Inżynieria środowiska I sem

Fizyka środowiska

Pytania

1. Podaj zasady zachowania, jakie obowiązują w fizyce

-energii

-pędu

-momentu pędu

-ładunku

-masy

2. Opisz jak zmienia się energia układu gdy upuszczamy na podłogę miękką kulkę z plasteliny

Trzymając kulkę w górze posiada ona jedynie energię potencjalną, gdy ją puścimy kulka spadając przekształca en. potencjalną w kinetyczną. Przed samym zderzeniem z podłożem kulka nie posiada en. potencjalnej a jedynie kinetyczną. Podczas zderzenia z twardym podłożem energia kinetyczna zamienia się w pracę, która powoduje odkształcenie kulki.

3. Na czym polega efekt cieplarniany? Zapisz bilans strumieni mocy dopływającej i odpływającej od Ziemi przy założeniu, że nie ma atmosfery. Jak atmosfera zmienia ten bilans?

Zjawisko podwyższenia temperatury planety powodowane obecnością gazów cieplarnianych w atmosferze. Bilans strumieni mocy odpływającej wynosi
, a odpływającej
W przypadku braku atmosfery cale ciepło nagromadzone na powierzchni ziemi oddawane byłoby w przestrzeń kosmiczna.

4. Co to jest dziura ozonowa?

Zjawisko spadku stężenia ozonu (O3) w stratosferze atmosfery ziemskiej. Cząsteczki freonów nie wchodzą w reakcję z innymi substancjami i nie rozpadają się w troposferze, mogą więc pozostawać w atmosferze w stanie niezmienionym ponad 100 lat. Po przejściu do ozonosfery freony (CFC chlorowodorowęglowodory) rozkładają się pod wpływem promieniowania ultrafioletowego na pierwiastki: węgiel, fluor i chlor. Wprawdzie węgiel spala się, atomy fluoru łączą się ze sobą, ale chlor jest katalizatorem rozkładu ozonu w zwykły tlen dwuatomowy. Jest to zjawisko niebezpieczne, ponieważ ozon jest odpowiedzialny za pochłanianie promieniowania ultrafioletowego docierającego do Ziemi ze Słońca.

5. Wymień gazy cieplarniane.

-para wodna (najpowszechniejszy z gazów cieplarnianych w atmosferze)

-dwutlenek węgla (CO2)

-metan (CH4)

-freony (CFC)

-podtlenek azotu (N2O)

-halon

6. Co to jest promieniowanie ciała doskonale czarnego? Jak zależy widmo i energia promieniowania od temperatury? W jakim zakresie promieniuje Ziemia?

Ciało doskonale czarne całkowicie pochłania padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne we wszystkich zakresach długości fali. Mówiąc inaczej, ciało doskonale czarne nie odbija wcale promieniowania elektromagnetycznego. Dla ciał doskonale czarnych obowiązuje prawo promieniowania Stefana-Boltzmanna mówiące, że całkowita moc wypromieniowana (moc wypromieniowana we wszystkich zakresach długości fali) przez ciało na jednostkę powierzchni jest proporcjonalna to czwartej potęgi temperatury ciała (wyrażonej w skali Kelvina). Widmo i energia promieniowania jest niezależna od temperatury ciała. Ziemia promieniuje w zakresie 10 - 100 µm

7. Wymień czynniki, które mogłyby wpłynąć na globalną temperaturę Ziemi. Co nazywany globalnym ociepleniem?

-Zwiększenie dziury ozonowej przez zwiększoną emisję gazów cieplarnianych.

-Sprzężenie zwrotne

-Aktywność wulkaniczna i słoneczna

-Efekt cieplarniany

-Aktywność człowieka

Globalnym ociepleniem nazywamy podwyższenie średniej temperatury atmosfery przy powierzchni ziemi i oceanów.

8. W jaki sposób warunki panujące na Ziemi reagują na zmianę zewnętrznych, lub wewnętrznych czynników? Jakiego rzędu jest opóźnienie czasowe tej reakcji?

