Задания Физика, 8 класс
*Внимание! На все вопросы возможен только один правильный ответ.
А) нет, потому что тела могут двигаться и находиться на какой-то высоте.
В) нет, потому что молекулы в телах движутся всегда, значит, тело всегда обладает внутренней энергией и обладает механической энергией.
С) возможно, если тело покоится на нулевом уровне потенциальной энергии (т.е. его механическая энергия равна нулю). А внутренней энергией тело обладает, поскольку молекулы внутри его движутся при любой температуре.
D) возможно, потому что, тело не может обладать только механической энергией, а внутренней — нет, то такая ситуация невозможна. Поэтому, выбираем – возможно.
2. Два тела массами 1 кг и 2 кг, состоящие из вещества с удельными теплоемкостями соответственно 640 Дж/(кг*град) и 320 Дж/(кг*град), нагрели на одинаковое число градусов Сравните количества теплоты, сообщенные телам.
А) Q(1) = 2Q(2)
В) Q(2) = 2Q(1)
С) Q(1) = 4Q(2)
D) Q(1) = Q(2)
3. Имеется 9 одинаковых колец. Но при изготовлении был допущен брак: одно кольцо оказалось немного тяжелее. Какое минимальное число взвешиваний надо сделать на весах без гирек, чтобы найти это бракованное кольцо?
А) 2 В) 4 С) 6 D) 8
4. Во сколько раз внутренняя энергия бака бензина (50 л) отличается от внутренней энергии одного стакана бензина (200 куб.см) из этого же бака?(плотность бензина 710кг/ куб.м).
А) 200 В) 250 С) 300 D) 350
5. Со стола на пол упали алюминиевая и стальная ложки одинакового объема. Считая, что вся механическая энергия ложек при падении пошла на нагревание, определить, во сколько раз отличаются изменения внутренних энергий этих ложек
(плотность алюминия – 2,7 г/куб. см, стали – 7,8 г/куб.см)
А) 5,8 В) 3,7 C) 2,9 D) 2,1
6. Имеется два одинаковых кофейника, но один – светлый, а второй темный снаружи. В каком их кофейников одинакового объема кофе сварится раньше? А в каком остынет раньше?
А) кофе сварится раньше в темном и остынет раньше — в темном
В) кофе сварится раньше в темном, а остынет – в светлом
С) кофе сварится раньше в светлом и остынет раньше — в светлом
D) кофе сварится раньше в светлом, а остынет – в темном кофейнике
7. В горячую воду сосуда опустили алюминиевый и стальной шарики, имеющие одинаковую массу и начальную температуру (удельная теплоемкость стали 460 Дж/кг*град, алюминия 920 Дж/кг*град). Одинаковым ли будет изменение их температур? Одинаковое ли количество теплоты поглотят шарики?
А) изменение температур одинаковое, количества теплоты, поглощенной шариками, то же одинаковое
В) изменение температур одинаковое, количество теплоты, поглощенное алюминиевым шариком, в 2 раза больше, чем стальным
С) изменение температур неодинаковое: стальной шарик вдвое больше нагреется, количество теплоты – одинаковое
D) изменение температур неодинаковое: алюминиевый шарик вдвое больше нагреется; количество теплоты, поглощенное алюминиевым шариком, вдвое больше, чем стальным
8. Какое напряжение нужно подать на установку с электронами, чтобы разогнать неподвижный электрон до первой космической скорости? ( 7,9 км/с; масса электрона 9,1*10(в минус 31 степени)кг)
А) 0,18 мВ В) 0,18 В С) 0,18 кВ D) 0,18 МВ
9. Определить сопротивление вольфрамовой проволоки поперечным сечением 0,10 кв.мм и массой 7,72 г (плотность вольфрама 19,3 г/куб см и удельное сопротивление 0,055 Ом*кв.мм/м)
А) 0,22 Ом В) 2,2 Ом С) 22 Ом D) 220 Ом
10. Ученик соединил последовательно две лампочки с надписями « 12 В; 1 А» и
« 12В; 0,28 А» и хотел подсоединить к источнику напряжением 24 В, считая, что делает правильно: 12 В+12 В=24 В – лампочки выдержат. Но учитель запретил, потому что одна из лампочек может перегореть. Какая? Почему?
А) перегорит первая лампочка, потому что она рассчитана на 1А)
В) перегорит вторая лампочка, потому что среднее арифметическое (1+0,28):2= 0,64 (А) будет выше, чем 0,28А
С) перегорит первая лампочка, потому что она стоит первая от источника тока
D) перегорит лампочка с надписью «12В;0,28А», потому что сила тока будет в полтора раза превышать номинальный ток этой лампочки.
11. Проволочный куб состоит из одинаковых по длине и сечению стальных проволок. Сопротивление каждой проволоки равно R. Определить общее сопротивление куба, если его включили в противоположные вершины куба по диагонали.
А) 6R/5 В) 4R/3 С) 5R/6 D) 3R/4
12. Две лампочки, на которых написано: «220В; 25 Вт» и « 220В; 100Вт» соединены последовательно и включены в сеть 220В. В какой из ламп при этом выделится большая мощность и во сколько раз?
А) мощность тока, потребляемого первой лампочкой, будет в 4 раза больше мощности тока, потребляемого второй лампочкой
В) мощность тока, потребляемого первой лампочкой, будет в 2 раза больше мощности тока, потребляемого второй лампочкой
С) мощность тока, потребляемого второй лампочкой, будет в 4 раза больше мощности тока, потребляемой первой лампочкой
D) мощность тока, потребляемого второй лампочкой, будет в 2 раза больше мощности тока, потребляемого первой лампочкой
13. На какой высоте над поверхностью воды в бассейне глубиной Н нужно повесить лампочку, чтобы свет от нее шел в воздухе и в воде одинаковое время? (скорость света в воде 225000 км/с, а в воздухе – приблизительно 300000 км/с)
А) 1,6 Н В) 1,5 Н С) 1,4 Н D) 1,3 Н
14. Как нужно расположить плоское зеркало, чтобы солнечные лучи осветили дно колодца? Солнечные лучи образуют с горизонтом угол 38 градусов.
А) 52 градуса В) 64 градуса С) 72 градуса D) 32 градуса
15. Проводится лабораторный опыт: перед линзой на расстоянии 20см помещают свечу. Передвигая экран, получают четкое изображение свечи на расстоянии 60 см от линзы. Чему равна оптическая сила линзы? Какое увеличение дает линза?
А) 7,6 дптр; 3 В) 6,2 дптр; 4 С) 6,7 дптр; 3 D) 7,2 дптр; 4
Ярослав Гронский
Японские инженеры приближают кризис производителей бензина: разработчики представили двигатель, который ездит на воде. Причем заправляться можно как из-под крана, так и речной, и морской водой.
Компания Genepax представила автомобиль, двигатель которого «питается» необычным топливом. Машина будет приводиться в движение обычной водой, а вредные выбросы в атмосферу будут равны нулю. Причем, если верить японским разработчикам, всего одного литра воды хватит на час езды со скоростью 80 км/ч. Представители компании утверждают, что машина может использовать воду любого качества – хоть дождевую из лужи, хоть из-под крана, речную и даже морскую. «Автомобиль может продолжать движение до тех пор, пока у вас есть с собой емкость с водой, чтобы периодически заливать ее в топливный бак», — сказал глава Genepax.
«К тому же для питания батарей энергией не надо будет строить станции подзарядки, как для большинства современных электромобилей», — добавил он.
Силовая установка получила название Water Energy System (WES). Она устроена по тому же принципу, что и другие двигатели, использующие в качестве топлива водород. Но главной особенностью системы Genepax является то, что она использует коллектор с электродами мембранного типа (MEA), который состоит из особого материала, способного при помощи химической реакции расщепить воду на кислород и водород.
Пока разработчики не получили патент на свое изобретение, а потому, как преобразуется вода в энергию, пока держится в секрете. Однако президент компании-разработчика Хирасава Киеси намекнул, что этот процесс аналогичен принципу получения водорода путем реакции гидрида металла и воды.
Кроме полного отсутствия вредных выбросов среди плюсов силового агрегата Genepax долговечность. Выносливость установки достигается за счет того, что катализатор не изнашивается от загрязняющих веществ.
Представленный в Осаке автомобиль с водяным мотором создан в единственном экземпляре и будет использован, чтобы запатентовать изобретение. Себестоимость производства одного такого двигателя составляет чуть более $18 тыс. Однако, как утверждают представители фирмы, в будущем расходы на его постройку можно будет снизить в 4 раза путем налаживания массового производства, для которого Genepax сейчас ищет компаньонов среди японских автопроизводителей. Кроме того, дорогостоящие материалы, такие как, например, платина, необходимы для мотора в том же количестве, что и в обычных фильтрующих системах в двигателях внутреннего сгорания, и не сильно удорожают производство. Также нет необходимости использовать водородный топливный бак под высоким давлением.
Это уже далеко не первый случай, когда производители пытаются найти необычную альтернативу стандартным видам горючего.
Так, например, в начале года те же японцы объявили, что вложат более $11 млн в налаживание изготовления биоэтанола из древесины. А в Испании в скором времени собираются получать биотопливо из отходов, оставшихся после производства апельсинового сока. При его отжиме в испанской провинции Валенсия получается до 240 тыс. тонн отходов ежегодно. Из каждой тонны «мякоти» можно получить около 80 литров горючего. Испания, как и остальные страны Евросоюза, намерена к 2010 году довести долю потребляемого биотоплива до 6%, около 1% из которых будут получать из апельсиновой кожуры и мякоти.
К сожалению мы не можем показать то, что вы искали. Может быть, попробуете поиск по сайту или одну из приведенных ниже ссылок?
Архивы Выберите месяц Декабрь 2021 Ноябрь 2021 Октябрь 2021 Сентябрь 2021 Август 2021 Июль 2021 Июнь 2021 Май 2021 Апрель 2021 Март 2021 Февраль 2021 Январь 2021 Декабрь 2020 Ноябрь 2020 Октябрь 2020 Сентябрь 2020 Август 2020 Июль 2020 Июнь 2020 Май 2020 Апрель 2020 Март 2020 Февраль 2020 Январь 2020 Декабрь 2019 Ноябрь 2019 Октябрь 2019 Сентябрь 2019 Август 2019 Июль 2019 Июнь 2019 Май 2019 Апрель 2019 Март 2019 Февраль 2019 Январь 2019 Декабрь 2018 Ноябрь 2018 Октябрь 2018 Сентябрь 2018 Август 2018 Июль 2018 Июнь 2018 Февраль 2018 Январь 2018 Ноябрь 2017 Сентябрь 2017 Август 2017 Июль 2017 Апрель 2017 Март 2017 Февраль 2017 Январь 2017
РубрикиВыберите рубрикуbritish bulldogАстраБез рубрикиВидеоурокиВОШВПРвысшая пробадвизолотое руноКенгуруКИТконкурс Пегасмежрегиональный химический турнирМОШмцкоОВИОолимпиада звездаолимпиада ЛомоносовОПКОтветы на работы СтатГрадРДРРешу ЕГЭРешу ОГЭрусский медвежонокСочинениеСтатьитурнир ЛомоносоваУчебные пособияЧИПЮМШ
Переработка Нефти
Все хорошие вещи в жизни приходят не поодиночке, а вместе с другими вещами
Чарльз Лэмб
Бензин — наиболее широко известная смесь углеводородов, но тем не менее, о его свойствах знают удивительно мало. Это невежество объясняется, по-видимому, тем, что давление со стороны конкурентов заставляет производителей выпускать вполне пригодный для использования продукт. А если продукт вполне пригоден, покупатели перестают интересоваться (или изначально не интересуются) причинами его пригодности.
В этой главе мы рассмотрим несколько аспектов.
Две наиболее важные переменные, имеющие значение при компаундировании бензина: давление насыщенного пара и октановое число.
Влияние добавок тетраэтилсвинца на бензин.
Методика смешивания бензина.
4 Влияние потребностей в компаундированном бензине на процессы нефтепереработки.
Есть небольшая вероятность, что эта глава с самого начала окажется непонятной, если Вы не имеете представления о том, как работает автомобильный двигатель. Поэтому для начала будет представлена пара страниц и иллюстраций на эту тему.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принципиальными частями бензинового двигателя, по крайней мере, Принципиальными для этой книги, являются бензобак, бензонасос, карбюратор, цилиндр, поршень и свеча зажигания. Двигатели без последней части из списка (свечи зажигания) будут обсуждаться в следующей главе, и называются они дизельными.
Процесс в ДВС начинается с того, что Вы заполняете бензобак на бензоколонке. Затем Вы заводите мотор, и бензонасос высасывает топливо из бака и отправляет его в карбюратор. Карбюратор испаряет бензин, смешивает его с воздухом и отправляет в цилиндр. Дальше происходит последовательность событий, изображенная на рисунке 12.1.
Смесь бензина с воздухом засасывается в цилиндр, когда поршень движется вниз, и объем цилиндра возрастает до максимального. Впускной клапан закрывается, и
Затем поршень движется вверх по цилиндру и сжимает топливо. Когда поршень достигает верхней точки своего хода, свеча зажигания дает мощную искру и воспламеняет бензин. Бензин моментально сгорает, что приводит к сильному расширению газов и давлению на поршень. Поэтому затем поршень вынужденно перемещается вниз по цилиндру, и энергия передается на коленчатый вал — это называется рабочий ход поршня. В нижней точке рабочего хода выпускной клапан, находящийся в верху цилиндра, открывается, и во время движения поршня вверх сгоревшее топливо выбрасывается. В верхней точке хода впускной клапан снова открывается, и весь процесс повторяется. Обратите внимание на то, что в течение каждого цикла поршень по два раза перемещается вверх и вниз по цилиндру.
Давление насыщенных паров
Одной из принципиальных стадий цикла работы ДВС является воспламенение бензина. Когда двигатель разогрет, с этим нет проблем: тепло обеспечивает поступление 100% бензина в цилиндр в виде паров. Но когда двигатель только начинает работать на холоде, ситуация усложняется.
При запуске холодного двигателя фокус в том, чтобы бензин содержал достаточно летучих углеводородов для образования воспламеняющейся паровоздушной смеси. Мерой летучести является давление насыщенных паров, конкретнее, давление паров по Рейду (ДПР) — характеристика, названная по имени человека, который разработал прибор для ее измерения.
