Skrivning FYSA15, Miljöfysik, 2009-03-23 kl 1400

Skrivning FYSA15, Miljöfysik, 2009-03-23 kl 1400-2000. Välj åtta av uppgifterna 1--9.
1.
Den första källan för elektriskt ljus lär ha demonstrerats vid the Royal Institution i London i
början av 1800-talet. Det var en urladdning i form av en s k kolbåge, som mer än ett sekel senare
skulle få filmhistorisk betydelse genom att Ingmar Bergman som pojke fick en sådan i en
filmprojektor. Ljusbågar drevs med likström, som blev förhärskande i storstadsområden som
New York och London, medan man i länder med stora avstånd som Sverige satsade på
växelström.
a) Vilken komponent i överföringen av elektrisk effekt på stora avstånd utan alltför stora
förluster förutsätter växelström? Varför gör den ledningsförlusterna rimliga?
b) Att överföra stora effekter trådlöst på stora avstånd är inte enkelt, men det går utmärkt
på små avstånd; det visar bl a den komponent som avses i det föregående. Nämn
ytterligare minst en komponent som kan överföra stora effekter trådlöst (dvs med hjälp
av fält) på korta avstånd.
2.
En ideal gas beskrivs med s k tillståndsparametrar typ tryck p, volym V, inre energi U,
temperatur T. Låt ett cykliskt förlopp börja i ett pV-diagram i en punkt A = (V0 , p 0 ) med en
isobar expansion till punkten B = (V , p ′) . Från B sker en isokor tryckminskning till punkten
C = (V , p ) . Därefter sker en isoterm kompression tillbaka till A.
a) Åskådliggör processen i ett pV-diagram. Sätt ut omloppsriktningen.
b) Vad i diagrammet representerar det av gasen på omgivningen uträttade arbetet under cykeln?
c) Är detta uträttade arbete positivt eller negativt. Motivera!
d) Uträttar den isokora processen från B till C något arbete? Motivera!
e) Teckna ett uttryck för uträttat arbete under den isobara processen mellan A och B.
3.
a) Beskriv hur biologisk vävnad kan påverkas av joniserande strålning. Redogör även för
farligheten hos de olika typerna av sådan strålning, både för extern och intern bestrålning.
b) Begreppet "halveringstid" T½ förekommer ofta i samband med radioaktiva sönderfall. Förklara
detta begrepp samt hur aktiviteten hos ett radioaktivt ämne förändras med tiden.
c) Sannolikheten att en instabil kärna ska sönderfalla under en sekund brukar betecknas λ .
Vilken blir aktiviteten i ett preparat med N st kärnor av detta ämne?
d) Vilket samband råder mellan halveringstid T½ och sönderfallskonstanten λ ?
e) Varför blir bestrålad mat inte radioaktiv?
4.
Generatorer för elektrisk energi måste uppfylla ett antal godhetskriterier:
a) Ett sådant kriterium är hög elektromotorisk spänning (elektromotans) ε, dvs utspänning
vid tomgång. Vilka parametrar är viktiga för att en generator ska få högt ε?
b) En god generator måste hålla en utspänning U som är praktiskt taget konstant, dvs
oberoende av effektuttaget. Vilken egenskap måste en sådan källa ha? Kan du ge något
exempel på en sådan källa?
c) Generatorn på cyklar är traditionellt en s k dynamo med en liten trissa som fick rotera
genom att ligga an mot däckets utsida. Modernare cyklar har en s k navgenerator där
generatorn ligger nära hjulets centrum. Man har alltså minskat en av parametrarna enligt a).
För att kompensera för denna minskning har man lyckats öka en av de andra. Vilken och
hur tror du man har lyckats med det?
d) Går cykeln nämnvärt lättare om cykelljuset fås med en navgenerator än med en
traditionell dynamo?
e) Antag istället att du har en cykelbelysning som går på ett 4,5 volts batteri och behöver byta
glödlampa. Varför lyser inte en ny glödlampa avsedd för (märkt med) 4,5 V?
