Energy Education and Energy Literacy: Lecture Session No. 2 Wednesday 8.21.19 2019 International Workshop on Energy Education Tainan, Taiwan Energy System - Electricity 能源教育與能源素養 能源系統 – 電力 熱水系統的效率 

Hot Pot Efficiency Activity Electricity Hot Water (T2 -T1 ) Losses What is the ‘true efficiency’ of this energy system? 電熱水壺的效率 電力 熱水(T 2 -T 1 ) 損失 這個能源系統的”真正效率”是多少 ? 

Learning Objectives 學習目標 1. 用理論計算將水加熱至沸騰所需的能量 2. 熟練地使用瓦特計和基本的測量工具（溫度計、量筒） 3. 根據實驗測量結果，計算將水加熱所需的能源消耗量。 4. 將能量單位換算成度（kWh）、千焦耳（kJ）和英熱單位（Btu） 5. 計算熱水設備的效率。 Efficiency of an Energy System 能源系統效率 

Materials 材料 電熱水壺 Hot Pot 隔熱手套 Insulated pot holder 計算機 Calculator 瓦特計 Watt meter 碼表 Stop Watch 量筒 Graduated cylinders 溫度計 Thermometers 

Efficiency of an Energy System 能源系統效率 Procedure 步驟 Pre step : 製作表格→需記錄 Step 1. 使用電熱水壺將500mL的水加熱至80°C ← 初始溫度 ← 最終溫度 ← 能量或功率消耗 

= k x x 3600s Procedure 步驟 Step 2. 計算將水加熱所需的實際能量(焦耳或英熱單位) 實際能量(kWh) = 消耗功率(W) x 時間(hour) x kW 1000W 瓦特(W) = 焦耳(J) 秒(s) → 千瓦-小時(kWh) = 3.6 x 106J 1 英熱單位(Btu) = kW x h J s = 1055焦耳(J)≒ 1 kJ Efficiency of an Energy System 能源系統效率 

Procedure 步驟 Step 3. 計算將水加熱所需的理論能量，並以此計算出設備的效率 Efficiency of an Energy System 能源系統效率 Q = M x C P x ΔT 水吸收的熱能(焦耳 , J) 水的質量(克 , g) 比熱(4.186J/g-℃) 溫度變化(℃) 效率 = 理論能量 實際能量 

What is an Energy System? Sample Learning Objectives ★了解基本的能量概念 1. 專有名詞、定義、單位 Terms, definitions, Units 2. 區分能量與功率 Differentiate Energy vs. Power 3. 定義”能源系統”並預習”生命週期測試” Define ‘energy system’ and preview a ‘lifecycle assessment’ 4. 熱力學第一和第二定律 First and Second laws of Thermodynamics 5. 計算效率 Calculate Efficiency 什麼是能源系統? 學習目標範例 

This is an Energy System ! 這就是一個能源系統 ! 系統 :為實現共同的目標而一同工作的一套組件 能源系統 : 使用能源資源來提供服務 

“Energy System” -- Hot Pot 能源系統 - 電熱水壺 問題討論 Q1 : 這個系統提供的”服務”是什麼? Q2 : 提供這項服務的“能源”來源是什麼? Q3 : 我們如何得知這個系統的能源效率？ Q4 : 我們用什麼單位來描述電熱水壺消耗的功率？（=在任何時間的功率輸入） Q5 : 我們用什麼單位來描述電熱水壺消耗的能量？（=總能量輸入） Q6 : 電力是初級能源還是次級能源？ 

電力 Electricity Hot pot 500 mL cold water 熱水 Hot Water “Energy System” -- Hot Pot 能源系統 - 電熱水壺 電熱水壺 500mL 冷水 Q1 : 這個系統提供的”服務”是什麼? Q2 : 提供這項服務的“能源”來源是什麼? 

“Energy System” -- Hot Pot 能源系統 - 電熱水壺 Energy Resource = ELECTRICITY Energy Service = HOT WATER Hot pot 500 mL cold water 電熱水壺 500mL 冷水 能源資源 = 電力 能源服務 = 熱水 Q3 : 我們如何得知這個系統的能源效率？ - 我們已知的有那些? - 我們還需要知道什麼? - 如何得到這些資訊? - 如何使用這些資訊? 