Определение. Давление насыщенного пара — это мера поверхностного давления, которое необходимо, чтобы жидкость не испарялась. Для легкокипящего углеводорода типа пропана давление паров очень высоко, так как этот углеводород очень летуч. Более высококипящий углеводород, такой как газойль, характеризуется почти нулевым давлением насыщенных паров, так как при комнатной температуре он испаряется крайне медленно. Если Вы на минуту задумаетесь, Вам станет ясно, что давление паров зависит от температуры. ДПР измеряют при 15°С (60°F).
Режим работы двигателя. Довольно определений — вернемся к проблеме карбюратора. Для ДПР бензина необходимо выполнение двух крайних условий. При холодном запуске должно испаряться достаточное количество бензина (что-нибудь около 10%), чтобы образовалась воспламеняемая смесь. Если воспламенение произошло, то оставшаяся часть бензина — та, что не испарилась — тоже наверняка сгорит. Другое крайнее условие относится к режиму, когда работает полностью разогретый двигатель, или к еще более крайнему режиму, когда горячий двигатель нужно повторно запустить. В этом случае пары бензина не должны расширяться слишком сильно, иначе на пути в цилиндр бензин невозможно будет смешать с воздухом. Короче говоря, смесь и в этом случае должна быть воспламеняемой.
Нефтепереработчики обнаружили, что способность бензина удовлетворять этим условиям прямо связана с ДПР. Более того, оказалось, что идеальный показатель ДПР для бензина должен быть различным в разное время года. В разгар зимы где-нибудь в городке Бемиджи (Миннесота) для холодного запуска требуется бензин с ДПР 13 psi (0,91 атм). В горячие августовские дни в Пресидио (Техас) машины не будут заводиться, если ДПР бензина окажется выше, чем 8,5 psi (0,60 атм).
Паровая пробка. Следует упомянуть еще одно явление, которое ограничивает допустимое давление насыщенных паров — это паровая пробка. Проблемы могут возникать при сочетании большой высоты над уровнем моря и высоких температур. На большой высоте атмосферное давление ниже, и бензин с высоким ДПР может начать испаряться в любой части системы. Бензонасосу придется качать смесь жидкости и паров, в то время как его конструкция предполагает работу только с жидкостью. В результате поступление в карбюратор будет недостаточным, и двигатель остановится и не запустится снова, пока температура бензина не понизится, а это может занять несколько часов.
Чтобы избежать паровых пробок, ДПР подбирают в соответствии с окружающими условиями в районе использования, включая сезонный перепад температур и атмосферное давление.
Компаундирование в соответствии с давлением паров. Хватит о машинах. Что делать со всем этим нефтепереработчикам? Посмотрев в список компонентов для смешивания бензина, приведенный в таблице, Вы увидите, что ДПР всех компонентов, кроме двух, ниже упомянутых пределов. Ответ напрашивается сам собой: для увеличения давления паров следует добавлять бутаны.
Компоненты | ДПР, psi (атм) |
ИЗО-С4 | 71,0 (4,99) |
Н-С4 | 52,0 (3,66) |
Риформат с ИОЧ 94 | 2,8 (0,20) |
Риформат с ИОЧ 100 | 4,2 (0,29) |
Легкий продукт гидрокрекинга | 3,9 (0,27) |
Тяжелый продукт гидрокрекинга | 1,7 (0,12) |
Алкилат | 4,6 (0,32) |
Прямогонный бензин | 11,1 (0,77) |
Прямогонный лигроин | 1,0 (0,07) |
Крекинг-бензин | 4,4 (0,31) |
Бензин с установки коксования | 4,0 (0,28) |
Если бы Вы попробовали разработать промышленную схему для смешивания компонентов бензина, Вам не пришло бы в голову, что имеющегося бутана окажется достаточно в качестве единственного компонента, регулирующего давление паров. Но, как это ни удивительно, дело именно так. Бутан получается как побочный
Продукт различных процессов на нефтеперерабатывающем заводе. Кроме того, его выделяют из природного газа. Каким-то образом эти два весьма негибких источника обеспечивают производство бутана в количестве, необходимом для компаундирования бензина.
Теперь перейдем к практическим деталям. Чтобы определить количество бутана, которое требуется для достижения необходимого давления насыщенных паров, нам потребуется произвести алгебраический расчет средневзвешенных значений. Давление насыщенного пара не вполне пропорционально объемным долям компонентов, но для нашей цели такой расчет дает вполне достаточную точность. Представьте себе, что требуемое значение ДПР равно 10 psi (0,7 атм) и имеется смесь из пяти компонентов. Мы должны рассчитать, сколько н-бутана следует добавить к этой смеси.
Компонент | Объем, баррель | ДПР | ОбъемхДПР |
Прямогонный бензин | 4000 | 1,0 | 4000 |
Риформат | 6000 | 2,8 | 16800 |
Легкий прод. гидрокрекинга | 1000 | 4,6 | 4600 |
Крекинг-бензин | 8000 | 4,4 | 35200 |
Всего | 19000 | 60600 | |
Н-Бутан | X | 52 | 52х |
Чтобы получить величину ДПР, равную 10 psi (0,7 атм), следует добавить:
10(19000 + х) = 60600 + 52х, 190000 + 10х = 60600 + 52х, —52х + 10х = -129400, х = 3081 баррелей н-бутана. Общее количество произведенного бензина составит 19000 + 3081 = 22081 баррель.
Таким образом, расчет весьма прост, но есть еще некоторые моменты, о которых следует упомянуть. Зимой требуемая величина ДПР обычно выше, чем летом, поэтому количество произведенного бензина также оказывается выше. Действительно, чем выше требуемая величина ДПР, тем больше бутана можно добавить, и тем больше объем бензина, полученный в итоге. К сожалению, однако, на большинстве рынков сбыта, кроме некоторых районов типа Майами Бич, потребности в бензине зимой как раз ниже, чем летом. Тем не менее дополнительные возможности по производству бензина обеспечивают некоторую гибкость в плане производства дизельного топлива.
Сравнение н-бутана и изобутана. Почему для повышения давления паров бензина используется именно н-бу — тан, а не изобутан? Для этого есть несколько серьезных причин. Во-первых, величина ДПР н-бутана на 19 psi (1,33 атм) ниже, чем в случае изобутана, и, следовательно, имеется возможность добавить большее количество бутана. Цена бутана обычно такова, что чем больше его можно добавить в бензин, тем лучше. Во-вторых, у изо — бутана есть другая область применения — алкилирова- ние, причем изобутана часто оказывается недостаточно, чтобы обеспечить потребности алкилирования, и поэтому некоторое количество н-бутана приходится перерабатывать в изобутан на установке изомеризации бутана (см. главу XVI). В-третьих, рыночная цена н-бутана обычно несколько ниже, чем цена изобутана.
В качестве интересного примечания можно добавить следующее: вспомните, как заполняется бензобак автомобиля. Обычно вокруг горловины бака можно наблюдать волнообразный пар. Это — бутан, который улетает из бензина. Если Вы достаточно наблюдательны, то Вы также могли заметить, что зимой этого пара больше, чем летом. Это потому, что зимой выше необходимая величина ДПР бензина.
Октановое число
Каждый, кто покупает бензин, знает, что высокооктановый бензин лучше и дороже. Некоторые знают, почему он лучше, но вряд ли кто-нибудь знает, почему он Дороже. В данном разделе мы раскроем эту тайну.
Октановое число показывает, будет ли бензин детонировать в двигателе. Это неплохое определение, которое, однако, требует пояснения, касающегося еще одного всем известного и мало понятного явления — детонации.
Детонация. Здесь будет полезно снова обратиться к рисунку 12.1, на котором изображен цикл работы двигателя. Когда смесь паров бензина и воздуха подается в цилиндр, поршень движется вверх и сжимает ее. При сжатии пары нагреваются. (Пощупайте низ велосипедного насоса после того, как Вы накачали шину. Он окажется горячим. Тот же эффект приводит и к нагреванию цилиндра двигателя.) Если смесь паров бензина и воздуха достаточно сильно сжать, то она сильно нагреется и может самовоспламениться без участия свечи зажигания. Если это случится раньше, чем поршень достигнет верхней точки своего хода, то произойдет детонация, то есть двигатель будет препятствовать движению коленчатого вала, вместо того, чтобы ему способствовать. Детонация обычно воспринимается как постукивание или гудение двигателя.
Очевидно, детонации следует избегать, так как она не только работает против движущей силы мотора, но также отрицательно сказывается на его механических частях. На ранних стадиях разработки бензиновых двигателей было обнаружено, что различные компоненты бензина ведут себя по-разному. Ключевой характеристикой компонента является степень сжатия. На рисунке 12.2 степень сжатия — это просто отношение объема цилиндра в нижней точке хода поршня к объему в верхней точке. При измерении октанового числа бензина или компонента бензина имеет значение конкретная степень сжатия, а именно та, при которой самовоспламенение произойдет именно в верхней точке хода поршня. Для измерения степени сжатия, при которой данный компонент бензина детонирует, был разработан специальный ряд чисел. За бензин с октановым числом 100 был условно принят изооктан (2,2,4-триметилпентан) CgHlg. Нормальный гептан который детонирует при значительно меньшей степени сжатия, был принят за бензин с октановым числом 0. Используя испытания на стендовом двигателе, каждому компоненту бензина можно поставить в соответствие смесь изооктана и н-гептана определенного состава. Октановым числом считается процентная доля изооктана в смеси, детонирующей при той же степени сжатия.
Испытание на детонацию. Рассмотрение методики испытаний может оказаться полезным. Для этого использу-
Ется стендовый двигатель с подвижной крышкой цилиндра, которую можно поднимать или опускать, меняя таким образом степень сжатия. Бензин, который испытывают, подают в двигатель при крышке, сдвинутой вниз. В некоторой точке происходит детонация, что можно заметить либо на слух, либо используя детонометр. Степень сжатия записывают, после чего крышку перемещают вверх. Приготовляют две смеси изооктана и н-гептана. При некотором опыте работы с прибором можно подобрать смеси таким образом, чтобы одна из них детонировала при меньшей, а другая — при большей степени сжатия, чем компонент, который только что испытывали. Октановые числа для этих смесей известны по определению (это процентное содержание изооктана). Для каждой из смесей проводят те же измерения и записывают критическую степень сжатия. Построив график по трем известным точкам, как показано на рисунке 12.3, можно определить октановое число компонента бензина.
Например, компонент бензина детонирует на стендовом двигателе при степени сжатия 8:1. Приготовляют две модельные смеси — одна содержит 88% изооктана
87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97
T
Октановое число исследуемого компонента
8,6 8,4 8,2 8,0 7,8 7,6 7,4 7,2 7,0
Ев
Н X и X О С 2 О X
О
L-
О 2 >4
Ч о ч о
К «
§ «
X
О л X о С о н U
Рис. 12.3. График для определения октанового числа.
(04 88), а другая — 96% (04 96). На стендовом двигателе они детонируют соответственно при степенях сжатия 7,2 : 1 и 8,4 : 1. По графику определяем, что неизвестное октановое число равно 93,3.
Требования к октановым числам. Теперь Вы знаете, что показывает октановое число. Почему это так важно? Конструкция двигателя обычно рассчитана на то или иное поведение топлива. Степень сжатия топлива в двигателе определяет мощность, которую тот способен развить. Чем больше степень сжатия, тем длиннее рабочий такт и тем более мощным является двигатель. Таким образом, на машины разного размера устанавливают двигатели различной конструкции, которым требуется бензин с разными октановыми числами. Короче говоря, чтобы изменить степень сжатия для Вашей машины, Вам не нужно передвигать крышку цилиндра вверх-вниз. Вместо этого
Вы должны покупать именно такой бензин, который подходит для Вашей машины.
Типы октановых чисел. Вам придется изучить еще два наименования, касающиеся октановых чисел, а именно, разные виды этих чисел и их применение. Во-первых, испытания по определению октановых чисел проводят при двух разных режимах. Измерение октанового числа по исследовательскому методу (ИОЧ) моделирует езду на машине в мягких условиях. Измерение октанового числа по моторному методу (МОЧ) проводят в более жестких условиях, которые моделируют движение на большой скорости или при значительной нагрузке. Сочетание величин МОЧ и ИОЧ дает полное представление о работе в разных условиях.
В конце 60-х годов в США проходила дискуссия между Федеральной Торговой Комиссией (ФТК) и нефтепереработчиками по поводу того, которое из октановых чисел следует указывать на бензоколонке. ФТК предлагала указывать ИОЧ, а нефтепереработчики возражали, что величина ИОЧ сообщает только часть информации. ФТК рассматривала вариант указания и того, и другого. «Будет путаница», — возражали нефтепереработчики. В результате стороны пришли к компромиссу, согласно которому на бензонасосах указывается следующая величина:
Эта величина не имеет никакого определенного смысла, не считая того, что она положила конец дискуссии.
Второй момент, касающийся октановых чисел — это как они себя ведут. Когда два компонента бензина смешивают, величины ИОЧ и МОЧ не подчиняются правилу аддитивности. Другими словами, ИОЧ и МОЧ смеси не равны величинам, полученным усреднением с учетом объемных долей компонентов. К счастью, для каждого компонента существует такая величина, как октановое число смешения, которое уже подчиняется правилу аддитивности. Октановое число смешения определенным образом связано с истинным октановым числом (которое находят по испытаниям на двигателе) и выясняется опытным путем. Когда говорят об ИОЧ и МОЧ компонентов бензина, то могут иметь в виду как истинные октановые числа, так и числа смешения. С этого момента все октановые числа, которые будут упоминаться, будут означать именно октановые числа смешения.
Получение заданного октанового числа смеси. Рассмотрим пример, который свяжет все вышесказанное воедино. Возьмем смесь из предыдущего примера по использованию бутана для увеличения давления пара. Рассчитаем ИОЧ и МОЧ этой смеси.
Объем (баррели) МОЧ ИОЧ
Прямогонный бензин | 4000 | 61,6 | 66,4 |
Риформат | 6000 | 84,4 | 94,0 |
Легк. продукт гидрокрекинга | 1000 | 73,7 | 75,5 |
Крекинг-бензин | 8000 | 76,8 | 92,3 |
Н-Бутан | 3081 | 92,0 | 93,0 |
Всего | 22081 |
Средние значения октановых чисел для 22081 баррелей равны: МОЧ 78,1 и ИОЧ 87,4.
