Tentamen FYSA15 Miljöfysik 2013 03 21 8:00 14:00 Hjälpmedel: penna, räknare, tabell OBS! Svara endast på 9 av 10 frågor. I slutet av tentamen finns det tabeller och formler som kan vara till hjälp. Fråga 1: a) Det elektriska fältet varierar med avståndet till en laddning. Avtagandet är olika starkt för olika geometrier på ledaren. I Figur 1 3 (se på nästa sida) visar figurerna 1a, 1b, 1c och 1d alla samma funktion. På samma sätt visar figurerna 2a 2d en funktion och serien 3a 3d en tredje funktion. Skillnaden mellan figurerna i en serie är att i figurerna 1a, 2a och 3a är det elektriska fältet plottat som funktion av avståndet till laddningen eller ledaren. I figurerna 1b, 2b och 3b har vi stället 1/avståndet på x axeln, i figurerna 1c, 2c och 3c har vi inversen av avståndet i kvadrat på x axeln och i figurerna benämnda d är det i stället inversen av avståndet upphöjt till 3. Vilken figurserie (1, 2 eller 3) representerar E fältet som funktion av avståndet till en punktladdning? Vilken av figurerna i serien (a, b, c eller d) demonstrerar detta bäst? Vilken figurserie (1, 2 eller 3) representerar E fältet som funktion av avståndet till en laddad ledare? Vilken av figurerna i serien (a, b, c eller d) demonstrerar detta bäst? Vilken figurserie (1, 2 eller 3) representerar E fältet som funktion av avståndet till den ena plattan i en plattkondensator? Vilken av figurerna i serien (a, b, c eller d) demonstrerar detta bäst? Ange också korta motiveringar för dina svar. b) Generatorer och transformatorer är viktiga komponenter i vårt elsystem. Välj en av dessa komponenter (generator eller transformator) och beskriv dess funktion. OBS! Du ska bara beskriva en av dem.
0 0 0 0 0 0 0 1/Avstånd 3 / mm - 3 0 0 0 0 0 0 0 1/Avstånd 3 / mm - 3 0 0 0 0 0 0 0 1/Avstånd 3 / mm - 3 1a 1b 1c 1d 0 5 10 15 20 Avstånd /mm 0 0 0 0 0 0 0 1/Avstånd / mm - 1 0 0 0 0 0 0 0 1/Avstånd 2 / mm - 2 2a 2b 2c 2d 0 5 10 15 20 Avstånd /mm 0 0 0 0 0 0 0 1/Avstånd / mm - 1 0 0 0 0 0 0 0 1/Avstånd 2 / mm - 2 3a 3b 3c 3d 0 5 10 15 20 Avstånd /mm 0 0 0 0 0 0 0 1/Avstånd / mm - 1 0.5 1.5 2.0 1/Avstånd 2 / mm - 2 Uppgift 1, Figur 1-3,
Fråga 2 100 Temperatur / oc 50 0 50 100 150 0 500000 1000000 1500000 2000000 Tillförd energi /J I figuren ovan visas temperaturen som funktion av tillförd energi för ett kilo av ett ämne. a) Vad representerar de båda vågräta delarna, respektive området emellan dem? b) Vilka materialkonstanter används för beräkningarna som ligger till grund för respektive område i figuren? Konstanternas benämning eller symbol räcker. c) Vilket ämne är det? d) En skön vårdag när temperaturen kryper upp till 15 o C tar Nina ut en flaska kylskåpskall juice ( 8 o C) och ställer den på trädgårdsbordet i äppelträdets skugga. Efter en kort stund ser hon vattendroppar på flaskans utsida. Vad kan hon säga om den relativa luftfuktigheten denna vårdag? Hur hög måste den minst vara?
Fråga 3 Kaj kokar pasta till lunch. När pastavattnet kokat upp lyfter han försiktigt av grytlocket och lägger det på den plana spishällen. När han en stund senare försöker lyfta locket, lyckas han inte. Beskriv orsaken till att han inte lyckas lyfta locket. Hur kan man beräkna den kraft som behövs för att lyfta grytlocket under följande båda förutsättningar: när locket placerades på hällen fanns det under locket Alt 1: torr luft med temperaturen 100 o C Alt 2: enbart vattenånga med temperaturen 100 o C Fråga 4 a) Du kommer in i ett rum där väggarna har temperaturen 0 o C. Ange tre mekanismer genom vilka du förlorar värme till väggen. Beskriv dem också kortfattat. b) Energiförlusterna genom ett fönster minskar kraftigt om ett englasfönster byts mot ett tvåglasfönster. Diskutera kortfattat varför. Skulle en englasruta med dubbel tjocklek ge samma effekt som en tvåglasruta?
