Miljöfysik. Föreläsning 1. Information om kursen Miljöfysik Viktiga termodynamiska storheter Jordens energibudget

Transkript

1 Miljöfysik Föreläsning 1 Information om kursen Miljöfysik Viktiga termodynamiska storheter Jordens energibudget

2 Miljöfysik FKU hp Kursbok : Miljöfysik : Energi för hållbar utveckling (M. Areskoug Studentlitteratur) Föreläsningsanteckningar läggs upp på

3 Föreläsningsplan: Del 1 Ämne Kursbok (Kap.) Miljöfysik, materia-energi-liv 1-2 Växthuseffekten UV-strålning och ozonskiktet, fossilenergi 5.1, Att utnyttja solenergi Solvärme Solel räkneövningar och en sammanfattningsföreläsning Studiebesök Värme från luft, mark och vatten Vattenenergi och vindenergi, bioenergi , Kärnenergi Obs! Provisorisk! Energikvalitet och energihushållning 14 Energi 16 Materia 17 Strålning 18

4 Betygskriterier

5 Miljöfysik Miljövetenskap Natur Fysik Energi och energiomvandlingar Människa Teknik Samhälle Energiresurser Miljöfysik Fysikaliska möjligheter och begränsningar Energianvänding

6 Grundläggande begrepp energi och effekt Energi, W, är en viktig fysikalisk storhet Olika typer: potentiell energi, kinetisk energi, kemisk energi osv. Den totala energin är alltid bevarad Enheter: Joules (SI), kwh, ev, Cal 1 cal =4.184 J 1J = energin som behövs för att lyfta 0.1kg höjden 1m. Effekten, P, = mängden energi som omvandlas per tidsenhet mängden energi som omvandlas W P = = omvandlingstiden t Enheter: Watt 1W= 1 Joule per sekund

7 kwh och ev kwh är en vanlig energienhet när man diskuterar energianvändning: 1 kwh =1000 Wh = 1000 W 3600 s = W s = 3.6 MJ ev används när man diskuterar atomer: 18 1 ev = J

8 Energiflöde Energiflöde φ beskriver transport av energi. Energi kan förflyttas från en punkt i rummet till en annan på flera olika sätt (t.ex. strålningsenergi flödar genom rymden från solen till jorden). φ = W = t J Enhet: =W s Energimängden som förflyttas förflyttingstiden Begreppet energiflöde svarar mot transport av energi. Begreppet effekt svarar mot omvandling av energiform till en annan.

9 Fråga För att värma en villa under vinterhalvårets 180 dagar behövs kwh. All denna energi transporteras ut genom väggar, fönster, ventiler osv. Vad är medelenergiflödet från huset under vintern?

10 Intensitet Intensitet S är ett mått på hur koncentrerat i rummet ett energiflöde är vilken area A den är fördelad över. S Energiflödet φ = = Area A Enheter W m 2.

11 12 (1 TW = 10 W) Fråga Det energiflöde från solen som träffar jorden är TW. Vad är intensiteten?

12 Sammanfattning Storhet Beskrivning Enhet Samband Exempel Energi Effekt Energiflöde Intensitet Abstrakt begrepp som kan användas för att beskriva förändringar i ett system. Finns i olika former, som kan omvandlas till varandra. Energiomvandlings hastighet Energitransport hastighet Energiflöde per areaenhet J, kwh, 1kWh = 3.6 MJ W=Pt Kemisk energi i 1 liter bensin är ~ 10 kwh J/s = watt, W P=W/t En glödlampa på 100 W omvandlar varje sekund 100 J elenergi till ljus och värme J/s = watt, W φ=w/t Energiflödet från solen till jorden är ~ TW Watt per kvadrat mater, W/m 2 S=φ/A Solstrålningens intensitet är ~1400 W/m 2

13 Termodynamikens huvudsatser Nollte huvudsatsen Om två termodynamiska system är i termisk jämvikt med ett tredje, då är de även i termisk jämvikt med varandra. Termisk jämvikt -> föremål har samma temperatur Första huvudsatsen Energi kan varken skapas eller förstöras, den kan endast byta form.

14 Termodynamikens huvudsatser Andra huvudsatsen Värme flödar aldrig av sig själv från en kallare kropp till en varmare. Detta innebär att den totala entropin i universum ökar Entropi = oordning

15 Termodynamiska Storheter

16 Termodynamiska storheter Förångning Q = energin som behövs för att förånga en viss vätska med massan m Q= Im I = specifika ångbildningsvärmet för vätskan. g g Smältning Q = energi som behövs för att lösgöra molekyler eller atomer från varandra vid processen: Fast flytande Q= Im I = specifika smältvärmet för föremålet. s s

17 Storhet Beskrivning Enhet Samband Termisk energi (värme) Sammanfattning Den totala (potentiella + kinetiska ) energin av alla molekyler + atomer i ett system. J Specifik värmekapacitivitet c Materialegenskap som bestämmer hur mycket energi som behövs för att öka temperaturen. J kg -1 K -1 Q=mc T Specifika ångbildningsvärmet I g En egenskap av en vätska som bestämmer hur mycket energi som behövs för att förånga vätskan. J kg -1 Q=I g m Specifika smältvärmet I s En egenskap av ett material som bestämmer hur mycket energi som behövs för att smälta materialet. J kg -1 Q=I s m

18 Varifrån kommer vår energi? Fossil energi Flödande energi (förnybar energi) Kärnenergi Fossilenergi Kärnenergi Förnybar energi Total kwh Energin som används varje år av jordens befolkning.