Теперь рассчитаем, сколько нужно добавить алкилата, чтобы получить требуемые МОЧ 80,0 и ИОЧ 89,0. Октановые числа алкилата составляют 95,9 (МОЧ) и 97,3 (ИОЧ).
Объем (баррели) | МОЧ | ИОЧ | |
Бензин | 22081 | 78,1 | 87,4 |
Алкилат | Y | 95,9 | 97,3 |
Норматив (минимум) | 80,0 | 89,0 |
Чтобы 22081 баррелей бензина соответствовали нормативу по МОЧ, нужно следующее количество алкилата:
22081 • 78,1 + 95,9 Y = 80,0 (22081 + Y),
Для норматива по ИОЧ проделывается аналогичный расчет:
22081 • 87,4 + 97,3 Y = 89,0 (22081 + Y),
Поскольку для соответствия нормативу по ИОЧ требуется больше алкилата, это и определяет действительную потребность, так как оба заданных октановых числа являются минимально допустимыми.
Этот пример демонстрирует появление мелкой проблемы. Действительно, если мы добавим 12241 баррель алкилата, полученный продукт перестанет соответствовать условию по ДПР. Реально следует использовать систему из двух уравнений с двумя неизвестными, чтобы узнать одновременно количество алкилата и количество бутана. Но в таком расчете уже слишком много алгебры и арифметики, чтобы приводить его здесь.
Этилированный бензин
Чтобы упростить задачу достижения необходимого октанового числа, в бензин добавляли соединения свинца — тетраэтилсвинец (ТЭС) или тетраметилсвинец (ТМС). Эти соединения увеличивают октановое число бензина, не влияя при этом на другие его свойства, в том числе на давление насыщенного пара.
ТЭС — очень ядовитое химическое соединение, даже небольшие концентрации его паров могут привести к заболеваниям или к смерти. Вследствие такой опасности, Уже в 60-х годах Главный врач (Surgeon General) Соединенных Штатов (который тогда входил в исполнительную ветвь власти) установил максимально допустимое Количество ТЭС в бензине на уровне 4,0 мл на галлон (1 галлон = 3,785 л). Агентство по защите окружающей среды (Environmental Protection Agency) поддержало позицию Главного врача. Поскольку беспокойство по пово — загрязнения воздуха возрастало, в 1974 г. Агентство объявило о постепенном снижении содержания свинца в бензине, которое должно было начаться с 1975 г. Однако пока наличие свинца в виде ТЭС или ТМС разрешено хотя бы для одной марки бензина, его добавление останется важным, хотя и довольно грубым, экономическим рычагом.
Как это ни парадоксально, свинец добавляют в бен’ зин, чтобы подавить воспламенение. Вспомните: чем ниже октановое число, тем более вероятна детонация или самовоспламенение бензина. Свинец, таким образом, подавляет самовоспламенение.
Некоторая сложность возникает из-за того, что чем больше концентрация свинцовой присадки, тем менее эффективна ее последняя порция, то есть октановое число нелинейно зависит от концентрации присадки.
Как видно из таблицы и рисунка 12.4, влияние ТЭС на различные компоненты бензина неодинаково. Некоторые компоненты смеси более чувствительны к повышению октанового числа, а некоторые — менее чувствительны. Более того, смесь, полученная из этих компонентов, своей собственной кривой повышения
МОЧ | ИОЧ | |||||
Компонент | Без | 1,59 г | 3,17 г | Без | 1,59 г | 3,17 г |
Присадки | Присадки | |||||
Изо-С4 | 92,0 | 99,3 | 102,0 | 93,0 | 100,4 | 103,2 |
Н-С4 | 92,0 | 98,8 | 101,5 | 93,0 | 99,9 | 102,5 |
Риформат, ИОЧ 94 | 84,4 | 89,3 | 91,2 | 94,0 | 99,4 | 100,8 |
Риформат, ИОЧ 100 | 88,2 | 92,3 | 93,7 | 100,0 | 103,1 | 104,0 |
Легкий продукт | ||||||
Гидрокрекинга | 73,7 | 86,3 | 91,4 | 75,5 | 88,4 | 93,4 |
Тяжелый продукт | ||||||
Гидрокрекинга | 75,6 | 84,6 | 87,9 | 79,0 | 88,3 | 92,2 |
Алкилат | 95,9 | 101,9 | 103,4 | 97,3 | 102,0 | 104,0 |
Прямогонный бензин | 61,6 | 73,7 | 80,6 | 66,4 | 77,3 | 83,5 |
Прямогонная нафта | 58,7 | 72,5 | 78,2 | 62,3 | 73,5 | 79,3 |
Крекинг-бензин | 76,8 | 78,8 | 79,4 | 92,3 | 94,8 | 95,8 |
Бензин с установки | ||||||
Коксования | 76,6 | 80,6 | 82,1 | 85,5 | 90,7 | 93,0 |
Количество свинца (в г, в виде ТЭС)
Рис. 12.4. Влияние ТЭС на октановое число бензина.
Октанового числа, которую можно приблизительно построить на основании соответствующих кривых для компонентов.
Обычно методика расчета включает выбор трех точек на каждой кривой — это точки, соответствующие октановым числам без добавления ТЭС (неэтилированный бензин), с добавлением 1,59 г ТЭС на галлон и 3,17 г ТЭС на галлон (две последние довольно-таки странные величины — это массы, соответствующие 1,5 и 3 мл ТЭС). Рассчитывают среднемассовое октановое число смеси для каждой концентрации ТЭС. По полученным трем точкам Можно построить кривую повышения октанового числа смеси, а затем эта кривая позволяет определить количество тетраэтилсвинца, необходимое для достижения любого заданного октанового числа.
Чтобы упростить последнюю стадию, производители ТЭС и ТМС разработали диаграмму, которую можно использовать для определения октанового числа по любым двум точкам, обычно это точки 0 и 3,17 г. Пример диаграммы повышения октанового числа показан на рисунке 12.5.
Теперь вернемся к примеру получения бензина, где для достижения заданного октанового числа добавляли алкилат. Предположим, что вместо алкилата мы будем добавлять ТЭС.
Объем | МОЧ- | МОЧ- | ИОЧ- | ИОЧ- | |
(баррель) | 0,0 | 3,17 | 0,0 | 3,17 | |
Прямогонный | |||||
Бензин | 4000 | 61,6 | 80,6 | 66,4 | 83,5 |
Риформат | 6000 | 84,4 | 91,2 | 94,0 | 100,8 |
Легкий продукт | |||||
Гидрокрекинга | І 000 | 73,7 | 91,4 | 75,5 | 93,4 |
Крекинг-бензин | 8000 | 76,8 | 79,4 | 92,3 | 95,8 |
Н-Бутан | 3081 | 92,0 | 101,5 | 93,0 | 102,5 |
Всего | 22081 | 78,1 | 86,5 | 87,4 | 95,8 |
По каждой паре октановых чисел смеси строится график на диаграмме увеличения октанового числа (рис. 12 6). Точки МОЧ—0,0 и МОЧ—3,17, а также точки ИОЧ—0,0 и соединяются прямыми линиями Эти пря
Мые показывают, что для достижения заданного МОЧ, равного 80, требуется 0,25 г присадки, а для достижения ИОЧ 90, нужно добавить 0,35 г Последняя величина и определяет количество ТЭС, а МОЧ оказывается выше.
Спирты и кислородсодержащие добавки
В конце 70-х годов, когда Агентство по защите окружающей среды потребовало снижения количества свинца в бензине, нефтепереработчики стали искать другие способы повышения октанового числа В настоящее время нефтехимическая промышленность предоставляет для этого несколько продуктов метанол, этанол, ТБС и МТБЭ
Содержание антидетонатора, г металлического свинца на галлон
CR 105А
Рис. 12.5. Пример диаграммы повышения октанового числа
Метанол. Метанол СН3ОН — одно из наиболее давно Известных химических веществ. Он широко известен как Древесный спирт, так как раньше его добывали действи-
S-480
Содержание антидетонатора, г металлического свинца на галлон
CR 105А
Рис. 12.6. Графики для октановых чисел
Ем химических реагентов на свежепиленные бревна с твердой древесиной В 1923 г был разаботан более эффективный процесс, в котором в качестве исходных веществ используются метан или бензиновые фракции. Источником метана является природный газ, который в основном состоит из метана.
Промежуточная стадия процесса — получение син — тезгаза — смеси монооксида углерода (СО) и водорода
(Н2):
Простота этих формул обманчива. На самом деле технологический процесс и необходимое оборудование сложны и дороги, требуются катализаторы, ре
Акторы и трубопроводы, а также температуры (500-800°F) и давления 4000-5000 psi (280-350 атм).
Этанол. Этанол или этиловый спирт — это спирт, наиболее знакомый каждому, так как это основной компонент водки. Так же как метанол, этанол ранее получали из природных источников: брожение сахара, содержащегося в винограде (вино), в картофеле (водка) или в ячмене и кукурузе (виски) под действием ферментов. Химический процесс, который в настоящее время используется для промышленного получения этанола, был разработан в 1919 г. Он основан на прямой гидратации этилена (гидратацией называется присоединение воды):
В США синтетический этанол запрещено использовать в производстве алкогольных напитков.
ТБС. трет-Бутиловый спирт (ТБС) образуется в нескольких процессах. Например, он является побочным продуктом в одном из процессов производства пропилен — оксида. Его также можно получить реакцией н-бутилена изобутилена с водой, а также исходя из пропилена и Изобутана. Формула трет-бутилового спирта (СНз)зСОН.
Использование метанола как компонента компаундированного бензина вызвало дополнительный интерес к ТБС. Если бензиновая смесь содержит метанол, при попадании небольших количеств воды возможно расслоение смеси, то есть ее компоненты могут отделиться друг от друга. Когда к метанолу добавляют более тяжелые спирты, например, ТБС, допустимое содержание воды — количество воды, которое можно добавить прежде, чем произойдет расслоение — увеличивается. ТБС действует как сорастворитель, помогая метанолу оставаться в растворенном состоянии в присутствии
МТБЭ. Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) (неудивительно, что его название сокращают!) является кислородсодержащей добавкой. Он отличается от метанола, этанола и ТБС, которые относятся к классу спиртов (их молекулы содержат группу ОН), но, тем не менее, МТБЭ все же содержит кислород. Его формула (СН3)3СОСН3.
МТБЭ получают реакцией изобутилена с метанолом над катализатором. Сырьем для производства МТБЭ является смесь С4 (бутаны, н-бутилены и изобутилены). При этом почти весь изобутилен вступает в реакцию и таким образом удаляется из смеси. В некоторых случаях это может оказаться полезным (например, если для продажи требуется смесь углеводородных газов, не содержащая компонентов изостроения).
Эксплуатация. Проблема попадания в бензин воды уже упоминалась, и она весьма серьезна. Представьте себе два стакана, в одном из которых 50 мл водки (то есть, в основном, смесь этанола с водой), а в другом столько же бензина. Теперь представьте, что в оба стакана добавили по 100 мл воды и перемешали. Естественно, вода и масло разделятся, как только перемешивание будет прекращено, а водка отлично смешается с водой.
А теперь содержимое обоих стаканов слили вместе в третий стакан и встряхнули (какие расходы ради науки!). Жидкости снова расслоились, но водка осталась в воде и не перешла в бензин. В США бензин в основном транспортируют по трубопроводам. При этом невозможно полностью избежать контакта с водой. В результате бензин, содержащий спирты, может расслоиться в трубопроводе. Поэтому его приходится транспортировать как-нибудь иначе. МТБЭ, имеющий другое химическое строение, практически нерастворим в воде, поэтому его применение не столь ограничено, как применение спиртов.
Компаундирование. Интерес к спиртам обусловлен соотношением между их себестоимостью и их полезными свойствами в качестве компонентов бензина, конкретнее, их способностью повышать октановое число. Но их влияние не столь прямолинейно, как, например, влияние алкилата или риформата. Добавление спиртов и кислородсодержащих веществ действует немонотонно. Например, небольшие добавки (до 2—3%) спирта резко поднимают ДПР смеси. При дальнейшем прибавлении (до 5, 10 или 15% по объему) изменений не происходит. В этом интервале концентраций метанол увеличивает ДПР на постоянную величину, равную приблизительно 3 единицам, этанол примерно на 0,7, а ТБС — на 2 единицы ДПР.
Влияние добавления свинцовой присадки также нерегулярно и зависит от других компонентов бензина. В некоторых случаях эффект свинцового антидетонатора оказывается отрицательным. Коль скоро рассматривается возможность применения спиртов и кислородсодержащих добавок для получения неэтилированного бензина, неустойчивость действия ТЭС не имеет особого значения.
Компаундирование бензина и его влияние на технологические операции
Никто не обещал, что оптимизация состава бензина окажется простой задачей. Это действительно очень сложная проблема, особенно теперь, когда в некоторые марки бензина нельзя добавлять ТЭС. Давайте посмотрим, как проблема постепенно усложняется: а. При потребности в бензине трех марок и наличии всех компонентов требуется смешать их так, чтобы не было остатков.
Б. Теперь учтем изменение режимов работы некоторых установок, например, изменение режима риформин — га, для достижения определенного соотношения выхода и октанового числа продукта, повышение температуры на установке каталитического крекинга для увеличения выхода олефинов и, в конечном итоге,
И т. д.
В. Наконец, нужно учесть разветвление входящих и выходящих потоков. Например, легкий крекинг-газойль можно направить на компаундирование котельного топлива, а не на гидрокрекинг, бутилен можно непосредственно использовать как компонент автомобильного бензина, а не отправлять на
А также можно отделить тяжелую часть от прямогон — ной нафты (которая является сырьем риформинга) для получения большего объема керосина (топлива для газовых турбин).
Самый эффективный способ справиться со всеми этими переменными параметрами — это моделирование процессов нефтепереработки с помощью линейного программирования на большом компьютере. Входные и выходные потоки, мощность и себестоимость всех операций по переработке нефти от перегонки до компаундирования могут быть описаны с помощью нескольких уравнений и численных значений. Подробно учитываются доступность и стоимость сырой нефти, а также потребности в продуктах и их цены. Методика линейного программирования позволяет найти наиболее экономически эффективное решение уравнений (которых обычно много).
