Miljöfysik. Föreläsning 13 Sammanfattningsföreläsning

Miljöfysik Föreläsning 13 Sammanfattningsföreläsning

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

Grundläggande begrepp

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

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.

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.

Viktiga kvantiteter 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 ~170000 TW Watt per kvadrat mater, W/m 2 S=φ/A Solstrålningens intensitet är ~1400 W/m 2

Olika typer av energikällor Typ Elektrisk energi Kemisk energi Kärnenergi Termisk energi Geotermisk energi Vindenergi Vattenenergi Bioenergi Solstrålning Mekanisk energi Elektroner i en ström Bindningar inom en växt Bindningar inom en kärna Energisom ett material/gas/vätska har på grund av temperatur Termisk energi från jorden Vindens kinetiska energi Vattens kinetiska energi Energi från biologiskt material Energi i en elektromagnetisk våg Kinetisk + potentiell energi Energi är alltid bevarad! En viss typ av energi kan omvandlas till en annan typ.

Kvalitetsfaktor Energiform Mekanisk (potentiell, kinetisk) energi Kvalitetsfaktor (omgivningstemp.=27 O C) 1.00 Elektrisk energi 1.00 Solstrålning 0.95 Kemisk energi 0.85-0.90 Termisk energi vid vid 285 0.46 Termisk energi vidvid70 O C 0.13 Kvalitetsfaktorn bestämmer vilken andel av energin kan omvandlas till elenergi (som har hög kvalitet). Förstår ni hur vi kan använda en energis kvalitet för att använda energi på ett effektivt sätt?

Energikällor

Strålning från solen och svartkroppar

Jorden i energiflödet från solen Energin fördelas på mer och mer material och blir alltmer utspridd.

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.

kwh och ev kwh är en vanlig energienhet när man diskuterar energianvändning: 1 kwh =1000 Wh = 1000 W 3600 s =3 600000 W s = 3.6 MJ ev används när man diskuterar atomer/kärnor: 18 1 ev = 1.602 10 J Jag föreslår att ni använda SI enheter (J, kg, m,s,..) när ni utför en beräkning. Ni kan förvandlar ert resultats enheter vid slutet.

Två viktiga ekvationer 3 Wiens strålningslag : maxt = 2.90 10 mk λ max = våglängdens topp, T = föremålets temperatur Stefan-Boltzmanns lag: 4 [ ] σ = Stefan-Boltzmanns konstant = 5.67 10 λ P = σt P = Effekt/area (emitterad energi/tid /area), 8-2 -4 Wm K

Svartkroppar/strålning Solen och planeterna kan betraktas som svartkroppar. Wiens och Stefan-Boltzmanns lagar kan användas för att förstå temperaturer och strålning. Växthuseffekt viktigt höja temperaturer för planeter som har atmosfär.

Att absorberar strålning Strålning från solen UV Strålning från jorden Förstår ni varför ozon (O 3 ) är viktig för oss och vilken del av det elektromagnetiska spektrum påverkas? Växthusgaser : CO, H O.. 2 2

Några definitioner Instrålning, Instensitet ( S eller I) Den mängd strålningsenergi (t.ex. UV-ljus)som infaller mot en yta per areaenhet och tidenhet. Enhet: W m 2 Direktstrålning Instrålning direkt från solen. Mätinstrument för direktinstrålning, alltså en riktad mätare som t.ex. ej fånger upp ljus från himlen kallas pyreheliometer. Diffusstrålning Instrålning av reflekterad eller spritt ljus. Det ljus (och annan strålning) som kommer från himmel, moln och mark m.m. utgör tillsammans den diffusa instrålningen.

Några definitioner Totalinstrålning Summan av direkt och diffus instrålning mot en yta t.ex. en solfångare. Mätinstrument kallas pyranometer eller solarimeter. Globalinstrålning Totalinstrålningen mot en horizontell yta.

Verkningsgrad Kraftverk omvandlar energi från en typ till elenergi (mer nyttig). Elenergi-ut Verkningsgrad= Energi-in Man kan använda begreppet för processer som inte har någonting med ett kraftverk att göra. T.ex. energi från solljuset omvandlas till kemisk energi via fotosyntesen. Kemisk energi Verkningsgrad= Soljusets energi

Verkningsgrader Värmekraftverk Termisk energi elenergi η 0.3 Termisk energi från fossila bränslen, kärnenergi, geotermisk energi. Vattenenergi Ordnad kinetisk energi elenergi η 0.8-0.9 Vindenergi Ordnad kinetisk energi elenergi η 0.3

Verkningsgrader Fotosyntesen Solljusets energi kemisk energi η 0.005 Solfångare Solljusets energi värmeenergi η 0.4 0.5 Solcell Solljusets energi el η 0.15 Förstår ni varför verkningsgraderna är så annorlunda? Förstår ni energiförluster med de olika metoderna?

