I slutet av tentamen finns det tabeller och formler som kan vara till hjälp. När ni ombeds motivera kortfattat räcker 2 5 väl valda meningar.

Transkript

1 Tentamen FYSA15 Miljöfysik :00 13:00 Hjälpmedel: penna, räknare, tabell Börja varje fråga på ett nytt papper I slutet av tentamen finns det tabeller och formler som kan vara till hjälp. När ni ombeds motivera kortfattat räcker 2 5 väl valda meningar. Introduktion till frågorna 1 4: I tidskriften Vi i villa, nr. 8, 2013, finns en lista över energispartips för villaägaren, se bilaga. Med lite fysikkunskaper kan man värdera hur pass bra tipsen är, och i så fall varför eller varför inte. Din uppgift är att värdera och diskutera följande tips, och motivera med användning av dina fysikkunskaper varför tipsen är bra. Fråga 1: Värmeledning och värmeövergång (10 p) I tips 1 och tips 12 står om att dra upp persiennerna dagtid och dra för gardinerna nattetid. Det står om värmestrålning, men vi ska först diskutera allmänt kring fördelar och nackdelar med gardiner och persienner (mellan rutorna) uppe eller nere, med avseende på all slags värmeöverföring. Vilken roll spelar det om det är gardiner eller persienner? På vilket/vilka sätt kan man spara energi? Fokusera sedan på värmeledning och värmeövergång: Betrakta hur temperaturen varierar på båda sidor om ett englasfönster ( se figuren nedan). Rita, som en hjälp i din analys, motsvarande figur för ett tvåglasfönster. Diskutera sedan på vilket sätt tvåglasfönstret är bättre än englasfönstret. Diskutera därefter vilken effekt gardiner och persienner har. Inne 20 C Temperatur Ute 10 C 1

2 Fråga 2: Energi (10 p) a) I tips 2 står om att torka tvätt utomhus och i tips 14 om att man kan centrifugera tvätten mer. På vilket sätt spar men energi om man torkar tvätt ute jämfört med om man använder torktumlaren? Är det energieffektivt att torka tvätt hängande inomhus? På vilket sätt spar man energi om man centrifugerar mer? b) Är det en signifikant energimängd man kan spara? Gör en överslagsberäkning av hur mycket energi det går åt för att torka tvätten från en tvätt. Gör lämpliga antaganden om t.ex. mängd vatten i tvätten och ge svaret i kwh. Fråga 3: Kyl och frys skåp (10 p) I energispartips nummer 7 får vi rådet att dammsuga baksidorna av kyl och frys skåp. Motivationen är att gallren inte ska vara tilltäppta och hindra luftflödet. Men, har det också betydelse om rören på baksidan är dammiga? Den frågan ska vi diskutera genom att analysera energiflöden i ett kylskåp. a) Rita upp en enkel modell av ett kylskåp där den kalla respektive varma reservoaren samt flöden av värme och arbete framgår. b) På vilket sätt kan damm på rören på kylskåpets baksida påverka värmeflödena i uppgift a)? c) Använd figuren och flödena i uppgift a) för att definiera köldfaktorn (motsvarar verkningsgrad för ett kylskåp). d) Antag att ett kylskåp på en viss tid behöver 1 kwh elektrisk energi. På denna tid tas 2 kwh värme från kylskåpets inre. Hur mycket värme tillförs kylskåpets omgivning? e) Vilken köldfaktor har kylskåpet i uppgift d)? 2

3 Fråga 4: Ljus (6 p) Vi ska nu knyta an till energispartips 10. Nedan visas intensitet som funktion av våglängd för två olika ljuskällor: en LED lampa och en glödlampa. a) Vilken figur representerar respektive ljuskälla? Du kan referera till dem som den övre respektive undre figuren. Motivera ditt svar kortfattat. b) Använd också figuren och ditt svar ovan för att förklara varför LED lampan har högre verkningsgrad (ljusutbyte: lumen/watt) än en glödlampa. c) Du ska köpa en ljuskälla till ett rum där du vill ha ett mysigt lite rödaktigt sken. I butiken finns två lampor med olika färgtemperatur ( 2700 K respektive 4000 K). Vilken av dem ska du välja? Motivera kortfattat. Lampa 1 Va gla ngd 3

4 Fråga 5: Ellära (6 p) a) Beskriv hur en transformator fungerar. Diskutera också vad den kan användas till och dess roll i vårt elsystem. b) Hur avtar fältet som funktion av avståndet till en punktladdning respektive en laddad ledare? Fråga 6: Ljud ( 8 p) a) Orgelpipor för en större kyrkorgel ska designas. Vilka parametrar bestämmer tonhöjden för en pipas grundton? b) Vad bestämmer tonhöjden i ett stränginstrument? c) Hur stor förändring i ljudtrycket motsvarar 3 db? 4

