Pytania do egzaminu inżynierskiego - Fizyka Środowiska

1. Omówić mechanizmy transportu energii wraz z charakterystycznymi dla nich równaniami

Rozróżniamy przepływ masy, energii i pędu. Energia promieniowania słonecznego wywołuje parowanie wody, z pary wodnej tworzą się chmury, które przenosząc się w inne miejsca, dają tam opady w postaci deszczu lub śniegu. Wody opadowe przenikają przez powierzchnię Ziemi, powodują przepływy wód gruntowych. Obrazuje to nie tylko transport materii, ale również transport energii. Dzięki parowaniu poważne ilości energii są zmagazynowane w parze wodnej jako ciepło ukryte, które uwalnia się gdzie indziej w procesie kondensacji. Te zjawiska wpływają na przepływ energii rzędu 200MW/m w skali globalnej z ciepłych tropików do obszarów zimniejszych.

Trzy podstawowe mechanizmy transportu ciepła

(wymiany ciepła):

1. PRZEWODZENIE - przekazywanie energii od jednej cząstki do drugiej, za pośrednictwem ruchu drgającego tych cząstek. Proces ten trwa dopóty, dopóki temperatura ciała nie zostanie wyrównana w całej rozpatrywanej objętości. Dotyczy to bezpośredniego kontaktu ciała z ciałem, części ciała z ciałem.

Strumień ciepła q'' jest zdefiniowany jako ilość ciepła wyrażona w dżulach, przepływająca w czasie sekundy przez powierzchnię 1 m², prostopadłą do kierunku rozchodzenia się strumienia; jego wymiarem jest J*m^-2*s^-1. Dla całkowitej powierzchni A całkowita wymiana ciepła na sekundę wynosi:

q=Aq''

Zgodnie z prawem Fouriera dla jednorodnego materiału istnieje prosty związek między strumieniem ciepła q'' i gradientem temperatury:

q''= -kT

gdzie:

k - przewodność cieplna [W*m^-1*K^-1]- jej wartość zależy od rodzaju materiału, jego temperatury, gęstości i wilgotności.

2. PROMIENIOWANIE - przekazywanie ciepła w postaci energii promieniowania, którego natura jest taka sama jak energii świetlnej. Energia cieplna przekształca się w energię promieniowania, przebywa określoną przestrzeń z prędkością światła, aby w innym miejscu przekształcić się całkowicie lub częściowo w energię cieplną.

Wielkość  oznacza część promieniowania padającego, która została pochłonięta, a ρ oznacza promieniowanie odbite. Jeśli te wielkości zależą od długości fali  to oznacza się je przez _{ ,}ρ_. Ciała , o których tu mowa, nie transmitują promieniowania, więc _ +ρ_=1. Maksymalna zdolność emisyjna ciała jest uwarunkowana zdolnością emisyjną ciała doskonale czarnego danej temperaturze T_s. ciało doskonale czarne jest zdefiniowane jako ciało, które całkowicie absorbuje padające na nie promieniowanie. Jego zdolność absorpcyjna _=1, a zdolność odbijająca ρ_=0. zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego zależy od długości fali i od temperatury, lecz nie zależy od kierunku. Całkując po wszystkich długościach fal, otrzymuje się całkowitą emisję ciała doskonale czarnego:

q'' = σ*T⁴

jeżeli dane ciało nie jest ciałem doskonale czarnym, jego zdolność emisyjna  jest zdefiniowana jako ułamek tego, co emituje ciało doskonale czarne. Prowadzi to do zależności:

q'' = σT⁴

To uproszczone równanie odnosi się do przypadku tak zwanego ciała szarego dla którego  i  nie zależą od długości fali . Prawo Kirchhoffa mówi, że dla dowolnej temperatury _(T) = _(T).

W przypadku gdy  =  niezależnie od długości fali . Oprócz emisji samego ciała promieniuje też jego otoczenie o temperaturze T_. Ponieważ ciało jest całkowicie otoczone przez swoje środowisko, więc to środowisko promieniuje jak ciało doskonale czarne, czyli σT_⁴. jednak ciało nie musi być doskonale czarne zatem pochłonie jedynie ułamek   1tego promieniowania. Gdy absorpcja i emisja nie zależą od długości fali, wymiana ciepła może być zapisana równaniem:

q'' = σ(T_s⁴ - T_⁴).

3. KONWEKCJA (WNIKANIE) - obserwuje się ją wtedy, kiedy dane ciało jest w kontakcie z substancją w stanie ciekłym lub gazowym. W warstwie granicznej cząstki tej substancji wymieniają ciepło z powierzchnią ciała w wyniku przekazu energii kinetycznej w zderzeniach. Wskutek tej wymiany ciepła, w początkowo nieruchomej substancji pojawi się ruch, ponieważ zmieni się jej gęstość. Jest to tak zwana swobodna konwekcja. Jeśli ruch substancji jest wymuszony za pomocą pompy lub wentylatora, jej cieplejsze lub chłodniejsze cząstki są szybko usuwane z warstwy granicznej i wymiana ciepła jest bardziej wydajna. Taka wymuszona konwekcja powoduje zwiększenie strumienia ciepła q''. Zgodnie z newtonowskim prawem stygnięcia wymiana ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatury w warstwie granicznej:

q'' =h(T_s - T_)

gdzie:

q'' - wymiana ciepła [W*m^-2]

T_s - temperatura powierzchni ciała

T_ - temperatura substancji

h- współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję

W praktyce proces konwekcji nie zależy tylko od rodzaju materiału ciała i substancji, która z nim graniczy, lecz także od miejsca w obszarze ich styczności.