Fråga 5 a) Söndagen den 10 mars 2013 blåste det kraftigt över vissa delar av Sverige. Studera väderkartan nedan och dra slutsatser om i vilken del av Sverige som det blåste mest och ungefär från vilket väderstreck vinden kom. Motivera kortfattat. b) I figuren nedan är två olika exempel på hur temperaturen varierar med höjden över markytan illustrerade. Den streckade linjen representerar det torradiabatiska temperaturavtagandet, medan den heldragna representerar aktuella temperaturer. A 800 800 B 600 600 Höjd /m 400 200 0 0 5 10 15 Temperatur /oc Höjd /m 400 200 0 0 5 10 15 Temperatur /oc Gör en skiss över hur en rökplym kan se ut i respektive fall. Motivera kortfattat. Klara kalla vintermorgnar kan halterna av luftföroreningar nära marken bli höga. Förklara kortfattat hur dessa meteorologiska förhållanden bidrar till de höga halterna.
Fråga 6 Hur stor massa luft finns det över en kvadratmeter av jordens yta? Hur mycket väger all luft i atmosfären? Betrakta jorden som en sfär med radien 6370 km. Antag att trycket är 1x10 5 Pa och att temperaturen är 10 o C. Hur mycket kol finns det i atmosfären när koldioxidhalten nu når 400 ppm V. Fråga 7 a) Beskriv nedanstående sönderfall, dvs komplettera med reaktionsprodukterna: α sönderfall: > > β sönderfall: > > > b) En person blir förgiftad med 210 Po. I figuren nedan kan vi följa hur aktiviteten avklingar. Hur lång halveringstid har 210 Po? Hur stor del av den ursprungliga mängden 210 Po finns kvar efter ungefär 3 år? A/A0 0 0.90 0 0.70 0 0.50 0 0.30 0 0.10 0 0 50 100 150 200 250 300 Tid /dygn
Fråga 8 Radon i bostäder bidrar med en stor del av stråldosen till Sveriges befolkning. Vilka är de viktigaste källorna till radon i bostäder? I sönderfallskedjan nedan är de olika isotoperna grupperade (grupp A, B, C, D). Ange för varje grupp om den bidrar till stråldosen. Motivera kortfattat. Isotop Kemisk symbol Halveringstid Huvudsaklig strålning Grupp Uran 238 Torium 234 Protaktinium 234m Uran 234 Torium 230 Radium 226 Radon 222 Polonium 218 Bly 214 Vismut 214 Polonium 214 Bly 210 Vismut 210 Polonium 210 Bly 206 238 U 4,5 109 år α A 234 Th 24,1 d β 234m Pa 1,2 m β 234 U 2,5 105 år α 230 Th 8,0 105 år α 226 Ra 1,6 103 år α 222 Rn 3,8 d α B 218 Po 3,05 m α C 214 Pb 26,8 m β 214 Bi 19,7 m β, α 214 Po 1,64 10 4 s α 210 Pb 22,3 år β D 210 Bi 5,0 d β 210 Po 138,4 d α 206 Pb stabil Fråga 9 Rita upp nedanstående kretsprocess: Starta i punkt 1. Isoterm expansion till punkt 2 Isokor kylning till punkt 3 Isoterm kompression till punkt 4 Isokor värmning till punkt 1 Markera i figuren var värme tillförs respektive bortförs. Markera i figuren det som representerar processens nettoarbete. Under vilka förutsättningar är den maximala verkningsgraden för denna kretsprocess lika stor som den för Carnot processen, den ideala värmemaskinen.
Fråga 10 Jordens strålningsbalans med solen har varit föremål för en mer eller mindre vetenskaplig debatt i hundratals år. Den första kända publikationen om växthuseffektens betydelse för jordens medeltemperatur skrevs på 1820 talet av en vetenskaplig virtuos, Fourier. I mitten av 1800 talet mätte Tyndall absorptionen av infrarödstrålning (IR) i koldioxid, CO 2. Mot slutet av 1800 talet förutsåg Arrhenius förändringen i växthuseffekten på grund av ökad förbränning av kol. I mer än ett sekel har vi alltså haft både teoretisk och experimentell förståelse för klimatets beroende av atmosfärens förmåga att absorbera i IR. I början av 1900 talet fann Max Planck ett korrekt uttryck för utstrålningen från en totalstrålare (absolut svart kropp), dock utan de fullgoda teoretiska argument som vi därefter skaffat oss. Med hjälp av Plancks uttryck kan man, som du sett, beräkna hur mycket växthuseffekten påverkar jordens medeltemperatur, ca 30 grader: Växthuseffekten är alltså viktig för att jorden ska vara en beboelig planet men den pågående förändringen av växthuseffekten är bekymmersam. Vårt sätt att förhålla oss till kunskap varierar med tiden. Vid mitten av 1900 talet bekymrade man sig rätt lite om växthuseffektens klimatpåverkan, men vid millennieskiftet var frågan brännhet; det rådde en form av konsensus orkestrerad av IPCC. Under senare tid har intresset svalnat igen. Kanske beror det på att finanskrisen ses som mer akut, kanske har klimatförnekarna flyttat fram sina positioner. Faktum kvarstår: Entydig experimentell och teoretisk evidens visar att CO 2 är en växthusgas, om än inte lika stark som många andra gaser. a) De som förringar betydelsen av CO 2 halten i atmosfären brukar argumentera att halten redan är så hög att IR absorptionen inte ökar mer även om CO 2 halten ökar och därför skulle medeltempera turen vid jordytan inte påverkas märkbart. Men den argumentationen håller inte av flera skäl. Nämn två sådana skäl! b) Nämn en växthusgas med hög Global Warming Potential (GWP). Vilka tre faktorer påverkar värdet på GWP? c) Varför har svartkroppsstrålningen från jorden sitt intensitetsmaximum vid en längre våglängd än den från solen?