W wyniku rosnącej temperatury globalnej następuje wzrost poziomu morza, oraz pojawiają się ekstremalne zjawiska pogodowe. Zmieniają się też obszary upraw, ich jakość, następuje regresja lodowców oraz obserwowane jest wymieranie gatunków organizmów żywych. Opóźnienie czasowe obliczone jest na stałą czasową którą szacuje się na 50-100 lat.

9. Jakie są główne przyczyny cyklicznych zmian klimatu na Ziemi (cykle Milankovicza)?

- zmiany mimośrodkowości orbity ziemskiej z okresem 10 tys. Lat

- kąt nachylenia osi ziemskiej względem normalnej do płaszczyzny orbity zmienia się z okresem 41 tys. lat

- precesja osi ziemskiej wokół normalnej do płaszczyzny orbity z okresem 22 tys. Lat

10. Wymień elementy niezbędne do uwzględnienia przy tworzeniu modelu zmian klimatycznych.

Atmosferyczne równania i zmienne:

- równanie ruchu

- równanie hydrostatyczne

- pierwsza zasada termodynamiki

- równania stanu gazu

- zasada zachowania masy

- równania dla pary wodnej

- równania dla wodności chmur

Warunki powierzchniowe:

-ukształtowanie powierzchni ziemi

- szorstkość

- albedo

-emisyjność

- pojemność cieplna

- przewodnictwo cieplne

- wilgotność gleby

-pokrywa lodowa i śnieżna

11. Co to jest efekt motyla?

Wrażliwość układu na warunki początkowe. Bardzo mała różnica na wejściu może mieć b. duże znaczenie na wyjściu.

12. Jakie są główna mechanizmy wymiany ciepła? W jaki sposób zależą od temperatur obu obiektów?

13. Co to jest i od czego zależy opór cieplny?

14. Jakie promieniowanie rejestrują kamery termowizyjne? Gdzie znajdują zastosowanie?

Termografia to proces obrazowania w paśmie średniej podczerwieni (długości fali od ok. 0,9 do 14 μm). Pozwala on na rejestrację promieniowania cieplnego emitowanego przez ciała fizyczne w przedziale temperatur spotykanych w warunkach codziennych, bez konieczności oświetlania ich zewnętrznym źródłem światła; oraz, dodatkowo, na dokładny pomiar temperatury tych obiektów. Zastosowanie w ratownictwie, termografia budynków.

15. Na czym polega I zasada termodynamiki ? Zilustruj jej działanie na konkretnym przykładzie. Jaki rodzaj perpetuum mobile jest niemożliwy zgodnie z I zasadą termodynamiki?

16. O czym mówi II zasada termodynamiki? Jakich silników według niej nie można zrealizować?

17. Do czego jest przydatne pojęcie sprawności silnika Carnota?

18. Opisz zasadę działania lodówki, klimatyzatora i silnika cieplnego jako przepływu energii.

19. Czy na podstawie II zasady termodynamiki można określić kierunek przepływu czasu?

20. Co to jest entropia? Jak entropia wiąże się z II zasadą termodynamiki?

21. Co to jest i jak działa pompa ciepła?

22. Opisz przepływy energii w konwencjonalnej elektrowni węglowej.

23. Dlaczego sprawność rzeczywistych silników jest mniejsza od sprawności silnika Carnota?

24. Dlaczego uzyskuje się wyższą sprawność łącząc turbinę gazową z elektrownią węglową niż korzystając z każdej z nich osobno?

25. Jaka jest różnica między silnikiem spalinowym i silnikiem cieplnym?

Silnik spalinowy przekształca energię potencjalną paliwa w energię mechaniczną (np. ruchu tłoka) a silnik cieplny energię cieplną ze spalania paliwa w energię elektryczną poprzez generatory. (tak mi się wydaje, dalej definicje z internetu).

