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1910 年諾貝爾物理獎:想知道氣體與液體的差異?范德華用數學說給你聽——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/08/30 ・1231字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

是什麼使氣體凝聚成液體?氣體與液體的分別,一直是許多科學家希望理解的問題。1910 年諾貝爾物理奬得主約翰內斯・范德華(Johannes van der Waals)就用數學描述了兩態之間的互換原理。

范德華的諾貝爾獎官方照片。圖 @ wikimedia commons

理想氣體方程不夠用?那想個新的吧!

我們知道在一般環境條件下,可以用理想氣體方程(ideal gas law)描述氣體的壓力、體積、溫度、分子數量的關係。理想氣體方程是伯諾瓦・保羅・埃米爾・克拉佩龍(Benoît Paul Émile Clapeyron)在 1834 年從三大氣體定律歸納出來的:

  1. 壓力與體積成反比(Boyle’s law)
  2. 體積與溫度成正比(Charles’s law)
  3. 體積與粒子數目成正比(Avogadro’s law)

這種熱力學方程式,統稱為物態方程(equation of state)。然而,科學家發現理想氣體方程在高壓力之下並不適用。當我們發現舊有理論在非一般條件下變得不適用,就是需要新理論的時候了。

范德華在博士班時已經對這個問題十分感興趣。1873 年,他在博士畢業論文《論氣態與液態之連續性》(Over de Continuiteit van den Gas- en Vloeistoftoestand)裡導出了一條能應用於氣體與液體的物態方程。

這條方程式就是著名的范德華方程(van der Waals equation)。簡單來說,范德華方程就是理想氣體方程的改良版本。范德華認為在高壓力下理想氣體方程失效的原因是其忽略了氣體分子本身的體積以及分子之間的吸引力。

知道臨界溫度,輕鬆掌握氣/液態變化

我們熟悉的理想氣體方程是:

 PV=nRT

其中 是氣壓、是體積、是分子數量(以摩爾 mole 為單位)、是溫度,而 就是理想氣體常數(ideal gas constant)。范德華導出的改良方程為

其中 代表分子之間的吸引力、代表分子所佔的體積。式中左邊第一個括號代表分子之間的壓力並不單止其互相碰撞的壓力 P,還要加上其相互吸引力;第二個括號則表示其體積等於容器的總體積 減去分子本身的體積。

當壓力上升,氣體就會變成液體。然而,如果該氣體的溫度高於臨界溫度時,就會保持在氣態。范德華發現,如果知道物質的臨界溫度,單單以比例就可以完全描述該物質的氣態和液態。

壁虎之所以能在平滑的垂直面上爬行,是因為牠們的足上佈滿蛋白質 β-keratin,能與垂直面產生強大的范德華力。圖/By Lpm @ Wikimedia Commons

現在,我們把這種分子之間的吸引力稱為范德華力(van der Waals force)。范德華當年並不知道為什麼分子之間存在吸引力。這關乎原子結構,簡單的解釋是各個分子的電子會互相排斥,因此一部分原子核就會「暴露」出來,與電子相吸引。


 

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站


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物理雙月刊_96
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什麼是「可逆電轉氣儲能系統」?臺灣有機會發展嗎?

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/05 ・1883字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 本文與台灣科技媒體中心合作,內文經泛科學改寫。
  • 本文轉載整合自台灣科技媒體中心《「可逆電轉氣儲能系統」專家意見
  • 資料更新至 2022 年 4 月 18 日,完整文章請見上方連結
圖/envato elements

最近,國際期刊《自然:通訊》發布一篇新研究〈可逆電轉氣系統用於能源轉換於儲存〉(Reversible Power-to-Gas systems for energy conversion and storage)。研究中提到,電轉氣(Power to Gas, PtG)是一個將電力轉為氣體,以更有效儲存能源的技術,可逆電轉氣系統則可在電力不足時,反向提供電力。

過去這項技術因成本較高,而未被視為普遍的儲能系統。因此這項研究開發了一個模型,來確定可逆電轉氣系統的經濟可行性,發現在美國德州當前的氫價格下,可逆電轉氣系統已有經濟競爭力。