5 Fråga 7 (10 p) a) Beskriv nedanstående sönderfall, dvs komplettera med reaktionsprodukterna: sönderfall: 210 Po > 220 Rn > sönderfall: 14 C > 40 K > sönderfall: 18 F > b) En person blir förgiftad med 210 Po. I figuren nedan kan vi följa hur aktiviteten avklingar. Hur lång halveringstid har 210 Po? Ge en mycket kort motivering. Uppskatta hur stor del av den ursprungliga mängden 210 Po som finns kvar efter 3 år? A/A0 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Tid /dygn 5

6 Fråga 8: Kärnenergi (12 p) a) Vilken är den fysikaliska grunden för att energi frigörs vid fission respektive fusion (jmf begreppet bindningsenergi för nukleoner)? Beskriv också fissionsprocessen i våra svenska kärnreaktorer kortfattat. Använd gärna en figur. b) Kan allt uran användas som kärnbränsle eller måste det naturliga uranet prepareras på något speciellt sätt för att fungera som kärnbränsle? Vilken betydelse har det för hur väl vi utnyttjar bränslet? c) Diskutera varför klyvningsprodukterna inte är stabila, dvs varför de ligger en bit från den beta stabila linjen och därmed är radioaktiva och måste förvaras under lång tid. Beskriv kortfattat hur andra långlivade isotoper kan bildas i en kärnreaktor, utöver klyvningsprodukterna. d) Beskriv den metod som vi i Sverige kommer att använda för att ta hand om utbränt kärnbränsle. Ge några för och nack delar med denna metod. 6

7 Fråga 9: Klimat (10 p) a) Varför är vattenånga och koldioxid växthusgaser men inte kvävgas och syrgas? b) Nämn en växthusgas med hög Global Warming Potential (GWP). Vilka faktorer påverkar värdet av GWP? c) Solens temperatur är 5800 K och dess radie är 6,96 *10 8 m. Hur stor effekt sänds ut från solen i form av elektromagnetisk strålning? Vid vilken våglängd är solstrålningens intensitet som starkast? Antag att solen är en perfekt svartkropp. Fråga 10: Luftfuktighet (8) Via ventilationen tar vi in utomhusluft och värmer den till 25 o C. Vilken relativ luftfuktighet kommer vi att få inomhus om vi inte tillför eller tar bort något vatten? Gör beräkningen för de två fallen a) och b) nedan. a) En dimmig vinterdag när det är 1 o C ute och den relativa luftfuktigheten ute är 100%. b) En sommardag när det är 20 o C ute och den relativa luftfuktigheten ute är 50%. c) I vilket av fallen går det snabbast att torka tvätt inomhus och i vilket av fallen går det snabbast utomhus? Motivera kortfattat. 7

8 Tabell 1 Mättnadsångtryck för vattenånga som funktion av temperaturen. Temperatur Ångtryck / o C /mbar 0 6,10 1 6,57 2 7,05 3 7,58 4 8,13 5 8,72 6 9, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,43

9 Tabell 2 Egenskaper för några vätskor vid 20 o C och 1 atm. Kokpunkt Smältpunkt c/ kj/(kg * o C) T v / o C L v /(MJ/kg) T f / o C L f /(MJ/kg) Aceton 2,2 56 0, ,09 Etanol 2,4 78 0, ,11 Glycerol 2, ,19 Glykol 2, , ,20 Metanol 2, , ,092 Vatten 4, ,26 0 0,334 Tabell 3 Tryckenheter Pa bar torr atm 1 10 x10 6 7,50062x10 3 9,86923x x ,062 0, ,322 1,33322x ,31579x ,325x10 3 1, Tabell 4 Ytor och volymer Area Volym Cirkel π r 2 Klot 4 π r 2 4 π r 3 /3 Tabell 5 Energienheter J kwh ev 1 0, x ,2418 x ,6 x ,471 x ,6021 x ,503 x

10 Några formler (OBS: det är inte självklart att alla behövs) Gaser Allmänna gaslagen 8,31451 / Molmasssa Tryck Lufttrycket (isoterm atmosfär) Värme Temperaturförändring Fasövergång Värmetransport Värmeeffekt Ljus Stefan Boltzmanns lag 5, / Wiens förskjutningslag 2, Strålning Sönderfall Halveringstid Aktivitet Matematik ln ln ln ln ln 1 ln ln Linjär värmeledning Värmeövergång

11 Uppdaterad Periodiska systemet Period Grupp** 1 IA 1A 18 VIIIA 8A 1 1 H IIA 2A 13 IIIA 3A 14 IVA 4A 15 VA 5A 16 VIA 6A 17 VIIA 7A 2 He Li Be B C N O F Ne Na Mg IIIB 3B 4 IVB 4B 5 VB 5B 6 VIB 6B 7 VIIB 7B IB 1B 12 IIB 2B 13 Al Si P S Cl Ar VIII K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc (98) 44 Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La* Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po (210) 85 At (210) 86 Rn (222) 7 87 Fr (223) 88 Ra (226) 89 Ac~ (227) 104 Rf (257) 105 Db (260) 106 Sg (263) 107 Bh (262) 108 Hs (265) 109 Mt (266) () () () () () () Lanthanide Series* 58 Ce Pr Nd Pm (147) 62 Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Actinide Series~ 90 Th Pa (231) 92 U (238) 93 Np (237) 94 Pu (242) 95 Am (243) 96 Cm (247) 97 Bk (247) 98 Cf (249) 99 Es (254) 100 Fm (253) 101 Md (256) 102 No (254) 103 Lr (257)