Silnik spalinowy - Czynnik "zimny", często powietrze zassane z otoczenia, jest sprężane, a w wyniku sprężania rośnie jego ciśnienie i temperatura. Sprężony gaz ogrzewany jest poprzez spalanie paliwa do stosunkowo wysokiej temperatury. "Gorący" gaz rozprężany jest w cylindrze z ruchomym tłokiem lub/i turbinie. Uzyskana z rozprężania gorącego gazu energia mechaniczna wystarcza na pokrycie zapotrzebowania energii do sprężenia gazu "zimnego" i do napędu dowolnej maszyny.

Silnik cieplny - urządzenie (maszyna cieplna), które zamienia energię termiczną (cieplną) w energię mechaniczną (praca) lub elektryczną.

26. Wymień możliwe sposoby magazynowania energii. Skomentuj wady każdego z nich.

27. W jaki sposób przesyłamy energię?

28. Dlaczego elektryczne linie przesyłowe maja wyższe napięcie, niż 220V?

29. Wymień konwencjonalne i niekonwencjonalne źródła energii?

-NIEKONWENCJONALNE : energia słoneczna, wiatru, pływów prądów i fal morskich, wodna, biomasa, geotermalna

-KONWENCJONALNE : węgiel kamienny, brunatny, gaz ziemny, ropa naftowa, en. jądrowa.

30. Jakie trudności napotyka korzystanie z energii Słońca, wody, wiatru i biomasy?

31. Skąd się bierze energia geotermalna?

Polega na wykorzystywaniu cieplnej energii wnętrza Ziemi, szczególnie w obszarach działalności wulkanicznej i sejsmicznej. Woda opadowa wnika w głąb ziemi, gdzie w kontakcie z młodymi intruzjami lub aktywnymi ogniskami magmy, podgrzewa się do znacznych temperatur. W wyniku tego wędruje do powierzchni ziemi jako gorąca woda lub para wodna. Energia geotermiczna to energia wydobytych na powierzchnię ziemi wód geotermalnych. Źródłem energii geotermalnej jest wnętrze Ziemi o temperaturze około 5400 °C, generujące przepływ ciepła w kierunku powierzchni.

32. Co to jest kolektor słoneczny i na jakiej zasadzie działa?

Urządzenie do zmiany energii promieniowania słonecznego na cieplną. Energia docierająca do kolektora zamieniana jest na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze). Słońce ogrzewa umieszczony w kolektorze absorber, który pochłania promieniowanie słoneczne i zamienia je w ciepło. Od absorbera ogrzewa się czynnik grzewczy (może to być woda lub płyn niezamarzający), który przepływa przez kolektor.

33. Jak jest różnica między kolektorem słonecznym i baterią słoneczną?

Energia promieniowania słonecznego jest zamieniana przez:

-kolektor słoneczny na energię cieplną

-baterię słoneczną na energię elektryczną

34. Co jest podstawą działania baterii słonecznej?

W półprzewodniku za przewodzenie prądu odpowiedzialne są swobodne elektrony, których jest dużo mniej niż w metalach i puste miejsca po elektronach, które mogą się przemieszczać więc traktujemy je jako ładunki dodatnie. Jeśli połączymy ze sobą półprzewodnik typu p i n to taki układ nazywamy złączem p-n. Przed zetknięciem każdy z obszarów jest elektrycznie obojętny. Po zetknięciu Przez granicę obu obszarów dzięki zjawisku dyfuzji elektrony przechodzą z półprzewodnika typu n do p, a dziury z półprzewodnika typu p do n. Po przejściu elektrony rekombinują (zobojętniają się) z dziurami, a dziury z elektronami. Rekombinacja zachodzi jedynie w cienkiej warstwie blisko granicy zetknięcia. Ładunek jonów dodatnich i ujemnych po obu stronach granicy nie jest teraz skompensowany ładunkiem nośników przeciwnego znaku. W wyniku tego powstaje tzw. warstwa zaporowa o bardzo dużym oporze, bo w jej obszarze nie ma prawie nośników ładunku. Obszar typu p ma niższy potencjał elektryczny od obszaru typu n.. Powstała różnica potencjału nosi nazwę bariery potencjału, gdyż zapobiega dalszemu przechodzeniu elektronów. Jeśli do złącza przyłożymy zewnętrzne napięcie tak, że dodatni biegun źródła połączony będzie z obszarem p, a ujemny z obszarem n to zmniejszy się bariera potencjału i prąd będzie płynął. Mówimy, że złącze polaryzujemy w kierunku przewodzenia. Jeśli do obszaru p dołączymy biegun ujemny, a do obszaru n dodatni to elektrony i dziury będą odciągane od złącza. Wskutek tego warstwa zaporowa poszerzy się i jej opór elektryczny wzrośnie. Będzie płynął wtedy bardzo słaby prąd. Mówimy, że dioda spolaryzowana jest w kierunku zaporowym. Teraz przystąpimy do omówienia właściwego zjawiska. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne inaczej fotogalwaniczne znalazło zastosowanie w ogniwach fotoelektrycznych powszechnie zwanych bateriami słonecznymi. Na rysunku pokazano budowę typowego ogniwa krzemowego. Takie ogniwo wykonuje się z półprzewodnika typu p (więcej jest w nim dziur niż swobodnych elektronów) pokrytego warstwą półprzewodnika typu n (przeważają w nim swobodne elektrony) o grubości tylko 1mm, a więc wystarczająco cienką, aby móc łatwo przepuścić światło dochodzące do warstwy zaporowej. Pochłonięte fotony światła wybijają elektrony z sieci krystalicznej i stają się swobodne, a jednocześnie tworzą się dziury. Pod wpływem wewnętrznego pola elektrycznego w warstwie następuje dyfuzja czyli przejście dziur do obszaru p półprzewodnika, a elektronów do obszaru n. Elektrony, które przeszły do obszaru n ładują tę część półprzewodnika ujemnie, natomiast dziury ładują obszar p półprzewodnika dodatnio. Pomiędzy obiema częściami półprzewodnika powstaje więc różnica potencjałów. Jeśli obszary p i n połączymy przewodem na zewnątrz ogniwa, to popłynie prąd w kierunku przeciwnym do kierunku przewodzenia diody.

35. Czym różni się fotodioda od fotoogniwa?

Fotoogniwo jest domieszkowane a fotodioda nie. (nie wiem co więcej można dodać :( )

36. Na jakiej zasadzie działają skrzydła wiatraka?

37. Jaki jest przepływ energii przy produkcji prądu za pomocą wiatraków?

38. Co należy brać pod uwagę rozstawiając wiatraki prądotwórcze? Od czego zależy ich efektywność?

39. Co to są izotopy promieniotwórcze?

Pierwiastki lub odmiany pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. W wyniku tej przemiany powstają inne atomy, cząstki elementarne, a także uwalniana jest energia w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany.

40. Jak wygląda prawo zaniku substancji promieniotwórczej? Od czego zależy jej aktywność?

41. Skąd się bierze energia jądrowa?

Energią jądrowa bierze się z rozpadu jąder pierwiastków promieniotwórczych.

42. Jaki jest stosunek uzyskanej energii na jednostkę masy w przypadku energii jądrowej i energii chemicznej ze spalania węgla kamiennego?

43. Jaka jest zasada działania elektrowni jądrowej?

Taka sama jak każdej innej elektrowni cieplnej. W reaktorze jądrowym powstaje ciepło w procesie rozszczepienia jąder pierwiastków promieniotwórczych. Powoduje to wytworzenie ciepła, które podgrzewa czynnik roboczy (najczęściej woda), który podgrzewa wytwornicę pary i zamienia wodę w parę wodną, ta zaś napędza następnie turbinę parową połączoną z generatorem.

44. Na czym polega określanie wieku metoda węglową?

45. Co mierzy licznik Geigera-Mullera?

Inaczej dozymetr. Służy do mierzenia promieniowania jonizującego (promienie alfa, beta i gamma)

46. Co to jest reakcja łańcuchowa? Czym się różni zastosowanie reakcji łańcuchowej przy konstruowaniu bomby i elektrowni jądrowej?