19 Jorden i energiflödet från solen Geotermisk energi Jorden får energi och emitterar energi.

20 Jorden i energiflödet från solen Energin fördelas på mer och mer material och blir alltmer utspridd. Energiflödet, mängden energi som per sekund når jorden ~ TW 12 1 TW = 10 W

21 Användningen av energiflödet Solen ger jorden ett inkommande energiflöde = TW 50% når jorden 0.1% omvandlas av växterna till kemisk energi. Bidraget av energiflödet till vår energianvänding : Solenergi (solfångare osv)=0.002 TW Vind-, vattenkraftverk = 0.3 TW Biobränsle =1.5 TW ( Geotermiska processer = TW) Total 2 TW 0.001% av energiflödet

22 Befolkningens effekt Befolkningens effekt =14 TW Vi utnyttjar ständigt effekten i tekniska anordningar för uppvärmning, transport, industri osv. Från energiflödet 2 TW Fossila bränslen 11 TW Lagrad energi (gammal solenergi i växtdelar). Kärnenergi ~ 1 TW

23 Energiflöden på jorden Människors biologiska effekt (från mat) Teknisk effekt (uppvärmning, transporter, industri) Växterna binder (fotosyntesen) Energiflöde totalt (TW) Effekt per person (W) Solenergi som når jorden Vi en använder en liten del av den totala energin som kommer till jorden. Husuppvärmning, bilar osv vi förbrukar 20 gånger mer energi än vad vi behöver som biologiska varelser. (I Sverige är det 60 gånger).

24 Förnybar energi geotermisk energi Temperaturer i jorden Temperatur Djup 2000 km 4000 O C 5000 O C 4000 km 6400 km Höga temperaturer men geotermisk energi bidrar bara en liten del av vår energibudget

25 Fråga Energibehovet för en fullvuxen person är 2000 kcal per dag. (a) Beräkna manniskokroppens effekt. Beräkna den uttryckt i watt! (b)antag att en person, liksom de gröna växterna, kunde leva på vatten, luft och solenergi. Hur stor kroppyta behöver en person. Antag att en person kan utnyttja solenergin till 100%.

26 Fråga Fotosyntesen är den process där levande organismer tar hand om energi från ljust och lagrar den i kemiska bindningar. Hur kan man se på en grön växt att fotosyntesens effektivitet är mindre än 100%?

27 Sammanfattning Grundläggande begrepp Energi, effekt, energiflöde, intensitet + kvantiteter som bestämmer energin som krävs för att ändra ett fysikaliskt system. Termodynamiska lagar Energiflödet från solen Jordens energibudget Användningen av flödet Befolkningens energianvändning

28 Miljöfysik Föreläsning 2 Det elektromagnetiska spektrumet Svartkroppar Växthuseffekten

29 Grundläggande begrepp det elektromagnetiska spektrumet Ljus kan betraktas som en våg. Synligt ljus är en liten del av spektrumet

30 Våglängd vs temperatur Temp. i de röda områdena > Temp. i de svarta områdena λ λ röd svart 7 6 m (synligt ljus) m (osynligt ljus : Infrarött ljus) 10 Våglängden av emitterat ljus beror på kroppens temperaturen.

31 Svartkroppar En "svartkropp" emitterar elektromagnetiska strålning. En svartkropp absorberar allt ljust den träffas av och strålar värme enligt en viss fördelning (svartkroppesfördelning) som beror på föremålets temperatur. Många exempel på svartkroppar : planeter, solen, våra egna kroppar.

32 Två viktiga ekvationer Wiens strålningslag : λ max max = [ ] σ = Stefan-Boltzmanns konstant = mk = våglängdens topp, T = föremålets temperatur Stefan-Boltzmanns lag: λ P T = σt P = Effekt/area (emitterad energi/tid /area), Wm K

33 Fråga Solljuset har sin maximala intensitet för λ 500 nm (a) Uppskatta solytans temperatur! (b) Vilken färg svarar mot denna våglängd?

34 Energin på jorden Solen strålar ut isotropiskt Effekt/area som träffar jorden S = Wm Jorden reflekerar bort en andel av ljuset: α 0.3 Jorden ser ut som en 2-D "skiva" : A= π R e 2 Solens utstrålning som aborberas av jorden = ( 1 α) S πr e = W