I denna uppgift betraktar vi nettotransport av energi från en kropp till en kallare omgivning:
5.
a) I sin dikt ”Helgdagskväll i timmerkojan” skriver Dan Andersson bl a ”där sova vi alla på
granrisbädd,…”. Vilken eller vilka transportmekanismer minimerar detta läger frampå
småtimmarna en kall vinternatt i urskogen?
b) Som du vet har man från årsskiftet infört tvingande bestämmelser om energibesiktning av
hus. Besiktningsmannen brukar säga att det ur energisynpunkt lönar sig mycket mer att
isolera vindsbjälklaget än att isolera ytterväggar, räknat på given area. Ett argument som
ibland anges för detta är att ”värmen stiger” . Det är ett illa formulerat argument (jfr bad
science i en fråga nedan). Kom med en bättre förklaring!
c) Att en klar vinternatt ofta blir kallare efter ett snöfall än en i övrigt identisk natt före snöfallet
är väl känt bland meteorologer; detta trots att samma meteorologer brukar jämställa snö med
en svart kropp på samma sätt som barmark. Ytan har alltså praktiskt taget samma emittans ε i
båda fallen, dvs ε = a ≈ 1
Formulera en bättre förklaring. Ledning: Att tjälen går mycket djupare i barmark än i
snötäckt mark har samma förklaring; frågan är vilken. Eller vilka!
d) En flanellskjorta är mycket ”varmare” dvs isolerar bättre än en vanlig skjorta även om de båda är
gjorda av samma mängd bomull. Beskriv varför och vilken parameter som beskriver fenomenet.
e) Vildsvin är företrädelsevis nattaktiva. Den inaktiva delen av ett kallt vinterdygn vilar de ofta
under en tät gran. Ange två skäl till att detta val av läger är optimalt ur energisynpunkt.
Som du vet har det under lång tid förts en debatt om elektriska, magnetiska och elektromagnetiska fälts eventuella hälsopåverkan. Det är därför ur miljösynpunkt intressant att bekanta
sig dels med dessa fälts fysikaliska egenskaper dels med uppfattningar och missuppfattningar av
sådana fälts inverkan på människors väl och ve.
6.
När man undersöker ett fenomen, t ex fältstyrkan utanför en dipol (elektrisk eller magnetisk) har
man en hypotes och kollar experimentellt om hypotesen eller modellen är giltig.
a) Vi undersökte B-fältstyrkans avtagande med avståndet från en magnetisk dipol. Vad säger
modellen?
b) Vi undersöker experimentellt om modellen gäller och framställer resultatet grafiskt i följande
två diagram:
B^1/3 som funktion av 1/X
B^(-1/3) som funktion av X
2,8
2,6
1
2,4
0,9
2,2
0,8
2
0,7
1,8
B^(-1/3)
B^1/3
1,6
1,4
1,2
0,6
0,5
0,4
1
0,3
0,8
0,2
0,6
0,4
0,1
0,2
0
0
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
5
10
15
X
1/X
Förklara, varför slutsats enkelt kan dras om modellens giltighet med hjälp av den ena grafen
(vilken), men inte med hjälp av den andra.
20
c) En del av debatten kring mobiltelefoni har rört basstationerna vars fält i huvudsak sprids
horisontellt nära markytan. Argumentera utifrån detta för vilket som skulle ge minst
exponering på en person i boende i ett flervåningshus: En basstation på det egna taket eller en
basstation på taket av ett närliggande likadant hus.
d) Kan du komma på någon icke fysikalisk (men ändå kanske kännbar) påverkan för de boende
i ett hus om man monterar en mast på dess tak.
e) Kan du föreslå ett sätt att minska eller rent av förhindra en sådan påverkan
7.