Reakcja rozszczepienia przebiegająca samorzutnie, z dodatnim sprzężeniem zwrotnym (w bombie jądrowej) lub w sposób kontrolowany (w reaktorze jądrowym). W procesie rozszczepienia jądra emitowanych jest od 1 do 4 neutronów, wydziela się również olbrzymia ilości energii. Reakcja łańcuchowa zachodzi, gdy neutrony te wywołują dalsze rozszczepienia.

47. Scharakteryzuj skutki działania promieniowania jądrowego na organizmy żywe. Czym różnią się skutki deterministyczne od stochastycznych?

Najbardziej wrażliwą na promieniowanie częścią komórki jest jej materiał genetyczny DNA. Uszkodzenia DNA, o ile nie zostaną bezbłędnie naprawione, mogą prowadzić do transformacji nowotworowej lub śmierci komórki. Skutki deterministyczne (niestochastyczne), czyli takie, których zarówno częstość, jak i stopień ciężkości ulegają wzrostowi wraz z dawką promieniowania. Można określić dla nich dawkę progową. Należą do nich np. wszystkie dobrze znane powikłania w radioterapii . Skutki stochastyczne, czyli te, których częstość występowania ulega jedynie zwiększeniu wraz ze wzrostem dawki. Są to zjawiska probabilistyczne. Nie istnieje dla nich dawka progowa. Należą do nich np. nowotwory złośliwe.

48. Co trzeba zrobić aby ewentualne awarie elektrowni jądrowych były najmniej szkodliwe?

49. Jakie problemy napotyka składowanie odpadów radioaktywnych? Wymień kilka możliwych źródeł takich odpadów.

Elektrownie jądrowe, przemysł medyczny, odpady związane z wydobyciem i obróbką materiałów radioaktywnych. Problemem składowania takich odpadów jest czas ich rozpadu, który wynosi kilkaset tysięcy lat i możliwość skażenia środowiska.

50. Jakie zastosowania znajdują izotopy promieniotwórcze w medycynie?

Radioterapia-leczenie nowotworów (np. bomba kobaltowa, rad, molibden), jako znaczniki , sterylizacja sprzętu, silne prom. gamma jest bardziej zabójcze dla bakterii i grzybów niż temperatura.

51. Co to jest tomografia komputerowa? Co przyczyniło się do jej powstania?

Jest rodzajem tomografii rentgenowskiej, metodą diagnostyczną pozwalającą na uzyskanie obrazów tomograficznych (przekrojów) badanego obiektu. Wykorzystuje ona złożenie projekcji obiektu wykonanych z różnych kierunków do utworzenia obrazów przekrojowych (2D) i przestrzennych (3D). Do powstania przyczynił się rozwój komputerów i oprogramowania (?).

52. Co to jest plazma? Gdzie można ją spotkać?

Zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, złożona zarówno z cząstek naładowanych elektrycznie, jak i obojętnych. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

Plazma to zjonizowany gaz o odpowiednio dużej koncentracji cząstek naładowanych w postaci jonów i elektronów. Proces powstawania w gazie jonów i elektronów nazywamy jonizacją gazu. Na ogół gaz przed jonizacją jest elektrycznie obojętny, więc zgodnie z zasadą zachowania ładunku wytworzona plazma będzie również obojętna, ponieważ będzie zawierać jednakowe ilości ładunków dodatnich i ujemnych. Jednak na skutek na skutek termicznych ruchów jonów, elektronów, atomów lub cząsteczek w plazmie występują chaotyczne, chwilowe niejednorodności przestrzennego rozmieszczenia ładunków. Te niejednorodności wywołują w plazmie szereg specyficznych zjawisk, dlatego plazmę nazywamy quasi-obojętny elektrycznie.

Spotykana : podczas wyładowań atmosferycznych, w zorzy polarnej, w neonówkach.