一般將餘電用來電解水產生氫氣的系統,稱為電轉氣(PtG);而將氫氣在需要用電時,轉換為電力的系統,稱為氣轉電(GtP)系統。這是使用兩套不同系統的兩種技術,目前氣轉電是成熟的技術,電轉氣則是仍在發展中的技術。而可逆電轉氣技術則是將這兩個系統整合,使單一的系統具有電轉氣與氣轉電兩種功能,是新興發展的儲能技術。

在走向零碳電力的過程中,儲能系統是讓電力調度更有彈性的關鍵,據此,台灣科技媒體中心也邀請專家,解析台灣「電轉氣儲能系統」的技術進展。

台灣為什麼需要「電轉氣儲能技術」?

元智大學機械工程學系教授 鐘國濱元智大學機械系教授暨燃料電池研究中心主任 翁芳柏 說明,因應 2050 國際淨零排碳的共同目標,以國際上與台灣的碳中和規劃時程,未來各國都將會有大於 60% 的高比率再生能源佔比,所以即使可逆電轉氣技術難度非常高,世界各國(包括台灣)仍是爭相投入這項新興儲能技術。

中央大學工學院能源科技研究中心主任暨台灣氫能與燃料電池學會理事長 曾重仁 進一步解釋,台灣在未來 3-5 年內因再生能源佔比不高,PtG 尚不具在大電網中的實用性。但 2030 年後,當再生能源佔比增加至一定比例,PtG 將在部分地區與部分時段具有可行性,例如在與氫氣相關的產業園區中可部署 PtG 系統,將日常工業餘氫再回收利用於調節供電系統,綠電佔比過高時也可逆向轉換為氫氣儲存。

未來電網之儲能需求應不會由單一技術滿足,其中鋰電池在短時間、快速反應方面具有優勢,但 PtG 在大規模與長時間儲能,將扮演更重要的角色。

因應未來再生能源的比例增加,台灣也須發展氫氣產業。圖/envato elements

台灣的電轉氣技術發展到哪裡了?

所謂 PtG 是以多餘的(或是電網無法容納的)電能電解水產生氫氣與氧氣,以氫氣形式儲存能量。當需要用電時再將氫氣之能量以燃氣輪機或燃料電池轉換為電能。

不過,鐘國濱教授 認為,目前台灣再生能源比例偏低,九成以上的氫氣來自石化業的低價灰氫(Gray Hydrogen)。且台灣的電力相對便宜,沒有多餘再生能源電力供應電轉氣,因此電轉氣的綠氫(Green Hydrogen)價格偏高。同時氣轉電的價格也偏高。上述這三點,是台灣近短期發展電轉氣或可逆電轉氣遇到的最大困難。

翁芳柏主任認為,台灣短期內除了政策性的經費補助推廣儲能技術外,還需要進一步突破性發展儲能技術,才可能達成國際訂定的再生能源使用目標。但是台灣政府的能源決策單位,過去對於氫能的示範推廣落後國際,因此,翁教授認為台灣氫能技術還未成熟,應將資源投入氫能研發及其他能源領域的補助。

圖/envato elements

不過,目前國際上最大的固態氧化物燃料電池(SOFC)發電應用公司 Bloom Energy 的量產,是在台灣進行產業代工。這篇論文所評估的 SOC 電轉氣儲能系統與 Bloom Energy 技術相同,國內在研發與產業量產技術,應有國際競爭能力與優勢。

台灣的問題與瓶頸,還是在於產官學的整合,以及落後於國際的氫能產業發展政策,以至台灣投資在氫能的研發與示範推廣,大幅落後於已開發國家。

鐘國濱教授補充,雖然台灣短期的大環境不利這個儲能技術的發展,然對於綠(儲)能與綠氫有大量需求的產業,如半導體產業的台積電與鋼鐵業的中鋼,預期將率先於短期內投入採用這個技術,中長期將由儲能業者以此技術取代部分鋰電池儲能。

參考資料

註解


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