“Energy System” -- Hot Pot 能源系統 - 電熱水壺 能源效率 = x 100% 可用能源輸出 ———————— 能源總輸入 ENERGY EFFICIENCY= x 100% Usable Energy OUT ——————————— Total Energy IN 能源效率 = x 100% 被水吸收的熱能 ———————— 電力輸入 ENERGY EFFICIENCY= x 100% Heat Energy absorbed by water ———————————————— Electric Energy IN 電力輸入 熱水 能量輸入 可用的能量輸出 Hot pot 500 mL cold water 電熱水壺 500mL 冷水 

Q = 被水吸收的熱能(焦耳, J) M = 水的質量(克, g) C p = 比熱(4.186J/g-˚C) ΔT = 水溫的變化(˚C) Heat Energy Absorbed by Water (USABLE ENERGY OUT) ELECTRIC ENERGY IN = electricity used by hotpot appliance 被水吸收的熱能 (可用的能源輸出) Q = m x Cp x ΔT 電能輸入 = 電熱水壺使用的電力 

“Energy System” -- Hot Pot 能源系統 - 電熱水壺 測量 : 水溫→初始(T 1 , t = 0 秒) = ___ 水溫→最終(T 2 , t = ___ 秒) = ___ 耗電量 = ______ 瓦特 x 秒 電力輸入 熱水 能量輸入 可用的能量輸出 Hot pot 500 mL cold water 電熱水壺 500mL 冷水 

Definitions: Energy vs. Power 定義 : 能量與功率 能量 : 衡量工作的標準（「多少？」有限的數量） 功率 : 能量使用的速率（「多快？」 可變的數量） POWER ≠ ENERGY Energy = Power x Time 功率 ≠ 能量 能量 = 功率 x 時間 

Q4 : 我們用什麼單位來描述電熱水壺消耗的功率？（=在任何時間的功率輸入） Q5 : 我們用什麼單位來描述電熱水壺消耗的能量？（=總能量輸入） “Energy System” -- Hot Pot 能源系統 - 電熱水壺 Hot pot 500 mL cold water 電熱水壺 500mL 冷水 電力輸入 熱水 能量輸入 可用的能量輸出 

能量單位 Units of ENERGY 焦耳(能量) Joule (SI) 卡路里(熱量) calorie (heat) BTU(熱量) BTU (heat) 千瓦-小時(電能) Kilowatt-Hour (electricity) 油當量單位 Unit of Oil Equivalent (BOE, TOE, LOE) 功率單位 Units of POWER 瓦特(電力) Watt (electric power) 馬力(HP) - 機械力 Horsepower (HP) (mechanical power) 

“Energy System” -- Hot Pot 能源系統 - 電熱水壺 Hot pot 500 mL cold water 電熱水壺 500mL 冷水 電力輸入 熱水, T 2 能量輸入 可用的能量輸出 水吸收的熱能 = 質量 x 熱容量 x (T 2 -T 1 ) = 焦耳 所提供的電能 = 功率(瓦特) x 時間(秒) = 焦耳 

Q6 : 電力是初級能源還是次級能源？ “Energy System” -- Hot Pot 能源系統 - 電熱水壺 Hot pot 500 mL cold water 電熱水壺 500mL 冷水 電力輸入 熱水 能量輸入 可用的能量輸出 

Definitions : Primary and Secondary Energy 定義 : 初級能源 & 次級能源 初級能源來源 : 在人類做出任何改動之前就存在。例如？ ▽從地底萃取– 煤炭 / 石油 / 天然氣 extracted from ground - coal, oil, gas ▽從自然資源獲取 – 風力 / 水力 / 太陽能 / 生質能 captured from natural resources – wind, water, solar, biomass 次級能源來源 : 藉由轉化初級能源而得到的能源。例如? ▽電力 / 汽油或燃料油 / 木炭 / 氫氣 Electricity; gasoline or fuel oil; charcoal; hydrogen ▽也稱為「能源載體」 Also known as “ENERGY CARRIERS” 

“Energy System” -- Hot Pot 能源系統 - 電熱水壺 Hot pot 500 mL cold water 電熱水壺 500mL 冷水 電力 熱水(T 2 ) 測量 大量的熱能 損失 熱能 輸入電熱水壺的其他熱能到哪裡去了？ 

熱力學第一定律 First Law of Thermodynamics ΔU = W + Q 熱力學第二定律 Second Law of Thermodynamics ΔS > 0 “量(熱量)”維持不變 Quantity remains the same “質(品質)”不斷下降 Quality constantly decreases