Seminarium: Introduktion och Energi

FysA15, Miljöfysik
Seminarium: Introduktion och Energi
1. Lite mer eller mindre vardaglig fysik:
a) Vad menas med relativ luftfuktighet? Definiera begreppet och förklara med utgångspunkt
från detta följande:
b) Varför en kall ölflaska blir fuktig när den tas ut ur kylen en varm svensk sommardag
men förblir torr när den tas ut i ökens värme.
c) Kan ni också förklara varför en bil förblir torr och isfri i en ”carport”?
d) Varför en modern krypgrund blir fukt-och mögelskadad medan en krypgrund i ett
hundraårigt hus kan vara fräsch ännu.
e) Vilken funktion har en dräneringsnippel (kondensavtappare) i botten på en tryckluftstank
eller- annorlunda uttryckt- varför är tryckluft ofta vattenhaltig? Samma fråga: Du har som
cyklist stannat vid ett rött ljus och en buss stannar bredvid dig. Ni startar båda vid grönt
och du blir vettskrämd när bussen plötsligt blåser ut luft; varför gör den det? (Ett möte
mellan bil med tryckluftsbromsar och häst kan bli dramatiskt).
f) Vilken funktion har fuktspärren i ett hus? Var ska den sitta? Hur isolerar man bäst (på)
vinden i ett 1½−hus? Enbart vindsbjälklaget? Snedtak med luftspalt till yttertak och
vindsbjälklag? Utanpå yttre takspont med endast läkt och takpannor däröver? Varpå beror
mikrobiell påväxt på en kallvinds innertak. Var sitter den oftast, vid takfot eller nock?
2. Om faser och fasövergångar
a) Termen ”latent värme” används i tillämpad vetenskap fast ”värme” inte är ett bra ord.
Varför? Finns det någon korrekt innebörd av ordet ”värme”? Vad i så fall? Vad menas
med ”latent värme”? Finns det alternativa uttryck som är bättre?
b) Som du vet orsakar den globala uppvärmningen en avsmältning av glaciärer (och isen i
Arktis, som inte är en glaciär−varför inte det?) Men en tillräckligt hög glaciär smälter i
botten även utan global uppvärmning. Varför gör den det? Hur hög kan en glaciär bli?
c) Is avdunstar alltid mot luften ovanför, eftersom den har ett ångtryck även vid låg
temperatur (frågan är om man ska kalla det avdunstning eller sublimering). Blir en is
tunnare eller tjockare med tiden om utetemperaturen är konstant och under 0°C?
d) Varför bottenfryser inte sjöar en vanlig vinter?
3. Denna uppgift handlar om mer vardagsfysik:
a) Att tvätta innebär energianvändning på många sätt: Tvätt (val av maskin, hur, hur ofta, hur
mycket), tork (samma överväganden som ovan) mm. Hur kan man energioptimera varje
steg i tvättproceduren? Vilken andel av hushållsföbrukningen är störst: Den som relaterar
till tvätt eller den som avser hemelektronik (exklusive servrarnas energibehov)?
b) En frysbox har en viss s k infrysningskapacitet, vilket antyder att infrysning är en
energikrävande process. Beskriv! Handlar det om ”latent värme”?
c) Hur kan man använda djupfryst mat energieffektivt? Handlar det om ”latent värme”?
d) Kan Öresundstågens uppgift om CO2-emission per personkm stämma i
http://www.oresundstag.se//sv/Om-oss/Miljopaverkan/ ? Varför refererar man inte hur
man räknat? Finns det forskning på området? Ja, se t ex
http://www.gronataget.se/upload/PublikaDokument/GT%20Energy%20consumption%20sl
utl.pdf Man kan också göra en enkel jämförelse med persosnbilstrafik.
4. I denna uppgift tittar vi på adiabatisk process:
a) Vad gäller vid adiabatisk temperaturändring i atmosfären och vilken energiomvandling
sker hos den stigande luften?
b) Vad kan hända om med skorstensrök, om temperaturändringen i omgivande luftlager
avviker från den adiabatiska i skorstensröken? Hur kan man observera detta i rökplymer?
c) Hur kan existensen av öknar, t ex Sahara, norr och söder om ekvatorsområdet förstås med
global cirkulation och adiabatiska processer?
d) Varför behöver en dieselmotor (insprutningsmotor) inga tändstift som en bensinmotor?
Varför har dieselmotorn högre verkningsgrad än bensinmotorn. Varför har vi i Sverige en
mindre andel personbilsdieslar än många andra länder, i synnerhet Frankrike?
e) Hur kan du som cyklist få anledning att fundera över en adiabatisk process?