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 9,34 7 10,01 8 10,73 9 11,48 10 12,28 11 13,12 12 14,02 13 14,97 14 15,98 15 17,05 16 18,17 17 19,37 18 20,63 19 21,97 20 23,38 21 24,86 22 26,43 23 28,08 24 29,83 25 31,67 26 33,60 27 35,64 28 37,79 29 40,04 30 42,43
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 0,52 95 0,09 Etanol 2,4 78 0,84 114 0,11 Glycerol 2,4 290 18 0,19 Glykol 2,4 197 0,80 17 0,20 Metanol 2,5 357 1,11 98 0,092 Vatten 4,19 100 2,26 0 0,334 Tabell 3 Tryckenheter Pa bar torr atm 1 10 x10 6 7,50062x10 3 9,86923x10 6 100x10 3 1 750,062 0,986923 133,322 1,33322x10 3 1 1,31579x10 3 101,325x10 3 1,01325 760 1 Tabell 4 Ytor och volymer Area Volym Cirkel π r 2 Klot 4 π r 2 4 π r 3 /3 Några formler (OBS: det är inte självklart att alla behövs) Allmänna gaslagen 8,31451 / Molmasssa Tryck Sönderfall Halveringstid Aktivitet Lufttrycket (isoterm atmosfär)
Uppdaterad 2013-03-09 Periodiska systemet Period Grupp** 1 IA 1A 18 VIIIA 8A 1 1 H 08 2 IIA 2A 13 IIIA 3A 14 IVA 4A 15 VA 5A 16 VIA 6A 17 VIIA 7A 2 He 4.003 2 3 Li 6.941 4 Be 9.012 5 B 11 6 C 12.01 7 N 14.01 8 O 16.00 9 F 19.00 10 Ne 20.18 3 11 Na 22.99 12 Mg 24.31 3 IIIB 3B 4 IVB 4B 5 VB 5B 6 VIB 6B 7 VIIB 7B 8 9 10 11 IB 1B 12 IIB 2B 13 Al 26.98 14 Si 28.09 15 P 30.97 16 S 32.07 17 Cl 35.45 18 Ar 39.95 - VIII -- -- - 8-4 19 K 39.10 20 Ca 48 21 Sc 44.96 22 Ti 47.88 23 V 50.94 24 Cr 52.00 25 Mn 54.94 26 Fe 55.85 27 Co 58.47 28 Ni 58.69 29 Cu 63.55 30 Zn 65.39 31 Ga 69.72 32 Ge 72.59 33 As 74.92 34 Se 78.96 35 Br 79.90 36 Kr 83.80 5 37 Rb 85.47 38 Sr 87.62 39 Y 88.91 40 Zr 92 41 Nb 92.91 42 Mo 95.94 43 Tc (98) 44 Ru 101.1 45 Rh 102.9 46 Pd 106.4 47 Ag 107.9 48 Cd 112.4 49 In 114.8 50 Sn 118.7 51 Sb 121.8 52 Te 127.6 53 I 126.9 54 Xe 131.3 6 55 Cs 132.9 56 Ba 137.3 57 La* 138.9 72 Hf 178.5 73 Ta 180.9 74 W 183.9 75 Re 186.2 76 Os 19 77 Ir 19 78 Pt 195.1 79 Au 197.0 80 Hg 200.5 81 Tl 204.4 82 Pb 207.2 83 Bi 209.0 84 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) 110 111 112 114 116 118 Lanthanide Series* 58 Ce 140.1 59 Pr 140.9 60 Nd 144.2 61 Pm (147) 62 Sm 15 63 Eu 152.0 64 Gd 157.3 65 Tb 158.9 66 Dy 162.5 67 Ho 164.9 68 Er 167.3 69 Tm 168.9 70 Yb 173.0 71 Lu 175.0 Actinide Series~ 90 Th 232.0 91 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)