Компьютер при этом необходим, так как оптимальное решение требует проведения тысяч расчетов. Но даже в этом случае решение будет приблизительным и вот почему:
А. Данные, на которых основано построение модели, являются лишь приблизительными оценками выходов продуктов в процессах. В зависимости от неопределенного числа факторов (время, прошедшее после остановки реактора, активность катализатора, температу — pa воздуха, температура охлаждающей воды и т. д.), выходы могут меняться.
Б. Может меняться состав сырой нефти.
В. Могут изменяться потребности и цены.
Наконец, неизбежные незапланированные остановки в разных частях завода нарушают регулярное течение процессов. Тем не менее, линейное программирование как аналитический метод является неоценимым инструментом для разработки модели или плана.
Резюме. При обсуждении проблемы компаундирования бензина приходится обращать внимание на значительную часть основных операций нефтеперерабатывающего завода. Устаревший способ получения нужного октаново — го числа достаточно прост, но действительная оптимизация компаундирования бензина требует оптимизации работы всего нефтеперерабатывающего завода.
УПРАЖНЕНИЯ
Дайте определение следующих терминов:
Давление насыщенных паров ДПР
Рабочий ход паровая пробка компонент, увеличивающий
Давление насыщенного пара детонация степень сжатия ИОЧ и МОЧ этилированный бензин повышение октанового числа
Рассчитайте количество н-бутана, которое требуется для получения ДПР 12,5 psi в смеси 2730 баррелей прямогонного бензина, 2490 баррелей риформата с ИОЧ 94, 6100 баррелей тяжелого продукта гидрокрекинга и 3600 баррелей крекинг-бензина. Сколько нужно добавить ТЭС, чтобы ИОЧ бензина было 97,0?
Какая проблема возникнет, если добавить столько ТЭС? Какие три вещи произойдут с бензиновым резервуаром, если тяжелый продукт гидрокрекинга сначала направить на риформинг и только потом использовать как компонент бензина? Выход риформата считайте равным 85%, а соответствующие октановые числа и давления насыщенных паров возьмите из таблиц, приведенных в этой главе.
Если вы хотя бы раз в своей жизни анализировали варианты топлива для автономной системы газоснабжения, то наверняка встречались с такой разновидностью, как пропан-бутановая смесь. У пытливого ума тут же возникает …
Если Вам слишком жарко, уходите из кухни Гарри С Трумэн Многие экономические соображения, влияющие на производство различных нефтепродуктов, связаны с количеством теплоты, которое выделяется при их сжигании. Действительно, чтобы выбрать, …
Уильям Д. Леффлер Начало—самая важная часть работы Платон «Республика» Если Вы открыли эту книгу, Вам уже не требуется введение в ее предмет — Вы и так им занимаетесь. Вряд ли …
Соответствие формул и величин
1. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) удельная теплоёмкость вещества
Б) количество теплоты, необходимое для нагревания твёрдого вещества
| 1) 2) 3) 4) |
Ответ:
2. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) количество теплоты, необходимое для нагревания твёрдого вещества
Б) удельная теплота парообразования | 1) 2) 3) 4) |
Ответ:
3. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) удельная теплота плавления
Б) удельная теплоёмкость вещества | 1) 2) 3) 4) |
4. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) удельная теплоёмкость вещества
Б) удельная теплота сгорания топлива | 1) 2) 3) 4) |
5.
Два проводника, имеющие одинаковые сопротивления R1 = R2 = r, соединены параллельно. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым рассчитываются соответствующие величины. I1 и I2 — силы тока, U1 и U2 — напряжения на этих сопротивлениях.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) напряжение на участке цепи
Б) сила тока в общей цепи | 1) 2) 3) 4) |
Ответ:
6.
Два проводника, имеющие одинаковые сопротивления R1 = R2 = r, соединены параллельно. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым рассчитываются соответствующие величины. I1 и I2 — силы тока, U1 и U2 — напряжения на этих сопротивлениях.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) сила тока в общей цепи
Б) общее сопротивление участка цепи | 1) 2) 3) 4) |
7.
Два проводника, имеющие одинаковые сопротивления R1 = R2= r, включены последовательно. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым рассчитываются соответствующие величины при последовательном соединении проводников. I1 и I2 — силы тока, U1 и U2 — напряжения на этих сопротивлениях.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) напряжение на участке цепи
Б) сила тока в общей цепи | 1) 2) 3) 4) |
Ответ:
8.
Два проводника, имеющие одинаковые сопротивления R1 = R2= r, включены последовательно. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым рассчитываются соответствующие величины при последовательном соединении проводников. I1 и I2 — силы тока, U1 и U2 — напряжения на этих сопротивлениях.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) сила тока в общей цепи
Б) общее сопротивление участка цепи | 1) 2) 3) 4) |
Ответ:
9. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) работа тока
Б) сила тока | 1) 2) 3) 4) |
10. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) сила тока
Б) мощность тока | 1) 2) 3) 4) |
Ответ
11.
Сплошной кубик с ребром а полностью погружён в цилиндрический сосуд с жидкостью плотностью ρж так, как показано на рисунке. Рядом с сосудом установлена вертикальная линейка, позволяющая определить положение кубика в сосуде. Используя рисунок, установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать: к каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго и внесите в строку ответов выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) давление жидкости на нижнюю грань кубика
Б) сила давления жидкости на верхнюю грань кубика | 1) 2) 3) 4) |
12.
Сплошной кубик с ребром а полностью погружён в цилиндрический сосуд с жидкостью плотностью ρ так, как показано на рисунке. Рядом с сосудом установлена вертикальная линейка, позволяющая определить положение кубика в сосуде. Используя рисунок, установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать: к каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго и внесите в строку ответов выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) сила давления жидкости на верхнюю грань кубика
Б) сила Архимеда, действующая на кубик | 1) 2) 3) 4) |
Ответ:
13. Брусок массой покоится на плоскости, наклонённой под углом к горизонту. Коэффициент трения между бруском и плоскостью равен . Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
| ФОРМУЛЫ |
А) модуль силы нормальной реакции плоскости Б) модуль силы трения |
| 1) 2) 3) 4) |
Ответ:
14. Брусок массой покоится на плоскости, наклонённой под углом к горизонту. Коэффициент трения между бруском и плоскостью равен . Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
| ФОРМУЛЫ |
А) модуль силы трения Б) модуль силы тяжести |
| 1) 2) 3) 4) |
Ответ
15. Брусок массой скользит по плоскости, наклонённой под углом к горизонту. Коэффициент трения между бруском и плоскостью равен . Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
| ФОРМУЛЫ |
А) модуль силы трения Б) модуль силы тяжести |
| 1) 2) 3) 4) |
Ответ
16. Брусок массой скользит по плоскости, наклонённой под углом к горизонту. Коэффициент трения между бруском и плоскостью равен . Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
| ФОРМУЛЫ |
А) модуль силы нормальной реакции плоскости Б) модуль силы трения |
| 1) 2) 3) 4) |
Ответ:
17. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин и названиями этих величин. В формулах использованы обозначения: m — масса тела; υ — скорость тела. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФОРМУЛЫ |
| ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
А) Б) |
| 1) работа силы 2) кинетическая энергия тела 3) давление твёрдого тела 4) модуль импульса тела |
Ответ:
18. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
| ФОРМУЛЫ |
А) сила электрического тока Б) электрическое напряжение |
| 1) 2) 3) 4) |
19. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
| ФОРМУЛЫ |
А) электрическое напряжение Б) мощность электрического тока |
| 1) 2) 3) 4) |
20. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым они определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ | ФОРМУЛЫ |
А) мощность тока Б) электрическое сопротивление | 1) 2) 3) 4) |
21. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин и названиями этих величин. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФОРМУЛЫ |
| ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
А) Б) |
| 1) удельная теплота парообразования 2) количество теплоты, необходимое для нагревания твёрдого вещества 3) удельная теплота плавления 4) удельная теплоёмкость вещества |
Ответ:
22. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин и названиями этих величин. В формулах использованы обозначения: R — радиус окружности; T — период обращения. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФОРМУЛЫ |
| ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
А) Б) |
| 1) число оборотов за единицу времени 2) угловая скорость 3) линейная скорость 4) частота вращения |
Ответ:
23. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин и названиями этих величин. В формулах использованы обозначения: — единица времени; N — число оборотов. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФОРМУЛЫ |
| ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
А) Б) |
| 1) частота вращения 2) угловая скорость 3) период вращения 4) скорость вращения |
Ответ:
24. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин и названиями этих величин. В формулах использованы обозначения: m — масса грузика; k — жесткость пружины, l — длина нити, g — модуль свободного падения. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФОРМУЛЫ |
| ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
А) Б) |
| 1) период свободных гармонических колебаний математического маятника 2) циклическая частота свободных гармонических колебаний математического маятника 3) период свободных гармонических колебаний пружинного маятника 4) частота колебаний свободных гармонических колебаний пружинного маятника |
25. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин и названиями этих величин. В формулах использованы обозначения: — плотность; h — высота столба жидкости, V — объем тела, g — ускорение свободного падения. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФОРМУЛЫ |
| ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ |
А) Б) |
| 1) плотность тела 2) гидростатическое давление жидкости 3) силы Архимеда 4) плотность молекул в некотором объеме |
Тепловые явления Часть 1
1. Внутренняя энергия тела зависит
1) только от температуры этого тела
2) только от массы этого тела
3) только от агрегатного состояния вещества
4) от температуры, массы тела и агрегатного состояния вещества
2. Примером явления, в котором механическая энергия превращается во внутреннюю, может служить
1) кипение воды на газовой конфорке
2) свечение нити накала электрической лампочки
3) нагревание металлической проволоки в пламени костра
4) затухание колебаний нитяного маятника в воздухе
3. При охлаждении столбика спирта в термометре
1) увеличивается среднее расстояние между молекулами спирта
2) уменьшается объём каждой молекулы спирта
3) увеличивается объём каждой молекулы спирта
4) уменьшается среднее расстояние между молекулами спирта
4. При нагревании столбика спирта в термометре
1) уменьшается среднее расстояние между молекулами спирта
2) увеличивается среднее расстояние между молекулами спирта
3) увеличивается объём молекул спирта
4) уменьшается объём молекул спирта
5. Выберите из предложенных пар веществ ту, в которой скорость диффузии при одинаковой температуре будет наименьшая.
1) раствор медного купороса и вода
2) крупинка перманганата калия (марганцовки) и вода
3) пары эфира и воздух
4) свинцовая и медная пластины
6. При нагревании газа в герметично закрытом сосуде постоянного объёма
1) увеличивается среднее расстояние между молекулами
2) уменьшается средний модуль скорости движения молекул
3) уменьшается среднее расстояние между молекулами
4) увеличивается средний модуль скорости движения молекул
7. При охлаждении газа в герметично закрытом сосуде постоянного объёма
1) уменьшается среднее расстояние между молекулами
2) увеличивается среднее расстояние между молекулами
3) уменьшается средний модуль скорости движения молекул
4) увеличивается средний модуль скорости движения молекул
8. Какой(-ие) из видов теплопередачи осуществляется(-ются) без переноса вещества?
1) излучение и теплопроводность
2) излучение и конвекция
3) только теплопроводность
4) только конвекция
9. После того как пар, имеющий температуру 120 °С, впустили в воду при комнатной температуре, внутренняя энергия
1) и пара, и воды уменьшилась
2) и пара, и воды увеличилась
3) пара уменьшилась, а воды увеличилась
4) пара увеличилась, а воды уменьшилась
10. Какой вид теплопередачи происходит без переноса вещества?
А. Конвекция.
Б. Теплопроводность.
Правильным является ответ
1) и А, и Б
2) ни А, ни Б
3) только А
4) только Б
11. В отсутствии теплопередачи объем газа увеличился. При этом
1) температура газа уменьшилась, а внутренняя энергия не изменилась
2) температура газа не изменилась, а внутренняя энергия увеличилась
3) температура и внутренняя энергия газа уменьшились
4) температура и внутренняя энергия газа увеличились
12. В каком агрегатном состоянии находится вещество, если оно имеет собственные форму и объем?
1) только в твердом
2) только в жидком
3) только в газообразном
4) в твердом или в жидком
13. При охлаждении газа в замкнутом сосуде
1) увеличивается средний модуль скорости движения молекул
2) уменьшается средний модуль скорости движения молекул
3) увеличивается среднее расстояние между молекулами
4) уменьшается среднее расстояние между молекулами
14. На рисунке представлен график зависимости температуры вещества t от полученного количества теплоты Q в процессе нагревания. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии. Какому агрегатному состоянию соответствует точка А на графике?
1) твёрдому состоянию
2) жидкому состоянию
3) газообразному состоянию
4) частично твёрдому, частично жидкому состоянию
15. Четыре ложки изготовлены из разных материалов: алюминия, дерева, пластмассы и стекла. Наибольшей теплопроводностью обладает ложка, изготовленная из
1) алюминия
2) дерева
3) пластмассы
4) стекла
16. Выберите из предложенных пар веществ ту, в которой скорость диффузии при одинаковой температуре будет наибольшая.
1) раствор медного купороса и вода
2) крупинка перманганата калия (марганцовки) и вода
3) пары эфира и воздух
4) свинцовая и медная пластины
17. При охлаждении газа в замкнутом сосуде
1) увеличивается средний модуль скорости движения молекул
2) уменьшается средний модуль скорости движения молекул
3) увеличивается среднее расстояние между молекулами
4) уменьшается среднее расстояние между молекулами
18. На рисунке приведён график зависимости температуры воды от времени. Какой(-ие) из участков графика относится(-ятся) к процессу охлаждения воды?
1) только ЕЖ
2) только ГД
3) ГД и ЕЖ
4) ГД, ДЕ и ЕЖ
19. Какой вид теплопередачи происходит без переноса вещества?
А. Излучение.
Б. Конвекция.
Правильным является ответ
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
20. Вещество в газообразном состоянии
1) имеет собственную форму и собственный объём
2) имеет собственный объём, но не имеет собственной формы
3) не имеет ни собственной формы, ни собственного объёма
4) имеет собственную форму, но не имеет собственного объёма
21. При охлаждении столбика спирта в термометре
1) уменьшается объём молекул спирта
2) увеличивается объём молекул спирта
3) уменьшается среднее расстояние между молекулами спирта
4) увеличивается среднее расстояние между молекулами спирта
22. После того как горячую деталь опустят в холодную воду, внутренняя энергия
1) и детали, и воды будет увеличиваться
2) и детали, и воды будет уменьшаться
3) детали будет уменьшаться, а воды — увеличиваться
4) детали будет увеличиваться, а воды — уменьшаться
23. Турист разжёг костёр на привале в безветренную погоду. Находясь на некотором расстоянии от костра, турист ощущает тепло. Каким способом в основном происходит процесс передачи теплоты от костра к туристу?