5. Denna uppgift handlar om värmemaskiner:
a) Beskriv en värmemaskin; varför måste den ha en kylare för att fungera? Definiera
verkningsgrad och beskriv värmemaskinen med optimal verkningsgrad.
b) Följande text är från en järnvägshistorik från Malmbanan som staten övertagit 1891:
” När beslut om byggandet av Riksgränsbanan hade fattats började projekteringen av
en ny starkare loktyp för malmtrafiken. Man befann sig i övergångsskedet mellan
användandet av våtånga, dvs mättad ånga och överhettad ånga för drivning av
cylindrarna. Ekonomin var betydligt bättre med överhettardrift men man valde den
gamla beprövade metoden med våtånga.”
Varför är driftekonomin bättre med ”överhettad” ånga?
c) Beskriv hur en värmepump kan drivas som en ”bakvänd” värmemaskin!
d) Hur mäts effektiviteten hos en värmepump och hur stor är den optimalt? Visa med
representativt räkneexempel! Hur effektiv är en realistisk värmepump?
e) Hur mycket kan man räkna med att spara per år i värmekostnader i ett representativt hus?
Beskriv i stora drag vad som sker inuti värmepumpen!
f) Ett sätt att minska transportsektorns energibehov vore att använda motorer med hög
verkningsgrad. Varför har en dieselmotor högre verkningsgrad än en bensinmotor?
g) Bilindustrin satsar nu stort på elbilar, men det finns skeptiker. Finns det fog för
skepticism? Även om elmotorn i sig har hög verkningsgrad, så är det inte säkert att dess
systemverkningsgrad är imponerande. Har man tänkt på värmen i bilen? Hur blir effekten
till motorn jämfört med effektutvecklingen i batteriet vid full effekt? Är elbilen
energieffektiv, eller sitter bilistens vinst i elpriset? Sällsynta material (neodym, lantan),
som kräver omfattande gruvdrift? http://www.second-opinion.se/energi/view/1896
6. Denna uppgift handlar om vår energiomsättning:
a) Beskriv Sveriges energiomsättning – ”produktion” och – ”konsumtion” i dag. Vad finns
det för begränsningar i möjligheterna att öka utnyttjandet av olika energikällor?
b) Vilken verkan har olika politiska beslut haft? (En god källa för information är STEM –
Statens EnergiMyndighet).
c) Diskutera transportsektorns behov av energi: elenergi, fossila bränslen, förnybara bränslen
och försök värdera dessa ur miljöperspektiv (googla t ex på ”FAO+Etanol” ).
Tag reda på hur olika transporter beskattas och försök utreda olikheter. Redovisa dina
argument? Hur kan transportsektorns energibehov begränsas eller minskas?
d) Förnybara energiteknikers bidrag och potential: Värmepumpar; Solceller, solfångare; hur
kan dessa kombineras? Vindenergins bidrag; dess för-och nackdelar; hur skulle vindenergi
kunna användas föra att bättre ta tillvara på fördelarna? Se t ex Kungl Skogs-och
Lantbruksakademins tidskrift nr 3, 2010 årgång 149: ”Vindkraft, javisst! Men inte alltid
och överallt” (finns på nätet). Är det ok att problematisera vindkraft? Se t ex
http://www.kva.se/Documents/Vetenskap_samhallet/Energi/Utskottet/2011/rapport_energi
_effektbalanst_2011_sv.pdf
g) Effektiva batterier och Bränsleceller i korta drag;
Batteri: Vari består energiförlusten vid laddning av ett batteri? Och vid användningen av
batteriet? Hur ska ett batteri belastas för att man ska få ut maximal effekt?
Hur ska det belastas för att dess verkningsgrad ska vara optimal? Hur kan man beskriva
verkningsgraden vid laddningen av batteriet?
Bränslecellen har i regel högre verkningsgrad än värmemotorer för den omvandlar kemisk
energi till elektrisk och är därför inte begränsad till Carnot-verkningsgraden.
Ett ämnes energiinnehåll kallas entalpi H: Translations-vibrations och rotations-energi,
kemisk energi, elektronenergi mm. Energianvändning innebär att tillgodogöra sig en
ändring av energiinnehållet då ett ämne förändras. Det gäller
ΔG = ΔH − T·ΔS där G kallas Gibbs fria energi och S är ett mått på oordningen, entropin.
En reaktion kan ske spontant om ΔG > 0 , dvs energi frigörs. Detta beror på att stabila
tillstånd i naturen har minimal potentiell energi. Det gäller också att entropin ökar i en
process ( ΔS > 0 ).
e= ΔG / ΔH dvs verkningsgraden är förhållandet mellan ändringen i Gibbs fria energi och
i entalpin. Vi ser alltså att låg temperatur gynnar verkningsgraden: För en vätesyrebränslecell över 90% vid rumstemp men minskande med temperaturen.
