、飛機、火箭等的引擎都是屬於內燃機。
➤外燃機(ECE：External Combustion Engine)：將燃料的化學能「間接」轉換成機械能的裝置，最簡單的做法就是將燃料與空氣混合燃燒產生熱能，利用這個熱能加熱某一種「循環物質」，再利用這種循環物質「間接」推動機械裝置使機械對外做功，例如：火力發電廠裡使用煤(燃料)燃燒後的高溫加熱水(循環物質)產生高溫高壓的水蒸氣推動汽輪機，因此瓦特所發明的蒸氣機就是屬於外燃機。

❐ 卡諾定理(Carnot law)
科學家發現，熱機工作時必須滿足「卡諾定理(Carnot law)」，卡諾定理是「熱力學第二定律」，如＜圖一＞所示，我們以大家比較熟悉的內燃機(汽車引擎)為例來說明，假設內燃機在燃燒汽油以後溫度升高為T1，對外作功推動汽車時消耗了能量W，使得內燃機的溫度降低為T2，則內燃機的能量轉換效率為：

其中T1與T2必須使用「凱氏溫度(K)」來表示，凱氏溫度(K)與攝氏溫度(°C)的轉換公式為K＝°C＋273。

圖一　卡諾定理原理示意圖。
 

❐ 汽油引擎與柴油引擎的能量轉換效率
(a)假設某一台汽車使用「汽油引擎」，在燃燒汽油以後溫度升高為T1=1500K(1227°C)，對外作功推動汽車時消耗了能量W，使得引擎的溫度降低為T2=1200K(927°C)，則這個引擎的能量轉換效率是多少？
［解］
由公式可以得到這個汽油引擎的能量轉換效率為20%。

(b)假設某一台汽車使用「柴油引擎」，在燃燒柴油以後溫度升高為T1=1500K(1227°C)，對外作功推動汽車前進時消耗了能量W，最後引擎的溫度降低為T2=1050K(777°C)，則這個引擎的能量轉換效率是多少？
［解］
由公式可以得到這個柴油引擎的能量轉換效率為30%。

【請注意】以上實例只是說明能量轉換效率的觀念，所使用的溫度是為了計算時取整數，並非實際情況。

❐ 汽油引擎與柴油引擎
由上面的實例可以發現，汽油引擎的能量轉換效率只有20%，剩下的80%都浪費掉了，基本上引擎是能量轉換效率不高的機械裝置。此外，柴油引擎的能量轉換效率比汽油引擎還高，假設汽油引擎的能量轉換效率為20%，柴油引擎的能量轉換效率為30%，代表如果1公升的汽油可以跑10公里，則1公升的柴油可以跑15公里，再加上柴油的價格比汽油便宜，顯然使用柴油引擎比較省錢，這也是為什麼大家常常聽到電視廣告說：柴油車可以省錢又省油的原因了！甚至有人利用這個優點大做廣告聲稱柴油比汽油更「環保」。

值得注意的是，前面曾經介紹過，柴油的含碳量比汽油多，密度比較大，比較不容易純化，所以柴油內含有比較多的氮化物與硫化物，燃燒以後會產生一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫等污染物，而且柴油燃燒後會產生更多的懸浮微粒(PM2.5)，造成更嚴重的空氣污染，大家會不會覺得公車或卡車噴出來的廢氣特別臭呢？因為柴油的能量轉換效率比較高，而且扭力比較大，才能推動體積又大又笨重的公車或卡車，所以目前的公車或卡車都是使用柴油引擎，噴出來的廢氣也特別髒囉！如果大家都使用這種柴油來做為燃料，結果雖然消費者省了金錢，卻會造成更嚴重的空氣污染，實在得不償失。

【名詞解釋】懸浮微粒(PM：Particulate Matter)

懸浮微粒(PM)泛指懸浮在空氣中的固體或液體顆粒，例如：水霧、灰塵、花粉、皮屑、廢氣、農藥、肥料、糞便，甚至大氣環境中的自然化學反應產生的物質等，通常能夠在大氣中停留很長的時間，被吸入體內會聚積在氣管或肺部，影響身體健康。懸浮微粒常見的顆粒尺寸定義如下：

➤懸浮微粒PM2.5：顆粒尺寸等於或小於2.5微米(μm)，眼睛無法看見，必須使用顯微鏡才能觀察。

➤懸浮微粒PM10：顆粒尺寸等於或小於10微米(μm)。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。