2. Przedstawić rodzaje źródeł zanieczyszczeń powietrza oraz podać mechanizmy transportu zanieczyszczeń

Rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń zachodzi w warstwie granicznej atmosfery - jest to warstwa najbliżej powierzchni Ziemi o wysokości od 1000-3000m. Do prędkości tego rozprzestrzeniania się przyczynia się głównie wiatr; zjawisko takie nazywa się adwekcją - transport wywołany przez wiatr.

Rodzaje źródeł zanieczyszczeń powietrza:

• punktowe - źródło takie emituje zanieczyszczenia z określonego punktu w przestrzeni np. komin. Powierzchnia wylotu jest znacznie mniejsza od obszaru do którego dociera zanieczyszczenie.

• liniowe - zanieczyszczenie jest emitowane z emitorów ułożonych wzdłuż jakiejś linii np. szlaki komunikacyjne.

• objętościowe

• powierzchniowe - źródła takie emitują zanieczyszczenia z powierzchni której nie można zaniedbać w porównaniu z zanieczyszczonym obszarem np. zakłady przemysłowe na Śląsku.

Rodzaje źródeł zanieczyszczeń powietrza ze względu na czas ekspozycji na zanieczyszczenie:

• chwilowe - emitują zanieczyszczenia przez bardzo krótki okres czasu (np. nagła eksplozja),

• ciągłe - emitują zanieczyszczenia przez dłuższy okres czasu.

Ruchy powietrza można podzielić na dwie kategorie: wiatr średni i turbulencję. Wiatr średni jest definiowany jako w pełni deterministyczny ruch powietrza, którego skale czasowe wynoszą od minut do dni, a skale przestrzenne od kilometrów do skali planetarnej.

Turbulencją są nazywane ruchy chaotyczne, mające skale przestrzenne od kilku milimetrów do kilometra, a skale czasowe od kilku sekund do 20-30 minut. Jeśli w powietrzu znajdują się zanieczyszczenia, wiatr średni przyczynia się do ich transportu, podczas gdy turbulencyjne mieszanie powoduje zjawisko nazywane dyfuzją turbulencyjną.

Transport zanieczyszczeń w atmosferze (adwekcja) i dyfuzja turbulencyjna (dyfuzja) odgrywają zasadniczą rolę w rozprzestrzenianiu się zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym. W zależności od skali modelu uwzględnia się albo obydwa procesy (modele lokalne, np. miejskie - mikroskala) albo tylko procesy związane z adwekcją (skala regionalna -mezoskala i większe).

Dyfuzja

Jest to zjawisko rozprzestrzeniania się cząstek zanieczyszczenia w danym ośrodku. Fizyczną przyczyną tego zjawiska są zderzenia pomiędzy atomami bądź cząsteczkami. Zjawisko dyfuzji jest związane z gradientem stężenia

Równania transportu zanieczyszczeń wynikają z rozwiązań równania dyfuzji z uwzględnieniem adwekcji, czyli wiejącego wiatru.

Adwekcja (z łac.) oznacza poziomy ruch, przepływ cieczy, gazu (np. mas powietrza), w przeciwieństwie do konwekcji, która jest ruchem pionowym. Adwekcja powoduje napływanie powietrza o odmiennych właściwościach (temperatura, wilgotność) niż powietrze zalegające nad danym terenem. Adwekcja jest jedną z podstawowych przyczyn zmian pogody.

3. Przedstawić w skrócie bilans energetyczny Ziemi

Bilans energetyczny docierającego do nas promieniowania słonecznego i energii wypromieniowywanej przez Ziemię pozostaje wciąż przedmiotem szczegółowych badań.

W stanie równowagi energia otrzymywana ze Słońca jest równa energii, którą Ziemia wypromieniowuje w przestrzeń kosmiczną (energia wejściowa = energii wyjściowej). Energia wejściowa dana jest przez stałą słoneczną S- ilość energii odebranej przez jeden metr kwadratowy ustawiony prostopadle do kierunku słońca. Energia wyjściowa jest szacowana na podstawie założenia, że Ziemia promieniuje jako ciało doskonale czarne o temperaturze T. Część promieniowania słonecznego - albedo „a” jest odbijana z powrotem w kosmos.

Na podstawie tych rozważań można podać równanie energii, które ma postać

(1-a)πR²S=4πR²σT⁴

σ- stała Stefana Boltzmana

R - promień Ziemi

a - 0,34

4. Wyjaśnić na czym polega efekt cieplarniany i co jest przyczyną tego zjawiska

Efekt cieplarniany jest to zjawisko podwyższenia temperatury planety powodowane obecnością atmosfery. Średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi około 288K, zaś atmosfery 255K. Względnie wysoką temperaturę powierzchni Ziemi zawdzięczamy obecności takich gazów jak:

- para wodna,

- dwutlenek węgla,

- ozon,

- tlenek azotu (I),

- metan.