Frågan är nu: Varför har bränsleceller inte fått stort genomslag?
7.
Denna uppgift handlar om el, i synnerhet i hemmet
a) Kostnaden för el: Gör en jämförelse idag för elkostnaden för olika källor. Hur
många joule får du för en krona när du köper elenergi i form av hushållsel och olika
typer av batterier? Vilken är den dyraste el du har i ditt hem? Är den värd sitt pris?
Vad är ”grön el” och hur relevant är benämningen? Vad är elcertifikat? Kan man tvinga
människor att köpa grön el genom gröna certifikat?
Sätt ditt resonemang i relation till de långvariga avbrotten i elleveranserna efter senare års
stormar i Sydsverige. För att citera människor i det värst drabbade området i Småland:
”Vi har ett reservelaggregat på 5 kW, men man tänker sig för. Man tvättar inte stupalöst”.
Vilken fysik kan finnas i formuleringen ”man tänker sig för”.
Ett annat uttalande:”Vi har fått ett dieselaggregat, men vem betalar kostnaden för olja,
minst 100 kr per dag?”1 Vad har gjorts efter t ex stormen Gudrun för att elnätet ska bli
mera robust. Vad återstår att göra? Miljöeffekter av åtgärderna?
b) El och maskiner i hemmet: Hur mycket eleffekt omsätter våra vanligaste hushållsmaskiner?
Gör en inventering i era hem, jämför och redovisa! Hur kan man mäta att märkningen
stämmer eller bestämma energiomsättningen i omärkta maskiner? Enfas contra trefas
maskiner―vad avgör? Hur stor är huvudsäkringen normalt i en bostad? Hur stor extra
kostnaden för en onödigt stor huvudsäkring? Vad påverkar val/storlek av huvudsäkring och
hur kan man åverka den: En-eller tre-fasmaskiner, direktel-eller värmepump, effektvakt?
d) Elsystemet i hemmet: Hur fungerar elsystemet i våra hem? Vad innebär trefas? Hur
fungerar våra väggkontakter (de är symmetriska i utformning, men gäller det även
elektriskt?) Vad är för- och nackdelar med det svenska elsystemet, till exempel jämfört med
1
Försök hitta en karta över vädersituationen vid stormen Gudrun och kommentera isobarerna över Kronobergs län. Gör
detsamma med förste adventstormen 2011
andra? Vad innebär jordfelsbrytare och hur fungerar de? Vad kan ett isolationsfel i en
välisolerad vägg leda till om jordfelsbrytare saknas? Jämför med följande tragiska händelse:
År 2009 innebrändes alla i en familj utom fadern (på resa) vid en husbrand i Staffanstorp.
Brandorsak: En laptop på en soffa över natten; hur kunde det bli så hett?
e)
Den klassiska glödlampan sjunger på sista versen i Sverige. Skälet är förstås dess
energiförbrukning. Varför drar glödlampan så mycket mer energi än en lågenergi-lampa?
Finns det några andra nackdelar med glödlampan. Finns det nackdelar med lågenergilampan? Varför ger en halogenlampa samma ljusflöde vid lägre effekt? Gå in på
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/miljo/article3046613.ece
och granska argumentationen kritiskt. Finns det fördelar med glödlampan som talar mot att
den fasas ut? Vad ska den ersättas med? Finns det något annat område där glödlampan i
praktiken slagits ut av andra ljuskällor utan hjälp av politiska beslut. Vad menas med kallt
ljus och hur fördelaktigt är sådant ljus jämfört med glödljus?
f)
Elkablar i havet: el transporteras ofta mellan olika länder, bland annat i form av
elkablar på havsbotten. Vad innebär HVDC och varför används det? Diskutera olika
sätt att göra detta och vilka miljökonsekvenser det kan innebära. Beskriv gärna några
existerande projekt. Vad innebär begreppet ”bipolkabel” och varför är det att föredra;
Polenkabeln är delvis monopolär, the Swepol link? Googla t ex på ”Konti-Skan 1” resp
”SwePol link”. Var kommer Polens första kärnreaktorer att byggas (avsedda att tas i bruk
2020)?
Bör vi bygga ut överföringskapaciteten med kontinenten och kanske bidra till att minska
dess fossilberoende, eller ska vi satsa på ”hemmamarknaden” och prioritera en avveckling
av kärnenergin? Kan en kontinentkabel gynna fossilanvändning?