Värmekraftverk En tryckskillnad behövs för att driva hjulen. Trycket måste sänkas på turbinens utloppssida. Man måste kyla ångan med en värmeväxlar (vattnet från havet kan användas). För att få ett värmekraftverk som funkar måste vi förlora energi (spillvärme)

Carnotverkningsgraden Ju större temperaturskillnaden T T är desto större tryckskillnaden 1 2 mer kinetisk energi som man kan få ut. Den teoretiskt högsta möjliga verkningsgraden : Carnotverkningsgraden η max T T T T T 1 2 = = 1 1 (temperaturer i kelvin)

Verkningsgraden Man kan bara omvandla en del av den termiska energin Q till den användbara kinetisk energin W. Resten omvandlas till oanvändbar spillenergi Q 2. 1 W Verkningsgraden η= ; Q Q η= Q Q 1 2 1 1 W = Q Q 1 2

Förstår ni.. Hur man använder olika tekniker för att utnyttja en energikälla? T.ex. förstår ni.. hur ett kärnkraftverk fungera? hur en bränslecell fungera?

Radioaktivitet N = N e N 0 1 2 0 λt = antalet radioaktiva kärnor vid tiden t = N = antalet kvarande kärnor vid tiden t λ = Sönderfallskonstant T ln 2 = = halveringstiden λ 0 N 0 N0 2 Aktiviteten R = Antalet sönderfall per tidsenhet R = R e R 0 0 λt = aktiviteten vid tiden t = 0 R = aktiviteten vid tiden t Enhet : Becquerel. 1 becquerel =1 Bq = 1sönderfall/sek. T 12 α, β, γ -strålning.

Fission Fissionen upptäcktes 1938 av Otto Hahn, Fritz Strassman och Lise Meitner. ( ) ( ) 238 235 I naturen består U av 2 isotoper: U 99.3% och U 0.7%. De båda isotoper splittras om de växelverkar med neutroner (s.k. inducerad fission) T.ex. n + U U Ba + Kr + 3 n 1 235 236 * 144 89 1 0 92 92 56 36 0 n + U U Xe + Kr + 2 n 1 235 236 * 144 94 1 0 92 92 54 38 0 200 MeV kinetisk energi släpps ut. Obs! 1 inkommande neutron men 2-3 neutroner kommer undan!

Reaktionens energi Q bestäms av masskillnaden mellan partiklar i början och slutet. ( ) Q = mc = m + m m m c 2 2 a X Y b Q > 0 exotermisk reaktion energin släpps ut som kinetisk energi och γ -strålar. Q < 0 endotermisk reaktion den inkommande partikar måste ha en total energi som är Q för att tillåta reaktionen att äga rum. Q = 0 Den totala kinetiska energin förändras inte.

Kedjereaktion! 1 neutron går in, 2-3 neutroner går ut! De inducerar fission i andra kärnor. En kritiskmassa krävs för att tillåta processen att öka med tiden. Det beror på materialet, geometrin och utrustningen. Processen används i kärnkraftverk och atombomber.

Kontrollerad fission -kärnkraftverk 235 I genomsnitt får man 2.5 neutroner i en U fission. Fission äger rum i reaktorns härd som kyls av vatten. Kontrollstav (bor) absorberar neutroner som sänker reaktions farten. Det är mer sannolikt att långsamma neutroner inducerar fission. Kollisioner med en moderator sänker farten. Reaktorn värmer vattnet och ånga driver turbiner som producerar effekt.

Dosbegrepp Om en levande organism utsätts för joniserande strålning, kan olika effekter och skador uppkomma. Vi behöver ett begrepp som beskriver omfattningen av bestrålningen, dosen. Absorberad dos D Energimängd Q H = w D w R R som den joniserande strålningen överför i en massa m. Q D = ; enheten : J/kg =Gy (gray) m Ekvivalent dos H α-partiklar stoppas tidigt mer concentrerad energi än β, γ. ( weight, radiation) = 20( α),1( β, γ)

This image cannot currently be displayed. Dosbegrepp Organ ellervävnad w T Könskörtlar 0.20 Röd benmärg 0.12 Tjocktarm 0.12 Lungor 0.12 Mage 0.12 Urinblåsa 0.05 Bröst 0.05 Lever 0.05 Hud 0.01 Övriga organ 0.05

Inverkan på miljön Vi diskuterade hur de olika typerna av energikällor påverka miljön Kan ni jämföra olika typer av energikällor när det gäller hur de påverka miljön?