Wymienione powyżej gazy mają największy udział w powstaniu zjawiska efektu cieplarnianego.

Za 55% efektu cieplarnianego odpowiada związek CO₂

Za 24% efektu cieplarnianego odpowiadają freony, pochodzące z przemysłu

Za 15% efektu cieplarnianego odpowiada metan

Atmosfera jest względnie przezroczysta dla fal krótkich emitowanych przez Ziemię, ale ze względu na obecność gazów cieplarnianych pochłania fale dłuższe. Zatem atmosfera działa jak „koc” który utrzymuje życie przy powierzchni Ziemi.

Przyrost ilości gazów cieplarnianych będzie wciąż silnie wpływał na nasz klimat i wywoła wzrost średniej temperatury powierzchni naszej planety, czyli doprowadzi do tzw. ocieplenia klimatu.

Mechanizm powstawania efektu cieplarnianego:

Ciało niebieskie pozbawione atmosfery (np. księżyc) pochłania i emituje promieniowanie bezpośrednio ze swojej powierzchni. Atmosfera zaburza ten proces wymiany ciepła, głównie poprzez ograniczenie ilości energii cieplnej wypromieniowywanej z powierzchni planety i dolnych warstw jej atmosfery bezpośrednio w przestrzeń kosmiczną. Proces ten jest wywołany przez gazy cieplarniane, pyły i aerozole w atmosferze.

5. Na czym polega wpływ drgań o niskiej częstości (wibracji) na zdrowie człowieka

Wibracja - przekazywanie drgań mechanicznych z ciała stałego na poszczególne tkanki ciała człowieka lub na cały organizm. Energia drgań przekazywana jest tkankom, wywołując podrażnienie zakończeń nerwowych odbierających odkształcenia mechaniczne. Im drgania są intensywniejsze, tym uczucie związane z ich odbiorem staje się mniej przyjemne.

Wpływ drgań o niskiej częstości na organizm człowieka:

• Drgania mechaniczne o niskich częstotliwościach (wibracje) powodują pojawienie się rotacyjnych ruchów głowy. Na skutek tych ruchów zostaje zakłócony układ równowagi, czego konsekwencją jest wystąpienie objawów choroby lokomocyjnej.

• Najsilniejsze odczucia wibracji występują przy częstotliwościach do 35 Hz, szczególnie dla zakresu 20 Hz. Przy takich częstotliwościach drgań występuje rezonans narządowy i silne podrażnienie błędnika, co jest przyczyną najbardziej przykrych doznań.

Istotnym objawem powstającym w następstwie rezonansu narządowego (prowadzi do wypaczenia czynności wielu organów, co przejawia się ich mniejszą sprawnością lub wystąpieniem nieprawidłowych odruchów połączonych z bólem) jest także upośledzenie mowy. Jest ono spowodowane rezonansowym drganiem szczęki, zmianami napięcia mięśnia krtani oraz drganiami słupa powietrza w jamie nosowo-gardłowej. Drgania tych narządów (w zakresie 1-4 Hz) o dużej intensywności utrudniają także oddychanie oraz mogą spowodować ból w okolicy serca.

• Wibracja niekorzystnie działa na wzrok, powoduje zwłaszcza pogorszenie jego ostrości. Pogorszeniu ostrości towarzyszy również zwężenie pola widzenia i słabsze rozróżnianie barw.

• Bardzo przykre następstwa wywołuje wibracja narządów jamy brzusznej, ponieważ ze względu na swobodne zawieszenie takich narządów jak żołądek, trzustka, śledziona czy wątroba, mogą one ulegać dużym przemieszczeniom.

• Również podrażnienie narządu równowagi niesie za sobą nieprzyjemne skutki - są to objawy typowe dla choroby morskiej. Charakteryzują się one bólem i zawrotami głowy, szumem w uszach, dusznością oraz bólem żołądka i nudnością.

• W wyniku licznych badań wprowadzono również tak zwany "zespół wibracyjny układu ręka - ramię". Jest on w licznych krajach zakwalifikowany jako choroba zawodowa. Odmiany zespołu wibracyjnego:

• naczyniowa - jest to postać najczęstsza, objawia się częstymi problemami w krążeniu krwi w palcach u rąk. Objawia się on bladnięciem opuszków palców (jednego lub kilku), jest to tak zwana "choroba białych palców";

• nerwowa - objawia się jako mrowienia bądź drętwienie palców czy też całych rąk, występują problemy z prawidłowym czuciem dotyku, temperatury czy też wibracji;

• Poza wymienionymi skutkami biologicznymi występują również:

• Wzrost czasu reakcji ruchowej;

• Wzrost czasu reakcji wzrokowej;

• Problemy z koordynacją ruchów;

• Rozdrażnienie;

• Problemy z pamięcią;

• Bezsenność;

---