1) путём теплопроводности
2) путём конвекции
3) путём излучения
4) путём теплопроводности и конвекции
24. Какие изменения энергии происходят в куске льда при его таянии?
1) увеличивается кинетическая энергия куска льда
2) уменьшается внутренняя энергия куска льда
3) увеличивается внутренняя энергия куска льда
4) увеличивается внутренняя энергия воды, из которой состоит кусок льда
25. На рисунке изображён график зависимости температуры t двух килограммов некоторой жидкости от сообщаемого ей количества теплоты Q.
Чему равна удельная теплоёмкость этой жидкости?
1) 1600 Дж/(кг · °С)
2) 3200 Дж/(кг · °С)
3) 1562,5 Дж/(кг · °С)
4) 800 Дж/(кг · °С)
26. На рисунке изображён график зависимости температуры t четырёх килограммов некоторой жидкости от сообщаемого ей количества теплоты Q.
Чему равна удельная теплоёмкость этой жидкости?
1) 1600 Дж/(кг · °С)
2) 3200 Дж/(кг · °С)
3) 1562,5 Дж/(кг · °С)
4) 800 Дж/(кг · °С)
27. Лёд начали нагревать, в результате чего он перешёл в жидкое состояние. Молекулы воды в жидком состоянии
1) находятся в среднем ближе друг к другу, чем в твёрдом состоянии
2) находятся в среднем на тех же расстояниях друг от друга, что и в твёрдом состоянии
3) находятся в среднем дальше друг от друга, чем в твёрдом состоянии
4) могут находиться как ближе друг к другу, так и дальше друг от друга, по сравнению с твёрдым состоянием
28. Алюминиевую и стальную ложки одинаковой массы, находящиеся при комнатной температуре, опустили в большой бак с кипятком. После установления теплового равновесия количество теплоты, полученное стальной ложкой от воды,
1) меньше количества теплоты, полученного алюминиевой ложкой
2) больше количества теплоты, полученного алюминиевой ложкой
3) равно количеству теплоты, полученному алюминиевой ложкой
4) может быть как больше, так и меньше количества теплоты, полученного алюминиевой ложкой
29. Открытый сосуд заполнен водой. На каком рисунке правильно изображено направление конвекционных потоков при приведённой схеме нагревания?
1) 2) 3) 4)
30. В одинаковые сосуды с равными массами воды при одинаковой температуре погрузили латунный и свинцовый шары с равными массами и одинаковыми температурами, более высокими, чем температура воды. Известно, что после установления теплового равновесия температура воды в сосуде с латунным шаром повысилась больше, чем в сосуде со свинцовым шаром. У какого металла — латуни или свинца — удельная теплоёмкость больше? Какой из шаров передал воде и сосуду большее количество теплоты?
1) удельная теплоёмкость латуни больше, латунный шар передал воде и сосуду большее количество теплоты
2) удельная теплоёмкость латуни больше, латунный шар передал воде и сосуду меньшее количество теплоты
3) удельная теплоёмкость свинца больше, свинцовый шар передал воде и сосуду большее количество теплоты
4) удельная теплоёмкость свинца больше, свинцовый шар передал воде и сосуду меньшее количество теплоты
31. В одинаковые сосуды с равными массами воды при одинаковой температуре погрузили медный и никелевый шары с равными массами и одинаковыми температурами, более высокими, чем температура воды. Известно, что после установления теплового равновесия температура воды в сосуде с никелевым шаром повысилась больше, чем в сосуде с медным шаром. У какого металла — меди или никеля — удельная теплоёмкость больше? Какой из шаров передал воде и сосуду большее количество теплоты?
1) удельная теплоёмкость меди больше, медный шар передал воде и сосуду большее количество теплоты
2) удельная теплоёмкость меди больше, медный шар передал воде и сосуду меньшее количество теплоты
3) удельная теплоёмкость никеля больше, никелевый шар передал воде и сосуду большее количество теплоты
4) удельная теплоёмкость никеля больше, никелевый шар передал воде и сосуду меньшее количество теплоты
32. Два одинаковых термометра поместили в футляры, сделанные из одинакового материала и имеющие одинаковые размеры. Один из футляров снаружи был выкрашен белой краской, второй — чёрной краской. Оба футляра выставили под прямые солнечные лучи. Термометр, находящийся в белом футляре, покажет
1) более высокую температуру, чем термометр в чёрном футляре
2) такую же температуру, как и термометр в чёрном футляре
3) более низкую температуру, чем термометр в чёрном футляре
4) температуру воздуха снаружи, а термометр, находящийся в чёрном футляре, покажет температуру воздуха внутри футляра
33. Две коробочки одинаковых размеров сделаны из разных материалов: первая — из пористого материала (пенопласта), а вторая — из плотного материла (жести). В каждую из коробочек поместили по одинаковому термометру, показывающему комнатную температуру, после чего обе коробочки вынесли на улицу на сильный мороз. Через несколько минут пребывания коробочек на улице проверили показания обоих термометров. Температура, которую будет показывать термометр из первой коробочки,
1) выше температуры, которую будет показывать термометр из второй коробочки
2) такая же, какую будет показывать термометр из второй коробочки
3) ниже температуры, которую будет показывать термометр из второй коробочки
4) равна комнатной температуре, а температура, которую будет показывать термометр из второй коробочки, равна температуре воздуха на улице
34. Колбу с воздухом, закрытую пробкой и находящуюся длительное время в комнате при температуре +20 °С, целиком погрузили в большую ванну с водой. Температура воды в ванне была равна 0 °С. В результате установления теплового равновесия внутренняя энергия воздуха в колбе
1) увеличится
2) не изменится
3) уменьшится
4) станет равной нулю
35. Колбу с воздухом, закрытую пробкой и находящуюся длительное время в комнате при температуре +20 °С, целиком погрузили в большую ванну с водой. Температура воды в ванне была равна +50 °С. В результате установления теплового равновесия внутренняя энергия воздуха в колбе
1) увеличится
2) не изменится
3) уменьшится
4) станет равной нулю
36. Стакан воды нагрели от 20 °С до 50 °С. При этом
1) увеличилась внутренняя энергия воды
2) увеличилась кинетическая энергия воды
3) увеличилась потенциальная энергия воды
4) энергия воды не изменилась
37. При резком сжатии воздуха его внутренняя энергия
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
4) может как увеличиваться, так и уменьшаться — в зависимости от быстроты сжатия
38. Из холодильника вынули закрытую крышкой кастрюлю с водой, имеющую температуру +5 °С. Чтобы подогреть воду, кастрюлю с водой можно:
А. поставить на газовую горелку; Б. освещать сверху мощной электрической лампой.
В каких из вышеперечисленных случаев вода в кастрюле нагревается в основном путём конвекции?
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
39. Из холодильника вынули закрытую крышкой кастрюлю с водой, имеющую температуру +5 °С. Чтобы подогреть воду, кастрюлю с водой можно:
А. поставить на газовую горелку;
Б. освещать сверху мощной электрической лампой.
В каких из вышеперечисленных случаев вода в кастрюле нагревается в основном путём излучения?
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
40. При охлаждении столбика спирта в термометре
1) увеличивается среднее расстояние между молекулами спирта
2) уменьшается объём каждой молекулы спирта
3) увеличивается объём каждой молекулы спирта
4) уменьшается среднее расстояние между молекулами спирта
41.
На горлышко стеклянной бутылки натянули пустой воздушный шарик, после чего поместили бутылку в тазик с горячей водой. Шарик надулся (см. рисунок). Почему это произошло?
1) Оболочка шарика нагрелась от бутылки посредством теплопроводности и расширилась.
2) При нагревании бутылки воздух в ней также нагрелся, расширился, проник в шарик и надул его.
3) В шарик проникли пары горячей воды, которые расширились и надули его.
4) Давление атмосферного воздуха над тазиком с горячей водой уменьшилось, и это вызвало раздувание шарика.
42.
В стеклянную бутылку налили горячую воду. Через несколько минут эту воду вылили, а на горлышко бутылки натянули пустой воздушный шарик, после чего поместили бутылку под струю холодной воды. Шарик втянулся внутрь бутылки (см. рисунок). Почему это произошло?
1) При охлаждении бутылки холодной водой над ней повысилось атмосферное давление.
2) Оболочка шарика охладилась от бутылки посредством теплопроводности и сжалась.
3) Тёплый воздух, который вначале был в бутылке, при охлаждении сжался, его давление упало, и наружное атмосферное давление протолкнуло воздушный шарик в бутылку.
4) При охлаждении нагретых стенок бутылки они электризуются и притягивают к себе воздушный шарик.
43. В таблице приведены значения коэффициента, который характеризует скорость процесса теплопроводности вещества для некоторых строительных материалов.
Строительный материал | Коэффициент теплопроводности (условные единицы) |
Газобетон | 0,12 |
Железобетон | 1,69 |
Силикатный кирпич | 0,70 |
Дерево | 0,09 |
В условиях холодной зимы наименьшего дополнительного утепления при равной толщине стен требует дом из
1) силикатного кирпича
2) газобетона
3) железобетона
4) дерева
44. Один стакан с водой стоит на столе в комнате, а другой стакан с водой такой же массы и такой же температуры находится на полке, висящей на высоте 80 см относительно стола. Внутренняя энергия воды в стакане на столе
1) равна нулю
2) меньше внутренней энергии воды на полке
3) больше внутренней энергии воды на полке
4) равна внутренней энергии воды на полке
45.
На рисунке изображён график зависимости давления p от объёма V при переходе газа в отсутствие теплопередачи из состояния 1 в состояние 2. При указанном процессе внутренняя энергия газа
1) не изменяется
2) может увеличиться или уменьшиться
3) обязательно уменьшается
4) обязательно увеличивается
46.
На рисунке изображён график зависимости давления p от объёма V при переходе газа в отсутствие теплопередачи из состояния 1 в состояние 2. При указанном процессе внутренняя энергия газа
1) не изменяется
2) может увеличиться или уменьшиться
3) обязательно уменьшается
4) обязательно увеличивается
47. Утром жаркого дня ветер дует с суши на море. Это объясняется тем, что
1) удельная теплоемкость воды больше, чем удельная теплоемкость суши
2) удельная теплоемкость воды меньше, чем удельная теплоемкость суши
3) теплопроводность воды больше, чем теплопроводность суши
4) теплопроводность воды меньше, чем теплопроводность суши
48. Мальчик поднес снизу руку к «подошве» нагретого утюга, не касаясь ее, и ощутил идущий от утюга жар. Каким способом, в основном, происходит процесс передачи теплоты от утюга к руке
1) путем теплопроводности
2) путем конвекции
3) путем излучения
4) путем теплопроводности и конвекции
49. В сосуд аккуратно налили, не перемешивая, медный купорос и воду. Сначала сосуд поместили в холодильник, а затем переставили в тёплую комнату. Что произойдёт со скоростью диффузии?
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
4) ответ зависит от атмосферного давления
50. Температуру жидкостей, в которых происходит диффузия, повысили. Как изменилась при этом скорость диффузии?
1) не изменилась
2) увеличилась
3) уменьшилась
4) ответ зависит от плотности жидкостей
Тепловые явления. Часть 2
1. В процессе кипения жидкости, предварительно нагретой до температуры кипения, сообщаемая ей энергия идёт
1) на увеличение средней скорости движения молекул
2) на увеличение средней скорости движения молекул и на преодоление сил взаимодействия между молекулами
3) на преодоление сил взаимодействия между молекулами без увеличения средней скорости их движения
4) на увеличение средней скорости движения молекул и на увеличение сил взаимодействия между молекулами
2. Открытый сосуд с водой находится в лаборатории, в которой поддерживается определённая температура и влажность воздуха. Скорость испарения будет равна скорости конденсации воды в сосуде
1) только при условии, что температура в лаборатории больше 25 °С
2) только при условии, что влажность воздуха в лаборатории равна 100%
3) только при условии, что температура в лаборатории меньше 25 °С, а влажность воздуха меньше 100%
4) при любой температуре и влажности в лаборатории
3. Удельная теплоёмкость стали равна 500 Дж/кг·°С. Что это означает?
1) для нагревания 1 кг стали на 1 °С необходимо затратить энергию 500 Дж
2) для нагревания 500 кг стали на 1 °С необходимо затратить энергию 1 Дж
3) для нагревания 1 кг стали на 500 °С необходимо затратить энергию 1 Дж
4) для нагревания 500 кг стали на 1 °С необходимо затратить энергию 500 Дж
4. Удельная теплоёмкость стали равна 500 Дж/кг·°С. Что это означает?
1) при охлаждении 1 кг стали на 1 °С выделяется энергия 500 Дж
2) при охлаждении 500 кг стали на 1 °С выделяется энергия 1 Дж
3) при охлаждении 1 кг стали на 500 °С выделяется энергия 1 Дж
4) при охлаждении 500 кг стали на 1 °С выделяется энергия 500 Дж
5.
На рисунке представлен график зависимости температуры от времени для процесса нагревания воды при нормальном атмосферном давлении. Первоначально вода находилась в твёрдом состоянии.
Какое из утверждений является неверным?
1) Участок DE соответствует процессу кипения воды.
2) Точка С соответствует жидкому состоянию воды.
3) В процессе АВ внутренняя энергия льда не изменяется.
4) В процессе ВС внутренняя энергия системы лёд-вода увеличивается.
6. КПД тепловой машины равен 30%. Это означает, что при выделении энергии Q при сгорании топлива, на совершение полезной работы затрачивается энергия, равная
1) 1,3Q 2) 0,7Q 3) 0,4Q 4) 0,3Q
7.
На рисунке приведён график зависимости температуры t воды от времени τ при нормальном атмосферном давлении. Какое из утверждений является неверным?
1) Участок АБ соответствует процессу нагревания воды.
2) В процессе, соответствующем участку ЕЖ, внутренняя энергия воды уменьшается.
3) Точка Е соответствует твёрдому состоянию воды.