53. Co to jest reakcja termojądrowa?

Reakcja termojądrowa, synteza jądrowa lub fuzja jądrowa - zjawisko polegające na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe, w wyniku fuzji mogą powstawać obok nowych jąder też wolne neutrony, protony, cząstki elementarne i cząstki alfa. Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i dlatego się odpychają - aby doszło do ich połączenia muszą zbliżyć się na tyle, aby siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne. Niezbędnym warunkiem do tego jest prędkość (energia kinetyczna) jąder. Wysoką energię jąder uzyskuje się w bardzo wysokich temperaturach lub rozpędzając jądra w akceleratorach cząstek.Przedrostek termo pochodzi od głównego sposobu, w jaki wywoływana jest ta reakcja w gwiazdach i bombie wodorowej, czyli przez podniesienie temperatury do kilkunastu milionów kelwinów. W skali atomowej oznacza to bardzo dużą energię zderzenia cząstek.

54. Dlaczego staramy się opanować produkcję energii w oparciu o reakcje termojądrowe?

55. Jakie efekty decydują o falowej naturze zjawiska?

56. W jaki sposób mierzy się poziom natężenia dźwięku?

57. Wymień kilka wielkości, przy pomiarze których używa się skali logarytmicznej.

58. Co składa się na to, że przygotowanie Sali o dobrej akustyce jest trudne? Co należy uwzględnić projektując obiekt pod względem akustycznym?

59. W jaki sposób można tłumić dźwięk. Które tony jest najtrudniej wytłumić. Dlaczego?

60. Jak wysokość, barwa, głośność dźwięku wiążą się z podstawowymi elementami charakterystyki fali?

61. Co to jest fala uderzeniowa?

Cienka warstwa, w której następuje gwałtowny wzrost ciśnienia gazu, rozchodząca się szybciej niż dźwięk. Fale uderzeniowe powstają podczas silnego wybuchu, ruchu ciała z prędkością ponaddźwiękową (np. samolot).

62. Na czym polega badanie USG?

USG wykorzystuje zjawisko rozchodzenia się, rozpraszania oraz odbicia fali ultradźwiękowej na granicy ośrodków, przy założeniu stałej prędkości fali w różnych tkankach równej 1540 m/s. W ultrasonografii medycznej wykorzystywane są częstotliwości z zakresu ok. 2-50 MHz.

63. Wylicz kilka efektów za pomocą których umiemy określić odległość od obiektu, który widzimy.

64. W jaki sposób działa kino trójwymiarowe?

65. Jak działają telewizory 3D?

66. Co to jest światło spójne?

67. Wymień kilka zastosowań lasera.

Wskaźniki, drukarki, spawarki, urządzenia do cięcia, w dermatologii usuwanie tatuaży, znamion orac włosów, dalmierze, systemy naprowadzania.

68. Gdzie spotykamy hologramy? Na czym polega zapis holograficzny?

69. Na jakich wysokościach umieszczane są sztuczne satelity? Jakie siły równoważą się na każdej z tych orbit?

70. Co to jest orbita geostacjonarna?

Orbita geostacjonarna to orbita okołoziemska, która zapewnia krążącemu po niej satelicie zachowanie stałej pozycji nad wybranym punktem równika Ziemi. Orbita geostacjonarna jest orbitą kołową zawartą w płaszczyźnie równika.

71. Na jakich orbitach umieszczone są satelity systemu GPS ? Ile nadajników musi widzieć nasz odbiornik, żeby określić swoje położenie?

Satelity GPS są umieszczone na średniej orbicie okołoziemskiej. Aby określić pozycję w trójwymiarowej przestrzeni i czas systemu konieczny jest jednoczesny odbiór z przynajmniej czterech satelitów.

72. Skąd biorą się błędy w określaniu położenia przy lokalizacji GPS?

73. Co to jest pierwsza prędkość kosmiczna? Jak ją obliczyć?

Pierwsza prędkość kosmiczna to najmniejsza pozioma prędkość, jaką należy nadać ciału względem przyciągającego je ciała niebieskiego, aby ciało to poruszało się po zamkniętej orbicie. Z tak określonych warunków wynika, że dla ciała niebieskiego o kształcie kuli, orbita będzie orbitą kołową o promieniu równym promieniowi planety. Ciało staje się wtedy satelitą ciała niebieskiego.

G-stała grawitacji M-masa ciala niebieskiego m-masa rozpędzanego ciała R - promień orbity satelity krążącego wokół ciała niebieskiego.

---