Räkneövning/Exempel på tentafrågor

Att lösa problem Ni får en formelsamling Huvudsaken är inte att ni kan komma ihåg en viss den utan att ni kan använda den. Det finns vissa frågor som inte kräver att ni utför en beräkning.

Fråga (a) Beskriv hur ett värmekraftverk fungerar. Använd ett diagram. Förklara hur värmekraftverket förlorar energi. (b) Ett värmekraftverk har en verkningsgrad η=0.35. Om den termiska energin som går in i kraftverket är 700000MJ hur mycket energi förloras?

Värmekraftverk En tryckskillnad behövs för att driva hjulen. Trycket måste sänkas på turbinens utloppssida. Man måste kyla ångan med en värmeväxlar (vattnet från havet kan användas). Spillvärme enligt diagrammet.

(b) E E in out Ein 700000 = 0.35 Eout = = = 200000 MJ 0.35 0.35 E + E = E out förlorad in E = E E = 700000 200000 = 500000MJ förlorad in out

Fråga Betrakta ett perfekt värmekraftverk som har det högsta värdet på 1 ( η = 0.5) verkningsgraden som teoretiskt är möjligt. Den höga temperaturen O är 150 C vad är den låga temperaturen? ( 150 + 273) T2 T η = = = 0.5 T 150 + 273 2 ( ) ( ) T = 150 + 273 0.5 150 + 273 = 211.5K Obs! Enheter (K)!!

Fråga Man kan faktiskt få en frys i köket att arbeta lite extra på vintern och värma huset som värmepump. Antag att man varje dag under vinterhalvåret fryser i 10 l vatten. Nästa dag plockar man ut isen och åter in 10 l vatten. (a) Hur mycket gratis värmeenergi får man ut från frysningen av vattnet? (b)hur stor blir den extra elförbrukningen (värmefaktor är 3). (c) Hur mycket pengar sparar man jämfört med direktverkande elvärme. Antag att 1kWh kostar 80 öre. (d) Bör man kasta isen i huset?

(a) Från den första föreläsningen Smältning Q = energi som behövs för att lösgöra molekyler eller atomer från varandra vid processen: Fast flytande Q = I m I = specifika smältvärmet för föremålet. s För is : I = 333kJ/kg s s Energin man får ut från frysning = Q = I m 10 V= 10 l = m ρ=1000 kgm 1000 10 massan = 1000 = 10kg 1000 Energin vi får ut = 3330 kj. 3 3 Vi gör detta varje dag under halvåret Den totala energin vi får ut = 3330 180kJ=599400 kj 600 MJ s

(b) Q = 600 MJ, Q + W = Q 2 2 el 1 Värmefaktorn : η Q 1 = = Q1 = Wel Q + W = Q Q + W = 3W 3 3W 2 el 1 2 el el Q 600 Q2 = W W = = = 2 2 (c) Vi får energi 2 2 el el 300 1 MJ=0.278kWh W = 300 0.278 = 83kWh Den extra elförbrukning kostar ( ) el Q1 W el el MJ = 83 0.8 66SEK Men vi får energi = 3 = 3 300MJ=250 kwh Om vi användr direkt elförbruking skulle detta kosta = 3 66SEK Vi sparar 3 66 66 = 132SEK (d) Nej! Inte i huset! Smältande kräver energi så vi måste ge tillbaka energin som vi fick genom att frysa vattnet!