4) В процессе, соответствующем участку БВ, внутренняя энергия системы вода — пар увеличивается.
8.
На рисунке представлен график зависимости температуры от времени для процесса нагревания слитка свинца массой 1 кг. Какое количество теплоты получил свинец за 10 мин нагревания?
Примечание.
Удельную теплоёмкость свинца считать равной
1) 1300 Дж
2) 26000 Дж
3) 29510 Дж
4) 78000 Дж
9.
На рисунке приведен график зависимости температуры воды от времени. Начальная температура воды 50 °С. В каком состоянии находится вода в момент времени τ1?
1) только в газообразном
2) только в жидком
3) часть воды — в жидком состоянии и часть воды — в газообразном
4) часть воды — в жидком состоянии и часть воды — в кристаллическом
10. На диаграмме для двух веществ приведены значения количества теплоты, необходимого для нагревания 1 кг вещества на 10 °С и для плавления 100 г вещества, нагретого до температуры плавления. Сравните удельные теплоемкости c двух веществ.
1)
2)
3)
4)
11.
На диаграмме для двух веществ одинаковой массы приведены значения количества теплоты, необходимого для их нагревания на одно и то же число градусов. Сравните удельную теплоемкость c1 и c2 этих веществ.
1)
2)
3)
4)
12.
На рисунке приведен график зависимости температуры спирта от времени при его охлаждении и последующем нагревании. Первоначально спирт находился в газообразном состоянии. Какой участок графика соответствует процессу конденсации спирта?
1) АВ 2) ВС 3) CD 4) DE
13. При опускании в стакан с горячей водой деревянной и алюминиевой ложек
1) алюминиевая ложка нагревается быстрее, так как плотность алюминия больше
2) алюминиевая ложка нагревается быстрее, так как теплопроводность алюминия выше
3) деревянная ложка нагревается быстрее, так как плотность дерева меньше
4) деревянная ложка нагревается быстрее, так как теплопроводность дерева ниже
14. Два шара одинаковой массы, изготовленные соответственно из меди и алюминия, были нагреты на 50 °С. При этом на нагревание медного шара потребовалось
1) больше энергии, так как плотность меди больше
2) больше энергии, так как удельная теплоёмкость меди больше
3) меньше энергии, так как плотность меди меньше
4) меньше энергии, так как удельная теплоёмкость меди меньше
15. Два шара одинакового объёма, изготовленные соответственно из цинка и меди, были нагреты на 50 °С. При этом на нагревание медного шара потребовалось
1) больше энергии, так как масса медного шара больше
2) больше энергии, так как удельная теплоёмкость меди больше
3) меньше энергии, так как масса медного шара меньше
4) меньше энергии, так как удельная теплоёмкость меди меньше
16. Удельная теплота плавления стали равна 78 кДж/кг. Это означает, что
1) для плавления 1 кг стали при температуре её плавления потребуется 78 кДж энергии
2) для плавления 78 кг стали при температуре её плавления потребуется 1 кДж энергии
3) для плавления 1 кг стали при комнатной температуре потребуется 78 кДж энергии
4) для плавления 78 кг стали при комнатной температуре потребуется 1 кДж энергии
17. Какие из утверждений верны?
А. Диффузию нельзя наблюдать в твёрдых телах.
Б. Скорость диффузии не зависит от температуры вещества.
1) только А
2) только Б
3) оба утверждения верны
4) оба утверждения неверны
18. Мяч массой m бросают вертикально вверх со скоростью v с поверхности земли. Внутренняя энергия мяча зависит
1) только от массы мяча
2) только от скорости бросания
3) от массы мяча и скорости бросания
4) от массы и температуры мяча
19. Мяч массой m поднят на высоту h относительно поверхности земли. Внутренняя энергия мяча зависит
1) только от массы мяча
2) только от высоты подъёма
3) от массы мяча и высоты подъёма
4) от массы и температуры мяча
20. Удельная теплоёмкость свинца равна 130 Дж/(кг·°С). Это означает, что
1) при охлаждении 1 кг свинца на 130 °С выделяется 1 Дж энергии
2) при охлаждении 1 кг свинца на 1 °С выделяется 130 Дж энергии
3) при охлаждении 130 кг свинца на 1 °С выделяется 1 Дж энергии
4) при охлаждении 130 кг свинца на 130 °С выделяется 1 Дж энергии
21. Один стакан с водой стоит на столе в тёплом помещении, другой с водой такой же массы — в холодильнике. Внутренняя энергия воды в стакане, стоящем в холодильнике,
1) равна внутренней энергии воды в стакане, стоящем на столе
2) больше внутренней энергии воды в стакане, стоящем на столе
3) меньше внутренней энергии воды в стакане, стоящем на столе
4) равна нулю
22. Примером броуновского движения является
1) беспорядочное движение цветочной пыльцы в капельке воды
2) беспорядочное движение мошек под фонарём
3) растворение твёрдых веществ в жидкостях
4) проникновение питательных веществ из почвы в корни растений
23. На рисунке представлены графики зависимости температуры t от времени τ для трёх твёрдых тел одинаковой массы: из алюминия, из меди и из свинца. Тела нагревают на одинаковых горелках. Определите, какой график соответствует нагреванию тела из алюминия, какой — из меди, а какой — из свинца.
1) 1 — медь, 2 — алюминий, 3 — свинец
2) 1 — алюминий, 2 — свинец, 3 — медь
3) 1 — медь, 2 — свинец, 3 — алюминий
4) 1 — алюминий, 2 — медь, 3 — свинец
24.
На рисунке представлены графики нагревания и плавления двух твёрдых веществ — «1» и «2» — одинаковой массы, взятых при одинаковой начальной температуре. Образцы нагреваются на одинаковых горелках. Сравните удельные теплоёмкости этих двух веществ и температуры их плавления
1) У вещества «1» больше удельная теплоёмкость и температура плавления, чем у вещества «2».
2) У вещества «1» меньше удельная теплоёмкость, но выше температура плавления, чем у вещества «2».
3) У вещества «1» больше удельная теплоёмкость, но ниже температура плавления, чем у вещества «2».
4) У вещества «1» такая же удельная теплоёмкость, как у вещества «2», но выше температура плавления.
25. Три цилиндра одинаковых высоты и радиуса, сделанные из алюминия, цинка и меди, нагрели до одинаковой температуры и поставили торцами на горизонтальную поверхность льда, имеющую температуру 0 °С. Когда установилось тепловое равновесие, цилиндры проплавили во льду цилиндрические углубления. Считая, что вся теплота, отводимая от цилиндров при их остывании, передавалась льду, определите, под каким из цилиндров углубление получилось больше.
1) под цинковым
2) под алюминиевым
3) под медным
4) под всеми тремя цилиндрами углубления получились одинаковыми
26. Три цилиндра одинаковых высоты и радиуса, сделанные из алюминия, цинка и меди, нагрели до одинаковой температуры и поставили торцами на горизонтальную поверхность льда, имеющую температуру 0 °С. Когда установилось тепловое равновесие, цилиндры проплавили во льду цилиндрические углубления. Считая, что вся теплота, отводимая от цилиндров при их остывании, передавалась льду, определите, под каким из цилиндров углубление получилось меньше.
1) под цинковым
2) под алюминиевым
3) под медным
4) под всеми тремя цилиндрами углубления получились одинаковыми
27.
На рисунке представлены графики нагревания и плавления двух твёрдых веществ одинаковой массы — 1 и 2. Вещества нагреваются на одинаковых горелках при одинаковых условиях. Определите по графикам, у какого вещества — 1 или 2 — выше температура плавления и удельная теплота плавления
1) у вещества 1 выше и температура плавления, и удельная теплота плавления
2) у вещества 1 выше температура плавления, а у вещества 2 выше удельная теплота плавления
3) у вещества 2 выше температура плавления, а у вещества 1 выше удельная теплота плавления
4) у вещества 2 выше и температура плавления, и удельная теплота плавления
28.
На рисунке представлены графики нагревания трёх образцов (А, Б и В), состоящих из одного и того же твёрдого вещества. Масса образца А в четыре раза больше массы образца Б, а масса образца Б в два раза меньше массы образца В. Образцы нагреваются на одинаковых горелках. Определите, какой из графиков соответствует образцу А, какой — образцу Б, а какой — образцу В.
1) график 1 — А, график 2 — Б, график 3 — В
2) график 1 — А, график 2 — В, график 3 — Б
3) график 1 — В, график 2 — Б, график 3 — А
4) график 1 — Б, график 2 — В, график 3 — А
29. Для определения удельной теплоты сгорания топлива необходимо знать
1) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, его объём и начальную температуру
2) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, и его массу
3) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, и его плотность
4) удельную теплоёмкость вещества, его массу, начальную и конечную температуры
30. Какое(-ие) из нижеприведённых утверждений являе(-ю)тся правильным(-и)?
А. Вещество состоит из мельчайших частиц — атомов или молекул, и доказательством этому служит явление теплопроводности.
Б. Вещество состоит из мельчайших частиц — атомов или молекул, и одним из аргументов в пользу этого служит явление диффузии.
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
31. Какое(-ие) из нижеприведённых утверждений являе(-ю)тся правильным(-и)?
А. Молекулы или атомы в веществе находятся в непрерывном тепловом движении, и одним из аргументов в пользу этого служит явление диффузии.
Б. Молекулы или атомы в веществе находятся в непрерывном тепловом движении, и доказательством этому служит явление конвекции.
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
32.
Из трёх разных холодильников принесли три твёрдых тела (пронумеруем их 1, 2 и 3) одинаковой массы и начали нагревать их на одинаковых горелках. На рисунке приведена зависимость температуры t этих трёх тел от времени τ при передаче им теплоты от горелок (получаемая телами от горелок мощность постоянна). Удельные теплоёмкости c материалов, из которых изготовлены тела, соотносятся как
1) с1 > с2 > с3
2) с1 < с2 < с3
3) с2 > с1 > с3
4) с1 = с2 = с3
33.
Одинаковую жидкость разлили в три сосуда, причём в первый сосуд налили жидкость массой m, во второй сосуд — массой 2m, а в третий сосуд — массой 3m, после чего начали нагревать каждый сосуд на отдельной горелке. Все горелки одинаковые, выделяемая ими теплота полностью передаётся жидкостям. На рисунке показана зависимость температуры t жидкостей в трёх сосудах от времени τ при передаче им теплоты от горелок (мощность горелок постоянна). Укажите, какой график соответствует сосуду с жидкостью массой m, какой — сосуду с жидкостью массой 2m, какой — сосуду с жидкостью с массой 3m. Теплоёмкостью сосудов можно пренебречь.
1) 1 — 3m, 2 — 2m, 3 — m
2) 1 — 3m, 2 — m, 3 — 2m
3) 1 — 2m, 2 — m, 3 — 3m
4) 1 — m, 2 — 2m, 3 — 3m
34.
На рисунке приведена зависимость температуры T некоторого вещества массой m от времени t. Вещество в единицу времени получает постоянное количество теплоты. В момент времени t = 0 вещество находилось в твёрдом состоянии. В течение какого интервала времени происходило плавление этого вещества?
1) от 0 до t1
2) от t1 до t2
3) от t2 до t3
4) от t3 до t4
35.
На рисунке приведена зависимость температуры T некоторого вещества массой m от времени t. Вещество в единицу времени получает постоянное количество теплоты. В момент времени t = 0 вещество находилось в твёрдом состоянии. В течение какого интервала времени происходило нагревание этого вещества в жидком состоянии?
1) от 0 до t1
2) от t1 до t2
3) от t2 до t3
4) от t3 до t4
36.
В алюминиевой кастрюле, поставленной на электрическую плитку, нагревается вода. На рисунке представлены графики зависимости количества полученной теплоты Q от времени t для кастрюли (график 1) и для воды (график 2). Потери теплоты в окружающую среду пренебрежимо малы. Масса воды
1) больше массы кастрюли
2) меньше массы кастрюли
3) равна массе кастрюли
4) может быть как больше, так и меньше массы кастрюли
37.
В стальной кастрюле, поставленной на электрическую плитку, нагревается вода. На рисунке представлены графики зависимости количества полученной теплоты Q от времени t для кастрюли (график 1) и для воды (график 2). Потери теплоты в окружающую среду пренебрежимо малы. Масса кастрюли
1) больше массы воды
2) меньше массы воды
3) равна массе воды
4) может быть как больше, так и меньше массы воды
38.
На рисунке представлены графики 1, 2 и 3 зависимостей температуры t трёх медных образцов от количества сообщённой им теплоты Q. Известно, что массы образцов равны 100 г, 200 г, 300 г, соответственно. Укажите, какая масса образца соответствует каждому графику.
1) 1 — 300 г 2 — 200 г 3 — 100 г
2) 1 — 100 г 2 — 200 г 3 — 300 г
3) 1 — 200 г 2 — 100 г 3 — 300 г
4) 1 — 100 г 2 — 300 г 3 — 200 г
39.
На рисунке представлены графики 1, 2 и 3 зависимостей температуры t трёх алюминиевых образцов от количества сообщённой им теплоты Q. Известно, что массы образцов равны 10 г, 20 г, 30 г, соответственно. Укажите, какая масса образца соответствует каждому графику.
1) 1 — 10 г 2 — 20 г 3 — 30 г
2) 1 — 30 г 2 — 20 г 3 — 10 г
3) 1 — 20 г 2 — 30 г 3 — 10 г
4) 1 — 10 г 2 — 30 г 3 — 20 г
40. Испарение и кипение — два процесса перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Общей характеристикой этих процессов является то, что они
А. представляют собой процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.
Б. происходят при определённой температуре.
Правильным(-и) является(-ются) утверждение(-я)
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
41. Ведущий телепрограммы, рассказывающий о погоде, сообщил, что в настоящее время относительная влажность воздуха составляет 50%. Это означает, что
1) Концентрация водяных паров, содержащихся в воздухе, в 2 раза меньше максимально возможной при данной температуре.
2) Концентрация водяных паров, содержащихся в воздухе, в 2 раза больше максимально возможной при данной температуре.
3) 50% объёма воздуха занимает водяной пар.
4) Число молекул воды равняется числу молекул других газов, содержащихся в воздухе.
42. Ведущий телепрограммы, рассказывающий о погоде, сообщил, что в настоящее время относительная влажность воздуха составляет 25%. Это означает, что
1) Концентрация водяных паров, содержащихся в воздухе, в 4 раза меньше максимально возможной при данной температуре.