12 viivitla Gil!*il UtWcket "många bäckar små' är ganslra utslitet, men nar det gäller att spara energi i hemmet har det aldrig varit mer aktuellt Här är nagra enkla tipsl Av Emelie Gressberg och AnneMarit Muri Foto Colourbox, istockphoto sätt att spara energt 20 utan uppoffringar 4. :##::å 5:lill'J: Xi:å:H varorna kyler va randra.l brist på mai kan du faktiskt fylla frysen med böcker. tr J t Väljenfrysbox.Vrssttarfrysbox- arna mer plats än f rysskåpen, men de nya boxarna är bättre uren miljösynvinkeleftersom det mesta av kylan stannar kvarvid öppning. 9, I Dra upp persiennerna. Låt solen I r kika in ochvärma upp rummen på NåTå:T8fi :*,:: :!XT 3i,i,"J' byts ut, men utan atl möblerna hinner kylas ner. dagtid, året om. I'g t1 t Torka kläderna utomhus. Derrar G t litelangre tid än tumlaren, men det i minskar slitaget på klåderna och påverkar inte miljon. Och så luktardeigottl tt AnvändvattenI r kokare. Envaitenkokare drar en tredjedel av energin jämfört med en spis, och ska du koka exempelvis pasta ärdet både snabbare och smarlare att låta vatinet koka upp i vattenkokaren snarare ån på spisen. vtivllh September2ol 6, il;ff!iläliä,iiy l,:;tl[ä'. samtidigt som värmen behålls i rummet. Dessutom mår maten bättre av att få tina långsamt. ], Dammtorka kylen. Drafram kyl-,/ I t fusskäpet då och då, och se till att gallretpå baksidanärdammfritt. Då kommerdet lättare in Iuft, och du sparenergi. O Nya munstycken. Byterou uttre o'unäur. o.n munsrycken kan du sänka energianvändingen för varmvatten med upptill40 procent. iel. gu'-n,u...j*es8#.,,.' -***-d t O. Hff ffirji:fiffåli;liliti, lågenergi lampor är fem gånger mer elfektiva och hållertio gångerså länge som en gammalglödlampa.

13 viivilla Supertips: Tilläggsisolera huset remsor Il.r:::'l',*l*1"*fffiä el ler expanderande fönsterdrev av impregnerad skumplast. Man kan även använda fogskum, men det stelnar kan vara låge att tilläggsisolera runt fönster och på vinden redan nu för att snabbt och kräver stor noggrannhet. hålla nere energikostnaderna. Man brukar säga att man tjänar in vad det.7 I8,å"å;ffi:ilätäfflli framför elementen, men tänk på att du biockerar värmespridningen. Äldre hus som byggdes innan man börjadeanvändaglasull har ofta utrymmen som är ihåliga, särskilt på vinden. Det mest effektivaär allfylla utrymmena med obunden, obrännbar glasullsom blåses in med en lösulls- 7 kostar att tilläggsisolera inom loppet av 3-5 vintersäsonger, i och med minskade energiutgifter../ 7 Det viktigaste är att täta runt fönstren,därförsvinner den största delen av värmen från ett hus. Det mest effektiva äratttäta med glasulls- maskin. Anledningen till att man vill fylla ut hela utrymmen är att det hindrar konvektion. lika länge. En litervatten som försvinner icentrifugen iställetför ien eldriven tork sparar digen krona - en liten förmögenhet på ettårfören barnfamiiji 15, btri#;li:ffi*i::å'" I 9, diarneter än kasirullen, ökar energiförbrukningen med 20 procent. i 2n 12.3,:,',ä ä:i,'ffi#; 3fi ä:iil,åliffi ;:['Jäå ningoch apparater som står r standbylåge stårför uppemot 20 procent av ett hushålls samiade elförbrukning. Grenkontaktergör det lätiare att stänga av rt"ru urparater samtidigt..r:'co :äi; sarskilt på vintern, sparas energr erlersom vä rmeutstråln ingen mi nskar. I3. 60 't',ffifåt:fi vara kvar idiskhon tills det har kallnat, och har du använt ugnen och är klar kan du låta luckan stå öppen iills varmen iagii slut. Båda delarna värmer upp rummet "gratis', men se upp så att du inte har små barn som kan komma ivägen. 14,.Tiil:'#.Til,il::13fl ' fl högre varvantal slipperdu torka kläderna o'^\ \, 40!i3'[,?;å''*' i 'i,&6å#a;!sdt:- I 6, 15q låi,tili3i;!?::t*1,';;åiå,,, den en tredjedel mrndre energr. 17.:!:li:f#fl åä:äl;yå:l? ökar energif örbru kn ingen rejält. J i i' '. "f} 6:1;49,;,!., 20.1i:Hn5fr"täxff:[ rena även om du sänkerivättemperaturen med 10 grader mot rekommenderat. September2oli n,rtn'.viivilla.se ZS