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

Transkript

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

2 Miljöfysik FK hp Tre delar Del 1 : Miljöfysik (D. Milstead) Del 2 : Kvällskurs Jordens klimat och klimatförändringar Del 3 : Luftförenginar (K. Elihn) Kursbok : Miljöfysik : Energi för hållbar utveckling (M. Areskoug Studentlitteratur) + kompendium

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 Värme från luft, mark och vatten Vattenergioch vindenergi, bioenergi , Kärnenergi räkneövningar och en sammanfattningsföreläsning Uppochnedklassrum Inspelade föreläsningar + diskussioner Energikvalitetoch energihushållning 14 Energi 16 Materia 17 Strålning 18

4 Scalablelearning Använd School/University account Använd Stockholms Universitet Kolla dina detaljer Välja Student Titta på filmen eller gå direkt till slutet av filmen. Klicka på pilen bredvid orden ScalableLearningpå det övravänstra hörnet av fönstret Gå till My courses-> Joinnew course Använd enrollment key: DMUMT Klicka på Miljöfysik: Select a Module Nu kan du klicka på en föreläsning och se filmen och svara på problem. Lycka till!! Obs! Föreläsningarna på Youtube du får se länken på kursens hemsida om du har problem med Scalable Learning.

5 Del 2 -Kvällskurs

6 Del 3 -Föreläsningar Föreläsningar om luftföreningar av Karine Elihn den 7 feb 9:15-12 i Ahlmannsaleni Geovetenskapenshus.

7 Betygskriterier

8 Kursens hemsida

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

10 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 P mängden energi som omvandlas W = = omvandlingstiden t Enheter: Watt 1W= 1 Joule per sekund

11 kwh kwh är en vanlig energienhet när man diskuterar energianvändning: 1 kwh =1000 Wh = 1000 W 3600 s = W s = 3.6 MJ

12 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.

13

14 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? 4.63 kw 2.57 kw 251 kw

15 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? W φ = t W = = t 6 10 = = φ = = J s W= kw

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

17

18 12 (1 TW = 10 W) Fråga Det energiflöde från solen som träffar jorden är TW. Vad är intensiteten? 421 Wm Wm Wm 2

19 12 (1 TW = 10 W) Fråga Det energiflöde från solen som träffar jorden är TW. Vad är intensiteten? Flödet S = Area Area= 4π r r ( ) = m Area=4 π = m S = = Wm 2

20 Sammanfattning Storhet Beskrivning Enhet Samband Exempel Energi Effekt Abstraktbegrepp som kan användas för att beskriva förändringar i ett system. Finns i olika former, som kan omvandlas till varandra. Energiomvandlingsh astighet Energiflöde Energitransporthasti ghet Intensitet Energiflöde per areaenhet J, kwh, 1kWh = 3.6 MJ W=Pt Kemisk energi i 1 liter bensinär ~ 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 Energiflödetfrån solen till jorden är ~ TW Watt per kvadrat mater, W/m 2 S=φ/A Solstrålningens intensitet är ~1400 W/m 2

21 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 has samma temperatur- Första huvudsatsen Energi kan varken skapas eller förstöras, den kan endast byta form.

22 Termodynamikens huvudsatser Andra huvudsatsen Värme flödar aldrig av sig själv från en kallare kropp till en varmare. Detta innebär att den total entropin i universum blir större Entropi = oordning

23 Temperatur Termodynamiska kvantiteter Ett mått på det som uppfattas som värme och kyla. Celsiusskalan Kelvinskalan T T K C Fahrenheitsskalan = T C T F 9 = TC Termisk energi kallas också "värme" Termisk energi = Temperaturökning molekylers och atomers kinetiska och potentiella energier För att höja temperaturen på en kropp behövs en energimängd Qsom beror på kroppens massa m, temperaturökningen T och en materialegenskap, specifika värmekapacitenten c. Q = m c T

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

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

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

27 Varifrån kommer vår energi? Geotermisk energi Jorden får energi och emitterar energi.

28 Varifrån kommer vår energi? Energin fördelas på mer och mer material och blir alltmer utspridd.

29 Användningen av energiflödet Solen ger jorden ett inkommande energiflöde = TW 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

30 Energiflöden på jorden Effekt per person (W) Människorsbiologiska effekt (från mat) Tekniskeffekt (uppvärmning, transporter, industri) 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 60gånger).

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

32

33 Fråga Energibehovet för en fullvuxen person är 2000 kcal per dag. Beräkna manniskokroppens effekt. Beräkna den uttryckt i watt! (a) 500kW (b) 26 W (c) 97 W

34 Fråga Energibehovet för en fullvuxen person är 2000 kcal per dag. Beräkna människokroppens effekt. Beräkna den uttryckt i watt! 1 dag = s= 86400s kcal = J= J Effekten = = 96.9W

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

36 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