Alternativa energikällor uppfattas som källor som inte dominerar energimarknaden, som
förhoppningsvis har goda miljöegenskaper och som har bred acceptans i samhället.
a) Bioenergi anses vara ett gott alternativ men det är ingen absolut
sanning. Den 23 januari 2009 publicerade1 forskare vid Stockholms Universitet i tidskriften Science en artikel om det bruna
moln som vintertid ligger över Sydostasien och som orsakar
luftvägssjukdom och även cancer och bidrar till avsmältning
i regionens glaciärer. Man fann, att upp mot 70 % hade sitt
ursprung förbränning av biomassa som skogseldning och småskalig hushållseldning i utvecklingsländer. Även här hemma
har medvetenheten varit dålig ända in i vår tid: Man hade länge
i radions väderrapport ett inslag som rörde skogsbrandfara i
samband med s k hyggesbränning och det var inte många år sedan man brände halm på
åkrarna eller eldade fjolårsgräs på gärdena . Och: Hur är påskbrasan ur miljösynpunkt?
En slutsats som rör Sydostasien och därmed hela världen finns formulerad på följande sätt:
” So once societies can figure out how to reduce biomass burning, that brown sooty haze—
and the illnesses it causes—might disappear.”
Det är inget experimentellt problem att analysera små provmängder ner till kanske 10 μg som
kan utvinnas ur den aerosol som det bruna molnet består av. Men frågan är nu:
Hur kan man skilja kol från biomassa från kol med fossilt ursprung?
b) Bioenergi anses inte bidra till ökningen av CO2-halten i atmosfären eftersom den ingår i
kolcykeln: Etanol som drivmedel har setts som ett exempel på bioenergi. Nämn minst två
kriterier som måste vara uppfyllda för att bioenergi ska vara CO2-neutralt.
c) Solinstrålningen till jordytan är mycket större än
den samlade effekt som jordens befolkning nånsin
kan behöva. Därför är solceller tilltalande men
inte helt okomplicerade: En enda kiselbaserad cell
ger en spänning på ca 0,6 V och en ström på några
ampere. Hur kan man koppla ett stort antal celler
för att få
A. högre spänning och
B. större ström?
d)
I-U-karakteristikan i figuren är från solpanel
liknande den du laborerat på.
Uppskatta med hjälp av diagrammet den maximala
effekt som denna panel kan ge vid denna belysning samt resistansen hos den yttre belastning
som då är kopplad till panelen.
1
Spänning som funktion av ström
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
St röm ( A )
http://www.sciam.com/podcast/episode.cfm?id=south-asia-brown-cloud-is-homemade-09-01-26
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
Lös en och endast en av följande deluppgifter:
e1) Avläs elektromotans ε och kortslutningsström Imax och uppskatta den s k fyllnadsfaktorn
(”fill factor”) vid max effekt.
e2) Hur skulle du utnyttja de uppmätta punkterna i grafen för att plotta en ny graf som
åskådliggör effekten som funktion av yttre kretsens resistans R?
8.
En reell gas, exempelvis luft, är inte ideal av flera skäl. Ett av skälen är att den innehåller
vattenånga, som lätt kan kondensera. Detta kan få allvarliga konsekvenser för miljön i
exempelvis bostäder.
a) Vilka parametrar kan man ändra hos ett ”luftpaket” för att få ånga att kondensera till vatten?
b) Nu när det förhoppningsvis snart blir dags att byta till sommardäck, får man erbjudande om att
till en ringa kostnad pumpa däcken med ”nitrogen” dvs ren kvävgas. Detta är mindre kemiskt
verksamt än luft som ju bl a innehåller aggressivt syre och därutöver mer eller mindre vattenånga.
Förklara, hur man kan få vatten i däcken när man pumpar med vanlig luft.
c) På en seriös internetsite, http://www.ems.psu.edu/~fraser/BadScience.html, ironiserar dess
ansvarige editor, Alistair B. Fraser över ”the bad science often taught in schools, universities,
and offered in popular articles and even textbooks”. Som exempel tar han följande uttalande:
”The reason for clouds forming when air cools is that cold air cannot hold as much water
vapor as warm air”. Gör om formuleringen så den blir korrekt. Svara på svenska.
d) En kväll då relativa fuktigheten i luften är hög blir risken för nattfrost liten. Varför?
e) När man öppnat och därefter stängt kylskåpsdörren en ”klibbig” sommardag är det svårt att
strax öppna den igen.. Nämn två skäl till detta.
