Fakultet for naturvitenskap og teknologi EKSAMENSOPPGAVE Eksamen i: MNF-6002 Videreutdanning i naturfag for lærere, Naturfag trinn 2 Dato: Mandag 28. mai 2018 Klokkeslett: Kl. 09:00-13:00 Sted: TEO-H1 Plan 3 Tillatte hjelpemidler: Kalkulator Rom Stoff Tid: Fysikktabeller (utskrift) Type innføringsark (rute/linje): Antall sider inkl. forside: Kontaktperson under eksamen: Rute Oppgavesettet er på 8 sider inklusiv forside Vedlegg: Formelsamling fysikk (side 5) Det periodiske system (side 6) Spenningsrekka (side 7) Carita E. Eira Varjola Tlf: 776 451 89 / 934 416 11 Karolina Solheimslid Eikås Tlf: 482 63 750 NB! Det er ikke tillatt å levere inn kladdepapir som del av eksamensbesvarelsen. Hvis det likevel leveres inn, vil kladdepapiret bli holdt tilbake og ikke bli sendt til sensur. Postboks 6050 Langnes, N-9037 Tromsø / 77 64 40 00 / postmottak@uit.no / uit.no
Oppgave 1 (33,3%) a) Gjør rede for hvilke fordeler og hvilke utfordringer som er knyttet til bruk av bioenergi. Hva må til for at bioenergi skal være bærekraftig? b) Ved fullstendig forbrenning av karbonholdigmateriale vil det produseres CO 2. Forklart kort hvordan vi fanger CO 2 etter forbrenning. Gi også to eksempler på hvordan vi så kan lagre denne CO 2 -en. En hytte skal bruke en aktiv solfanger til å varme opp 250L vann. Om morgenen når sola står opp har vannet en temperatur T = 25,0 C. I løpet av dagen tilfører sola 3800 Wh energi. Solfangeren har en virkningsgrad på 0,750. c) Forklar hvordan et aktivt solfangersystem fungerer. d) Bruk formelen for varmemengde nedenfor til å finne vannets temperatur på slutten av dagen. Q = mc T (1) Vi skal bruke noe av dette vannet til å varme opp hytta. Siden vi har en moderne hytte, har vi vannbåren gulvvarme. Det totale overflatearealet av vannrør brukt til oppvarming er 18,0m 2. Vannet i rørene har en temperatur på 28,0 C. e) Regn ut effekten til dette oppvarmingsanlegget. Bruk at emissiviteten til vannrørene er 0,915. Regn deretter ut bølgelengden til strålingen fra rørene. Hvilken type stråling er dette? 2
Oppgave 2 (33,3%) a) Gjør rede for de fysiske prinsippene bak strømproduksjon fra vindturbiner. Vis at effekten i en vindturbin er gitt ved P vindturbin = C p π 2 ρr2 v 3 Vi tar for oss en spole med 1000 vindinger og areal 0,0400 m 2 som roteres 90,0 i et uniformt magnetfelt med styrke 0,100T. Rotasjonen skjer i løpet av 5,00ms. Spolen står først vinkelrett på magnetfeltet og roteres til det ligger parallelt med magnetfeltet. b) Regn ut strømmen som produseres når resistansen i kretsen er 1,50Ω. Vi har en vindfarm som består av 20 stk. Vesta V47 vindturbiner. V47 har en rotordiameter på 47m. Tabellen nedenfor viser effekten fra én vindturbin ved gitte vindhastigheter. Vindhastighet(m/s) 0 2,0 4,0 6,0 8,0 10 12 14 16 18 20 22 Effekt (kw) 0 0 40 140 300 480 620 660 660 660 660 0 c) Skissér en graf som viser V47 turbinens effekt med hensyn på vindhastighet. Gi en kort forklaring på grafen. d) Faktisk produksjon for vindfarmen i løpet av en uke var 820 MWh. Hva er kapasitetsfaktoren for denne vindfarmen? Kommenter svaret og gi en forklaring på hva som virker inn på kapasitetsfaktoren. e) Regn ut vindturbinens virkningsgrad ved 10 m/s. Hvor stor andel av den teoretisk utnyttbare energien utnytter vindturbinen ved denne hastigheten? 3
Oppgave 3 (33,3%) a) Vurder om reaksjonene oppgitt i-ii er redoksreaksjoner eller ikke? Begrunn svaret ditt i. Zn (s) + Fe 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Fe (s) ii. C 2 H 5 OH (l) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (g) b) I likning 1 og 2 under er det gitt en reduksjon og en oksidasjon. Gi finn den balanserte redoksreaksjonen og regn ut cellepotensialet til denne reaksjonen. (1) H 2 (g) 2H + + 2e (2) O 2 (g) + 4H + + 4e H 2 O (l) c) Redoksreaksjonen over kan brukes i en brenselcelle. Hvilke egenskaper har denne reaksjonen som gjør at vi kan bruke den til det? Er det ulemper med å bruke akkurat denne reaksjonen? Her kan du dra inn flere aspekt fra pensum, ikke bare redokskjemi. d) Lag en enkel skisse av en brenselcelle der reaksjonen fra b) blir brukt og forklar både med ord og reaksjonslikning hva som skjer. e) Forklar med figur og tekst hvordan en varmepumpe virker. 4
Formelsamling for fysikk E k = 1 2 mv2 E p = mgh E p = 1 2 kx2 W = F s P = W t P = E t 1 2 mv 1 2 + mgh 1 = 1 2 mv 2 2 + mgh 2 f = v f = 1 λ T M = P A P = ηghρq P = I A FF = U m I m U OC I SC P vind = π 2 ρr2 v 3 C p = P vindturbin P vind A sirkel = πr 2 A kule = 4πr 2 Konstanter: Wiens forskyvningslov-konstanten: α = 2,897 10 3 mk η = E = P A M = εσt 4 λ maks = α T n = m M m = ρv I = q t U = W AB q R = U I P = I U E = h f nyttbar energi tilført energi φ = ABcos(α) ε = φ t ε = N φ t = NABsin(ωt) Planckkonstanten: h = 6,63 10 34 Js Stefan-Boltzmann-konstanten: Massetetthet for vann: W σ = 5,67 10 8 m 2 K 4. ρ = 1000 kg/m 3 Massetetthet for luft: ρ = 1,23 kg/m 3 Vannets spesifikke varmekapasitet: J c = 4181 kg K Absolutt temperatur: 1 = 275,15K U 2 = N 2 N 1 U 1 5
Det periodiske system 6
7
8