Fråga 2 På 1m åker kan man odla fyra sockerbetor som vardera får massan 1.25kg. Sockerhalten är 20%. Energivärdet för socker är 17 MJ/kg. Beräkna sockerbetans verkningsgrad. Totala instrålade energin under ett år i Sverige är 1000 kwh per m 2. Sockermassan = 4 0.2 1.25kg. 6 Energin från socker = 17 0.2 1.25 10 J 3 Instrålade energin= 1000 10 60 60 J 6 17 0.2 1.25 10 Verkningsgraden = 0.4 3 1000 so = 7% 10 60 60

Fråga (a) Förklara kortfattat varför vattenergi bidrar mycket mer än vindenergi till vår energibudget. (b) Bektrakta en cylindrisk volym som innehåller vind som har en hastighet 15ms Om vindens effekt (i volymen) är 100 kw och lufttäthet är 1.25 kgm 1 3. beräkna cylinderns radie. (a) Vattenenergi och vindenergi beror på partiklarnas rörelse (vattenmolekyler, luftpartiklar). Lufttäthet ~1.25 kgm vattentäthet 1000 Den totala massan av luftpartiklar inom en viss volym << 3 1 Den totala massan av vattenmolekyer inom en viss volym Den kinetiska energin av luftpartiklarna << Den kinetiska energin av vattenpartiklarna Man får mindre energi från vindenergi. (b) 2 ρ A 3 ρπ r 3 2Pvind 200000 Pvind = v Pvind = v r = = = 3.9 m 3 3 2 2 ρπ v 1.25 3.14 15

Fråga Betrakta ett vattenfall. ρ ghv (a) Visa att vattnets effekt efter att ha fallit en distans h är P =. t ρ = = = = 2 täthet, g acceleration 9.81 ms, V=volym, t tid 3 1 (b) Om vattenflödet är 10 m s och effekten= 1MW beräkna höjden h. (a) W = mgh m = ρv W = ρvgh W ρ ghv Effekten i vattenflödet P = =. t t V (b) Vattenflödet = t 3 m (Obs! Detta kan lista ut genom att titta på enheterna ) s 6 Pt 10 h = = 10 m ρgv 1000 9.81 10

Fråga (a) Förklara kortfattat varför en solcell har en lägre verkningsgrad än en solfångare. Grafen visar relationen mellan spänningen över en solcell och strömmen (från solcellen) genom en belastning. (b) Förklara varför det finns ett maxvärde på strömmen I. 0 (c) Uppskatta fyllfaktorn för solcellen.

(a) Omvandlingsprocesser är annorlunda: Solfångare : solljusets energi värmeenergi (hög η) Solcell : solljusets energi elenergi (låg η) (b) Det finns ett maxvärde pga solljusets intensitet som träffar solcellen ett maximal antal fotoner ett maxvärde på strömmen 0.7 U,0.9I 0 0 (c) Fyllfaktor = P I U max 0.7 0.9 I U I U 0 0 0 0 0 0 0.6

Fråga (a) Ange två fördelar och två nackdelar med (i) Kärnerngi (ii) Solenergi (b) Förklara kortfattat hur fossilenergi påverkar miljön. (i) Fördelar: Kan tidsregleras, tillförlitlig. Nackdelar: Avfall, låg verkningsgrad i jämförelse med t.ex. vattenenergi. (ii) Fördelar : A ganska ren energikälla, kan ge en hög verkninggrad om man vill ha direkt värmeenergi (solfångare). Nackdelar : Kan inte tidsregleras, kan ge en låg verkningsgrad om man vill ha el (solcell) (b) CO växthuseffekt, föroreningar, surt regn, osv 2

Fråga Ett prov innehåller 1000 radioaktiva atomer. Efter ett år finns det 300 kvar. ( a) Vad är halveringstiden? (b) Ett experiment mäter utstrålningen från källa. De observerar att strålningen stoppas tidigt i luft (en typsik räckvidd är 3cm). Använd denna information för att bestämma typen av utstrålning från källan. λt N λt N (a) N = N0e = e ln = λt N0 N0 N N -ln -ln N0 ln 2 ln 2 λ = N0 λ= = t T T t T = 1 2 t ln 2 N ln N 0 0 1 1 2 2 N 300 ln 2 0.693 t=1 år, = T1 = = = 0.58 år. N 1000 2 ln 0.3 1.20 (b) α, β eller γ. α partiklar stoppas tidigt.

Fråga Ge ett exempel på energianvändning där man inte tar hänsyn till energikvalitet och visar att detta kan leda till att man använder energi på ett ineffektivt sätt. T.ex. man använder en solcell för att ge elenergi som man använder för att värma upp huset. Solljusets energi elenergi har en låg verkningsgrad (15%). Även om elenergi termisk energi har en hög verkningsgrad har vi en stor ineffektivitet när man betraktar både processer. Det är bättre att använda t.ex. en solfångare som ger en direkt omvandling : Solljusets energi termisk energi