9.
Varje mänsklig aktivitet har miljöpåverkan, positiv eller negativ. Det är miljövetenskapens agenda att
minimera den negativa påverkan.
Växthuseffekten förutsades redan i början av 1800-talet av Fourier, verksam redan under franska
revolutionen. Molekylär absorption i IR mättes i mitten av 1800-talet av britten Tyndall och koldioxid
som växthusgas beskrevs av svensken Arrhenius i slutet av 1800-talet. Det har alltså funnits
vetenskapliga (teoretiska och experimentella) belägg för denna effekt i mer än ett sekel. Lite märkligt
då att vi först på senare år börjar ta politisk notis.
a) Vilket krav måste en molekyl uppfylla för att vara en växthusgas i vanlig bemärkelse, dvs
absorbera och emittera elektromagnetisk strålning i IR-området? Ledning: Vad är det för
skillnad på exempelvis O2 och CO i elektrisk bemärkelse?
b) Hur kan en rak molekyl som CO2 vara en växthusgas i den bemärkelse som antyds i deluppgift a)?
Kan detta generaliseras till andra fleratomiga molekyler och vad är argumentet i så fall?
c) Att vår jord är en människovänlig planet tack vare en ganska betydande växthuseffekt kan man
visa med en räkning som bygger på svartkroppsstrålning: Den visar att jordens medeltemperatur
utan växthuseffekt skulle vara ca -30˚C. Vilken gas står i huvudsak för denna goda växthuseffekt?
Kontrollera att den uppfyller kravet enligt a)?
d) Att beskriva växthuseffekt som reflexion av IR-strålning är bad science. Den beskrivs bättre med
två andra ord: Vilka?
e) En betydande del av den extra CO2 som mänsklig aktivitet står för löses med tiden i havsvattnet.
Men detta är nog bara en tröst för ett tigerhjärta: Kan du se en fara med en ökande mängd CO2 löst
i havsvatten? Ledning: Vilken nackdel kan en långvarig konsumtion av dricksvatten med löst CO2
ha (”sparkling water”)? Svaret finns också i det alternativa (och mer folkliga) namnet på CO2.
10. a) Det är känt att en klar vinternatt som följer på nysnö ofta blir kall. En meteorolog på SVT2 råkade
säga att ”utstrålningen blir stor därför att marken blivit snötäckt så natten blir kall”. Detta är en
förrädisk utsaga, eftersom snö fungerar ganska väl som en svartkroppsstrålare. Icke desto mindre
är den fel eftersom barmark ungefär lika bra strålare som snö ( ε ≈ 1 ). Argumentet var alltså fel
men utsagan riktig: Det blir ofta kallt en klar natt efter nysnö. Men: Formulera du det riktiga
argumentet, som beror på att nettoutstrålningen tvärtom blir mindre av någon anledning; vilken?
b) En jordkällare behöver inte värmas för att hålla sig frostfri. Förklara varför!
c) I Lucia-sången står det att ”natten går tunga fjät, runt gård och stuva”. Ordet ”stuva” är nog en
förvanskning av ordet ”Stuka” för att få rim på ordet ruva. En stuka är ett traditionellt förråd för
rotfrukter och potatis, en hög helt enkelt liknande de högar av betor som man kan se i Skåne under
betkampanjen. Högen täcktes med halm och ett tunt jordlager. Nämn minst två mekanismer som
bidrar till att hålla en sådan stuka frostfri även under en kall ”lusseknäpp” och under en lång vinter,
måleriskt beskriven av Rydberg i dikten ”Tomten”: - Midvinternattens köld är hård, Stjärnorna
gnistra och glimma…