Danmark har bara nyligen fått en kabel mellan Jylland och Själland? Vad var skälet för att
bygga den och till att det dröjt så länge att göra det? Energinet.dk
g) Elallergi mm: Forskningsrådet för arbetsliv och socialvetenskap är en av de instanser som
uttalat sig om och utrett elöverkänslighet - se t ex:
http://www.fas.forskning.se/sarskilda_omraden/eloverkanslighet/
Det finns också en förening för elallergiker (http://www.feb.se) liksom en ny
doktorsavhandling på ämnet i Lund (googla t ex på Leif Sahlford som var handledare). Tag
reda på mer om elallergi, de resultat som olika typer av forskning kommit fram till och den
bild som FEB ger.
Vid lokverkstäderna som drivs av Euromaint i Vännäs har tre medarbetare inom en
tioårsperiod drabbats av leukemi. Det finns ett rikt förgrenat högspänningsnät för att kunna
förflytta loken inom området. Dessa ger ett visst E-fält. Vid förflyttning av loken tas stora
strömmar ut vilket ger starka B-fält. Enligt Kjell Hansson Mild, vid dåvarande
Arbetslivsinstitutet är materialet för litet för att man ska kunna dra slutsatser om något
samband. Vilka fler tänkbara orsaker kan finnas?
8. Denna uppgift handlar också om el, i synnerhet om överföringen av elenergi:
a) Över en ledare som rör sig med farten v vinkelrätt mot ett B-fält så som lindningarna gör i
en generator genereras en elektromotans (ems) ε = Blv . I en sluten krets ger denna
elektromotans i sin tur upphov till en ström I .
Visa att denna ström har en sådan riktning att slingans rörelse motverkas
(av en kraft Fe = IlB ).
b) För att ledaren ska kunna upprätthålla sin rörelse måste den påverkas av en yttre kraft F
lika stor som Fe men motriktad. Visa, att den av F tillförda mekaniska effekten P är lika
stor som den i kretsen genererade elektriska effekten, dvs att en generator i praktiken är en
effektomvandlare. Denna omvandling medför också effektförluster i form av termisk
effekt.
Frågan blir nu: Varför går man omvägen över elektrisk effekt?
c) På den avreglerade svenska elmarknaden verkar ”elproducenter” som Vattenfall, Eon,
Fortum m fl, operatörer som svarar för överföring, t ex Svenska Kraftnät samt
elhandelsbolag.
Vad är Svenska Kraftnät (SvK)? Ansvarar SvK för alla elledningar? Hur övervakar SvK att
överföringen av el fungerar? I SvK:s uppdrag ingår systemansvar. Vad innebär det? Hur
påverkar SvK:s anläggningar miljön? Vad är SvK:s magnetfälts-policy. Vadgör SvK för att
minska magnetfälten kring växelströmsledningar? Varför sprakar det under en kraftledning?
Varför finns det olika typer av kraftledningsstolpar, t ex split phase- och designstolpar?
9.
Nu tar vi lite mer om småskalig vardagsenergi:
a) Vilka funktioner har den s k fuktspärren i hur byggda från 1970-talet och framåt?
Och varför ska fuktspärren ligga innanför isoleringen? Vilka egenskaper ska fuktspärren
ha?
b) Hur kan det bildas istappar på ett hur trots att det hela tiden varit −10°C ute. Vad tyder
detta på om byggnaden?
c) Temperaturen på vintern kan lokalt variera ganska mycket beroende på om det är klart
eller molnigt. Vad beror det på? Varför blir det kallt på vintern vid vindstilla och klart
väder med snötäckt mark, i synnerhet i dalgångar?
d) Det var förr allmän kunskap bland skogsarbetare, fotpatrullerande poliser och militärer att
man vintertid måste byta till nytvättade strumpor varje dag (helst flera gånger per
arbetsdag) om man inte vill frysa för mycket om fötterna. Har denna erfarenhet någon
vetenskaplig bakgrund och i så fall vilken?
e) Varför kan mat frystorka i frysen? Vad kan göras för att minska frystorkningen?
10. Ännu lite mer miljö i vardag
a) Kompostering var på modet för något årtionde sedan. För- och nackdelar?
c) Nu är ju vedeldning högsta mode. Den som behärskar tekniken vet att använda torr ved
(luftigt lagrad ett par år) och braselda. Varför? Din vedpanna ingår i vattenburet
värmesystem: I början av eldningen ”svettas” pannan; varför? Finns det risk för
fuktskador? Hur är det med sot-och tjärbildning vid olämplig eldning? PAH i röken−
risker? Skorstensbrand− vad är det? Risker? Hur ska röken se ut? Varför har röken ibland
svårt att ”lyfta” i början av eldningen?
d) Risker med vedhantering? Fördelar och nackdelar med ved för hushållsändamål?
e) Ett lager med nysnö förhindrar tjälbildning. Det gör ett decimetertjockt lager med löv
också, även om de inte är torra. Förklara!