2) Концентрация водяных паров, содержащихся в воздухе, в 4 раза больше максимально возможной при данной температуре.
3) 25% объёма воздуха занимает водяной пар.
4) Число молекул воды в 3 раза меньше числа молекул других газов, содержащихся в воздухе.
43.
На рисунке представлен график зависимости температуры от полученного количества теплоты для образцов равной массы из двух разных веществ. Первоначально каждое из веществ находилось в твёрдом состоянии. Сравните значения удельной теплоёмкости с этих веществ в твёрдом и жидком состоянии.
1) В твёрдом состоянии с1 < с2; в жидком состоянии с1 > с2
2) В твёрдом состоянии с1 > с2; в жидком состоянии с1 < с2
3) В твёрдом состоянии с1 > с2; в жидком состоянии с1 > с2
4) В твёрдом состоянии с1 < с2; в жидком состоянии с1 < с2
44. Испарение и кипение — два процесса перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Различие между ними заключается в том, что
А. Кипение происходит при определённой температуре, а испарение — при любой температуре.
Б. Испарение происходит с поверхности жидкости, а кипение — во всём объёме жидкости.
Правильным(-и) является(-ются) утверждение(-я)
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
45. Удельная теплота парообразования спирта 9,0·105 Дж/кг. Это означает, что
1) в процессе образования 9,0·105 кг паров из жидкого спирта, взятого при температуре кипения, выделяется количество теплоты 1 Дж
2) для образования 9,0·105 кг паров из жидкого спирта, взятого при температуре кипения, необходимо количество теплоты 1 Дж
3) в процессе образования 1 кг паров из жидкого спирта, взятого при температуре кипения, выделяется количество теплоты 9,0·105 Дж
4) для образования 1 кг паров из жидкого спирта, взятого при температуре кипения, необходимо количество теплоты 9,0·105 Дж
46. Удельная теплоёмкость серебра равна 250 Дж/(кг·°С). Это означает, что
1) при температуре 0°С 1 кг серебра выделяет количество теплоты, равное 250 Дж
2) для нагревания 1 кг серебра на 1°С необходимо количество теплоты, равное 250 Дж
3) при сообщении куску серебра массой 250 кг количества теплоты, равного 250 Дж, его температура повышается на 1°С
4) для нагревания 1 кг серебра на 250°С затрачивается количество теплоты, равное 1 Дж
47. КПД тепловой машины равен 25%. Это означает, что при выделении энергии Q при сгорании топлива на совершение полезной работы не используется энергия, равная
1) 0,75Q 2) 0,6Q 3) 0,4Q 4) 0,25Q
48.
Воду, цинк и алюминий равной массы нагрели в одинаковых условиях на одинаковых горелках. Какой из графиков соответствует изменению температуры цинка?
1) 1 2) 2 3) 3 4) однозначного ответа быть не может
49.
На рисунке изображён график зависимости температуры t вещества от времени τ в процессе непрерывного отвода теплоты. Первоначально вещество находилось в газообразном состоянии. Какой процесс соответствует отрезку CD?
1) охлаждение пара
2) конденсация
3) охлаждение жидкости
4) нагревание жидкости
50.
На рисунке приведён график зависимости температуры t спирта от времени τ при нагревании. Первоначально спирт находился в жидком состоянии. Какая точка графика соответствует началу процесса кипения спирта?
1) А 2) В 3) С 4) D
51.
В открытый сосуд, заполненный водой, в области А (см. рисунок) поместили крупинки марганцовки (перманганата калия). В каком(-их) направлении(-ях) преимущественно будет происходить окрашивание воды от крупинок марганцовки, если начать нагревание сосуда с водой так, как показано на рисунке?
1) 1 2) 2 3) 3 4) во всех направлениях одинаково
52. Одно из положений молекулярно-кинетической теории строения вещества заключается в том, что «частицы вещества (молекулы, атомы, ионы) находятся в непрерывном хаотическом движении». Что означают слова «непрерывное движение»?
1) Частицы всё время движутся в определённом направлении.
2) Движение частиц вещества не подчиняется никаким законам.
3) Частицы все вместе движутся то в одном, то в другом направлении.
4) Движение молекул никогда не прекращается.
Вычислительная задача. Динамика и кинематика
1. К динамометру прикрепили цилиндр, как показано на рисунке 1. Затем цилиндр полностью погрузили в воду (рисунок 2).
Определите объём цилиндра. Ответ запишите в см3.
2. Шар 1 последовательно взвешивают на рычажных весах с шаром 2 и шаром 3 (рис. а и б). Для объёмов шаров справедливо соотношение V2 = V3 > V1.
Какой шар имеет минимальную плотность? Запишите в ответе цифру, которой обозначен шар.
3.
Сплошной кубик, имеющий плотность ρк и длину ребра a, опустили в жидкость с плотностью ρж = 998 кг/м3 (см. рисунок). Найдите давление, оказываемое жидкостью на верхнюю грань кубика, если h2 = 0,1 м.
4. Площадь большего поршня гидравлического пресса S2 в 4 раза больше площади малого поршня S1. (см. рисунок). Сила F1, действующая на малый поршень, равна 20 Н.
Найдите силу F2.
5. Одно из колен U-образного манометра соединили с сосудом, наполненным газом (см. рисунок). В качестве жидкости в манометре используется ртуть. Чему равно давление газа в сосуде, если атмосферное давление составляет 760 мм рт. ст.? Ответ дайте в мм рт. ст.
6.
В сосуд с водой плотностью ρ = 998 кг/м3 опущена вертикальная стеклянная пробирка, целиком заполненная водой (см. рисунок). Высота h2 равна 0,3 м. Найдите давление, оказываемое водой на дно сосуда в точке А. (Ускорение свободного падения примите равным 10 м/с2.)
7.
Шар 1 последовательно взвешивают на рычажных весах с шаром 2 и шаром 3 (рис. а и б). Для объёмов шаров справедливо соотношение V1 = V3 < V2.
Какой шар имеет максимальную плотность? Запишите в ответе цифру, которой обозначен шар.
8. В сообщающиеся сосуды поверх воды налиты четыре различные жидкости, не смешивающиеся с водой (см. рисунок). Уровень воды в сосудах остался одинаковым.
Какая жидкость имеет наименьшую плотность?
9.
Сосновый брусок в форме прямоугольного параллелепипеда, имеющего размеры a = 30 см, b = 20 см и c = 10 см, начинают осторожно опускать в ванну с водой (как показано на рисунке). Чему будет равна глубина погружения бруска в воду при плавании? Ответ дайте в см. (Плотность сосны )
10.
Сосновый брусок в форме прямоугольного параллелепипеда, имеющего размеры a = 30 см, b = 40 см и c = 30 см, начинают осторожно опускать в ванну с водой (как показано на рисунке). Чему будет равна глубина погружения бруска в воду при плавании? Ответ дайте в см. (Плотность сосны равна 400 кг/м3.)
11. Чему равен объем рыбы, плавающей в морской воде, если на нее действует выталкивающая сила 10,3 Н? Ответ дайте в м3 без указания единиц измерения. Плотность морской воды равна 1030 кг/м3.
12. Шар 1 последовательно взвешивают на рычажных весах с шаром 2 и шаром 3 (рис. а и б). Для объёмов шаров справедливо соотношение V1 = V3 < V2.
Какой шар имеет минимальную среднюю плотность? Запишите в ответе цифру, которой обозначен шар.
13. Цилиндр 1 поочерёдно взвешивают с цилиндром 2 такого же объёма, а затем с цилиндром 3, имеющим меньший объём (см. рисунок).
Какой цилиндр имеет максимальную среднюю плотность? Запишите в ответе цифру, которой обозначен цилиндр.
14. В сосуд с водой плотностью ρ = 998 кг/м3 опущена вертикальная стеклянная пробирка, целиком заполненная водой (см. рисунок). Высота h2 равна 0,05 м. Найдите давление, оказываемое водой на дно сосуда в точке А.
15. Площадь большего поршня гидравлического пресса S2 в 4 раза больше площади малого поршня S1. (см. рисунок). Сила F1, действующая на малый поршень, равна 5 Н.
Найдите силу F2.
16. Одна и та же горизонтальная сила F действует вначале на тело 1 массой 0,5 кг, а затем на тело 2 массой 3 кг. Оба тела до начала действия силы покоились на гладком горизонтальном столе. С каким по модулю ускорением будет двигаться тело 2 под действием силы F, если тело 1 движется с ускорением, модуль которого равен 1,8 м/с2?
17. Деревянную коробку массой 10 кг равномерно и прямолинейно тянут по горизонтальной деревянной доске с помощью горизонтальной пружины жёсткостью 200 Н/м. Удлинение пружины 0,2 м. Чему равен коэффициент трения коробки по доске?
18. Чему равно ускорение груза массой 500 кг, который опускают с помощью троса, если сила натяжения троса 4000 Н? Сопротивлением воздуха пренебречь. Ответ запишите в м/с2.
19. Мальчик стоит на напольных весах в лифте. Лифт начинает движение вверх с ускорением 1 м/с2. Что покажут весы в этот момент времени, если в покоящемся лифте они показывали 40 кг? Ответ запишите в кг.
20. Работа силы тяги автомобиля, прошедшего равномерно 4 км пути, составила 8 МДж. Определите силу трения. Ответ запишите в Н.
21. Из колодца медленно выкачали с помощью насоса 0,5 м3 воды. Совершённая при этом работа равна 30 000 Дж. Чему равна глубина колодца? Ответ запишите в метрах.
22. Бетонную плиту объёмом 0,5 м3 равномерно подняли на некоторую высоту. Чему равна высота, на которую подняли плиту, если совершённая при этом работа равна 23 кДж? Ответ запишите в метрах
Примечание. Плотность бетона равна 2300 кг/м3.
23. Под действием силы 40 Н груз массой 4 кг перемещается вверх по наклонной плоскости. Коэффициент полезного действия наклонной плоскости — 50%. Чему равна длина наклонной плоскости, если её высота — 1 м? Ответ запишите в метрах.
24.
Два бруска массами m1 = 1 кг и m2 = 3 кг, связанные лёгкой нерастяжимой нитью, находятся на гладкой горизонтальной плоскости (см. рисунок). К ним приложены силы F1 = 2 Н и F2 = 10 Н. Найдите модуль ускорения системы этих тел. Ответ запишите в м/c2.
25.
Через неподвижный лёгкий блок перекинута невесомая нерастяжимая нить, к концам которой подвешены два груза массами m1 = 1 кг и m2 = 3 кг (см. рисунок).Пренебрегая трением, найдите силу натяжения нити при движении грузов. Ответ запишите в Н.
Вычислительная задача. Теплота
1. 3 л воды, взятой при температуре 20 °С, смешали с водой при температуре 100 °С. Температура смеси оказалась равной 40 °С. Чему равна масса горячей воды? Теплообменом с окружающей средой пренебречь.
2. На рисунке представлен график зависимости температуры t твёрдого тела от полученного им количества теплоты Q. Масса тела 2 кг. Чему равна удельная теплоёмкость вещества этого тела? Ответ запишите в Дж/(кг · °С).
3. На рисунке изображён график зависимости температуры t двух килограммов некоторой жидкости от сообщаемого ей количества теплоты Q.
Чему равна удельная теплоёмкость этой жидкости? В ответ запишите число без указания единиц измерения.
4. На рисунке изображён график зависимости температуры t четырёх килограммов некоторой жидкости от сообщаемого ей количества теплоты Q.
Чему равна удельная теплоёмкость этой жидкости? В ответ запишите число без указания единиц измерения.
5.
На рисунке представлен график зависимости температуры от времени для процесса нагревания слитка свинца массой 1 кг. Какое количество теплоты получил свинец за 10 мин нагревания? Ответ дайте в кДж. (Удельная теплоёмкость свинца — )
6.
На рисунке представлен график зависимости температуры от времени для процесса нагревания слитка свинца массой 1 кг. Какое количество теплоты получил свинец за 15 мин нагревания? Ответ дайте в кДж. (Удельная теплоёмкость свинца — 130 Дж/(кг·°С).)
7. Сколько литров воды при 83 °С нужно добавить к 4 л воды при 20 °С, чтобы получить воду температурой 65 °С? Теплообменом с окружающей средой пренебречь.
8.Какое количество теплоты выделится при конденсации 2 кг пара, взятого при температуре кипения, и последующего охлаждения воды до 40 °С при нормальном атмосферном давлении? Ответ выразите в кДж.
9. Три литра воды, взятой при температуре 20 °С, смешали с водой при температуре 100 °С. Температура смеси оказалась равной 40 °С. Чему равна масса горячей воды? Теплообменом с окружающей средой пренебречь.
10. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 1 л воды от 20 °С до 100 °С? Вода нагревается в алюминиевой кастрюле массой 200 г. Тепловыми потерями пренебречь. (Удельная теплоёмкость алюминия — 920 Дж/(кг·°С), воды — 4200 Дж/(кг·°С).) Ответ дайте в кДж.
11. Сколько спирта надо сжечь, чтобы нагреть воду массой 2 кг на 29 °С? Считать, что вся энергия, выделенная при сгорании спирта, идёт на нагревание воды. (Удельная теплота сгорания спирта 2,9·107Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг·°С)). Ответ дайте в граммах.
12. Какое количество теплоты необходимо для плавления куска свинца массой 2 кг, взятого при температуре 27 °С? (Удельная теплоёмкость свинца — 130 Дж/(кг·°С), удельная теплота плавления свинца — 25 кДж/кг.) Ответ дайте в кДж.
13. В стакан, содержащий лед при температуре −5 °С, налили воду, имеющую температуру 40 °С. Каково отношение массы воды к массе льда, если весь лед растаял и в стакане установилась температура 0 °С? Теплообменом с окружающим воздухом пренебречь. (Удельная теплоёмкость воды — 4,2 кДж/(кг·°С), льда — 2,1 кДж/(кг·°С), удельная теплота плавления льда — 330 кДж/кг.) Ответ дайте с точностью до сотых.
14. По результатам нагревания кристаллического вещества массой 5 кг построен график зависимости температуры этого вещества от количества подводимого тепла.
Считая, что потерями энергии можно пренебречь, определите, какое количество теплоты потребовалось для нагревания 1 кг этого вещества в жидком состоянии на 1 °С?
15. Какое количество теплоты выделится при кристаллизации воды массой 1 кг, взятой при температуре 10 °С? Ответ дайте в кДж. (Удельная теплоёмкость воды — 4,2 кДж/(кг·°С), удельная теплота плавления льда — 330 кДж/кг.)
16. Литровую кастрюлю, полностью заполненную водой, из комнаты вынесли на мороз. Зависимость температуры воды от времени представлена на рисунке. Какое количество теплоты выделилось при кристаллизации и охлаждении льда? Ответ дайте в кДж. (Удельная теплота плавления льда — 330 кДж/кг.)
17. Какое количество теплоты потребуется, чтобы в алюминиевом чайнике массой 700 г вскипятить 2 кг воды? Первоначально чайник с водой имели температуру 20 °С. Ответ дайте в кДж. (Удельную теплоёмкость алюминия считать равной )
18. При нагревании куска металла массой 200 г от 20 °С до 60 °С его внутренняя энергия увеличилась на 2400 Дж. Какова удельная теплоёмкость металла? Ответ запишите в Дж/(кг·°С).
19. На рисунке представлен график зависимости температуры от полученного количества теплоты для вещества массой 1 кг. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии. Определите удельную теплоёмкость вещества в твёрдом состоянии. Ответ запишите в Дж/(кг·°С).
20. На рисунке представлен график зависимости температуры от полученного количества теплоты для вещества массой 2 кг. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии. Определите удельную теплоту плавления вещества. Ответ запишите в кДж/кг.
21. В тепловой машине потери энергии составляют от энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Чему равен КПД этой тепловой машины? Ответ запишите в виде десятичной дроби.
22. В тепловой машине потери энергии составляют от энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Чему равен КПД этой тепловой машины?
23. Двигатель трактора совершил полезную работу 23 МДж, израсходовав при этом 2 кг бензина. Найдите КПД двигателя трактора (удельную теплоту сгорания бензина принять равной 46 МДж/кг). Ответ дайте в %.
24. Пластилиновый шар упал без начальной скорости с высоты 5 м на каменный пол. Считая, что вся кинетическая энергия шара, приобретённая им за время свободного падения, превратилась во внутреннюю энергию пластилина, найдите, на сколько градусов нагрелся шар. Удельная теплоёмкость пластилина 2,5 кДж/(кг · °С). Ответ запишите в °С.
25.
В тонкостенный сосуд налили воду массой 1 кг, поставили его на электрическую плитку и начали нагревать. На рисунке представлен график зависимости температуры воды t от времени τ. Найдите мощность плитки. Потерями теплоты и теплоёмкостью сосуда пренебречь. Ответ запишите в Вт.
Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/414615-zadachi-po-fizike-9-klass
Самостоятельная работа 1.
А1. Приведены примеры тепловых явлений. Какое из них названо ошибочно?
А. Плавление металлов. Б. Нагревание воздуха. В. Кипение жидкости. Г. Движение Земли вокруг Солнца.
А2. Тепловое движение – это … А. Движение, при котором меняется положение одного тела относительно другого. Б. Движение двух точек тела. В. Движение тел, возникающее при нагревании. Г. Беспорядочное движение частиц, из которых состоит тело.
А3. При торможении велосипеда … А. Потенциальная энергия велосипедиста превращается в кинетическую. Б. Кинетическая энергия превращается в потенциальную. В. Кинетическая энергия велосипеда превращается во внутреннюю энергию Земли и велосипеда.
Г. Внутренняя энергия превращается в кинетическую.
А4. Внутренняя энергия – это энергия … А. Движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Б. Определяющая движение тел. В. Взаимодействия тел. Г. Которой тело обладает при определённых условиях.
А5. От чего зависит внутренняя энергия тела? А. От скорости поступательного движения тела. Б. От энергии беспорядочного движения частиц, из которых состоит тело. В. От энергии взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Г. От энергии беспорядочного движения частиц и от энергии их взаимодействия.
А6. Какое физическое явление используется в основе работы спиртового термометра?.
А. Расширение жидкости при нагревании. Б. Испарение жидкости при нагревании.
В. Плавление твёрдого тела при нагревании. Г. Излучение при нагревании.
А7. Какой физический параметр определяет количество теплоты. Выделяющееся при сгорании 1 кг вещества? А. Удельная теплота сгорания. Б. Удельная теплота парообразования.
В. Удельная теплота плавления. Г. Удельная теплоёмкость.
Самостоятельная работа 2.
А1. Как обогревается комната радиатором центрального отопления?
А. Тепло выделяется радиатором и распределяется по всей комнате. Б. Обогревание комнаты осуществляется только путём конвекции. В. Обогревание комнаты осуществляется только за счёт явления теплопроводности. Г. Энергия от батареи теплопроводностью передаётся холодному воздуху и её поверхности, затем конвекцией распределяется по всей комнате.
А2. Каким способом осуществляется передача энергии от Солнца к Земле?
А. Теплопроводностью. Б. Излучением. В. Конвекцией. Г. Работой.
А3.Внутренняя энергия газа при повышении его температуры…
А. Увеличивается. Б. Уменьшается. В. Увеличивается или уменьшается в зависимости от изменения объёма. Г. Не изменяется.
А4. Какой вид теплообмена сопровождается переносом вещества?
А. Теплопроводность. Б. Лучистый теплообмен. В. Теплопроводность и лучистый теплообмен. Г. Конвекция.
А5. Сковорода стоит на горячей плите. Каким способом происходит в основном теплопередача от нижней стороны сковороды к верхней её стороне?
А. Теплопроводностью. Б. Конвекцией. В. Излучением. Г. Всеми тремя способами.
А6. Какое количество будет выделено или поглощено при сжигании m килограммов топлива с удельной теплотой сжигания q и удельной теплоёмкостью с?
А. qm, выделено. Б. qm, поглощено. В. сm, выделено. Г. cm, поглощено.
А7. Для получения 900 Дж теплоты 100 г железа нагрели на 200С. Какова удельная теплоёмкость железа? А. 1800кДж/кг С. Б. 180 кДж/кг С В. 4,5Дж/кгС. Г. 450 Дж/кгС.
Контрольные тест 1.
А1. Какое количество необходимо для нагревания 200г алюминия от 200С до 300с? Удельная теплоёмкость алюминия 910Дж/кг С. А. 1820 Дж. Б. 9100 Дж. В. 1820 кДж. Г. 9100 кДж.
А2. Сколько теплоты требуется для нагревания свинцовой детали массой 200г на 700С?
А. 1960 кДж. Б. 1960 Дж. В. 140 кДж. Г. 140 Дж.
А3. Сколько теплоты выделится при полном сгорании 0,5кг нефти?
А. 1,1*107 Дж. Б. 2,2*107 Дж. В.4,2 *107Дж. Г. 2,2*106 Дж.
А4. Температура воды массой 5 кг повысилась от 70С до 530С при опускании в неё нагретой железной гири. Определите массу гири , если после опускания её в воду температура гири понизилась от 11030С до 530С. А. 4 кг. Б. 3 кг. В. 2 кг. Г. 5 кг.
А5. Определить КПД спиртовки, в которой при нагревании 300г воды от 200С до 1000С сгорело
12 г спирта. А. 62%. Б, 31%. В. 51%. Г. 21%.
А6. В медной кастрюле массой 5 кг нагревают 5 л воды от 100С до кипения. Определите расход керосина , считая, что вся теплота, выделившаяся при сгорании, пошла на нагревание воды и кастрюли. А. 35г. Б. 45г. В. 55г. Г. 25г.
В1. В железный душевой бак , масса которого 65 кг, налили холодной колодезной воды объёмом 200 л. В результате нагревания солнечным излучением температура повысилась от 4 до 290С. Какое количество теплоты получили бак и вода?
В2. Смешали бензин массой 2 кг и керосин массой 3 кг. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании полученного топлива?
В3. Стальной ударник пневматического молота массой 1,2 кг во время работы в течение 1,5 мин. Нагрелся на 200С. Полагая, что на нагревание ударника пошло 40% энергии молота, определите произведённую работу.
С1. Кусок алюминия и кусок свинца упали с одинаковой высоты. Какой из металлов при ударе в конце падения будет иметь более высокую температуру? Во сколько раз? (Считать, что вся энергия тел при падении пошла на их нагревание)
Контрольный тест 2.
А1. В стакане было 100г воды при температуре 200С. В него долили 50г воды при температуре 800С. Какой стала температура воды в стакане после смешивания воды?
А. 600С. Б. 500С. В. 400С. Г.Немного меньше 400С с учётом теплоёмкости стакана.
А2. Масса кирпичной печи 1,2 т. Какое количество теплоты пойдёт на её нагревание от 100С до 500С? А. 36 кДж. Б. 36Дж. В. 36МДж. Г. 360 Дж.
А3. На сколько градусов можно нагреть 100 кг воды при сжигании 0,5 кг каменного угля, считая, что вся теплота от угля пойдёт на нагревание воды? А. 720С. Б. 360С. В. 540С. Г. 200С.
А4. В аквариум налито 25 л воды при температуре 170С. Сколько горячей воды при 720С нужно долить в аквариум, чтобы установилась температура 220С?
А. 25л. Б. 2,5 л. В. 15 л. Г. 10 л.
А5. Какое количество воды можно вскипятить, затратив 0,5 кг дров, если КПД кипятильника
30%, а начальная температура воды 100С?
А. 2 кг. Б. 3 кг. В. 4 кг. Г. 5 кг.
А6. Для получения 1 м3 цементного раствора смешали 240 кг цемента при температуре 50С , 1500 кг песка при 50С и 300 л воды при 400С. Определите температуру раствора.
А. 100С. Б. 150С. В. 200С. Г. 250С.
В1. На какую высоту можно было бы поднять гирю массой 1 кг за счёт энергии, которая выделится при охлаждении ло00С стакана кипятка объёмом 196 см3? Ответ дать в км.
В2. В ущелье с высоты 250 м падает камень. Вследствие трения о воздух и удара о землю камень нагревается на 1,50С. Определите удельную теплоёмкость камня, считая что 50% энергии камня расходуется на его нагревание.
С1. У поверхности воды мальчик выпускает камень, и он опускается на дно пруда на глубину H=5м. Какое количество теплоты выделится при падении камня, если его масса m=500г, а объём V=200см3?
Самостоятельная работа1.
А1. При плавлении твёрдого тела его температура…
А. Не изменяется. Б. Увеличивается. В. Уменьшается. Г. Зависит от массы.
А2. Какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду?
А. Свинец. Б. Олово. В. Ртуть. Г. Медь.
А3. Что можно сказать о внутренней энергии расплавленного и нерасплавленного куска меди массой 1 кг при температуре 10850С? А. Их внутренние энергии одинаковы. Б. Внутренняя энергия у расплавленного куска меди больше. В. Внутренняя энергия у расплавленного куска меди меньше. Г. Нельзя дать однозначный ответ.
А4. При кристаллизации температура твёрдого тела …
А.Увеличивается. Б. Уменьшается. В. Не изменяется. Г. Зависит от массы тела.
А5. Какой из металлов – алюминий, медь или сталь – расплавится при температуре плавления серебра? А. Алюминий. Б. Медь. Г. Латунь.
А6. Сравните внутренние энергии 1 кг воды и 1 кг льда при температуре 00С.
А. Внутренние энергии одинаковы. Б. Вода имеет большую внутреннюю энергию. В. Лёд имеет большую внутреннюю энергию. Г. Нельзя дать однозначный ответ.
Самостоятельная работа 2.
А1. Испарение происходит … А. При любой температуре. Б. При температуре кипения. В.При определённой температуре для каждой жидкости. Г.При температуре выше 200С.
А2. При увеличении температуры жидкости скорость испарения … А. Не изменяется.
Б. Уменьшается. В. Увеличивается. Г. Зависит от рода жидкости.
А3. При наличии ветра испарение происходит … А. Медленнее. Б.Быстрее.
В. С той же скоростью, как и при его отсутствии. Г. Вначале быстрее, а затем медленнее.
А4. Сравните внутренние энергии 1 кг стоградусного водяного пара и 1 кг воды при той же температуре. А. Внутренняя энергия воды больше. Б. Внутренняя энергия водяного пара больше. В. Внутренние энергии равны. Г. Не зависят от агрегатного состояния.
А5. В процессе кипения температура жидкости … А . Уменьшается. Б. Увеличивается. В. Не изменяется. Г. Вначале увеличивается, а затем уменьшается.
А6. Какое количество теплоты выделится при конденсации водяного пара массой 2,5 кг, имеющего температуру 1000С? Удельная теплота парообразования воды 2,3*106 Дж/кг.
А. 2875 кДж. Б. 6750 кДж. В. 5750 Дж. Г. 575 кДж.
Контрольный тест1.
А1. Удельная теплота плавления льда 3,4*105 Дж/кг. Какой мощности нагреватель нужен для расплавления за 10 мин 6 кг льда при температуре 00С?
А. 1670 Вт. Б. 1670кВт. В. 3340 кВт. Г. 3340 Вт.
А2. В электрическом чайнике мощностью 1150 Вт находится 0,6 кг воды. Через какое время после закипания вся вода из чайника выкипит? Удельная теплота парообразования воды 2300 кДж/кг.
А. 1,2 с. Б. 20 с. В.12 мин. Г. 20 мин.
А3. За ночь поверхность воды в озере покрылась льдом. При замерзании воды теплота отдавалась атмосферному воздуху или получалась от него? А. Получалась от него. Б. Отдавалась воздуху. В. Сколько отдавалось , столько же получалось. Г. Не отдавалась и не получалась.
А4. Стакан с водой при температуре 240С поставили в морозильную камеру. За 5 мин.температура воды снизилась до 160С. Сколько ещё минут пройдёт до полного замерзания всей воды , если скорость отдачи тепла будет такой же? Удельная теплоёмкость воды 4180 Дж/кг0С, удельная теплота отвердевания 332,4 кДж/кг.
А. 10 мин. Б. 15 мин. В. 50 мин. Г. 60 мин.
А5. Масса серебра 10 г. Сколько энергии выделится при его кристаллизации и охлаждении до 600С, если серебро взято при температуре плавления? Удельная теплота плавления серебра
105 Дж/кг, удельная теплоёмкость 250 Дж/кг0С, температура плавления равна 9600С.
А. 1,65 кДж. Б. 2,72 кДж. В. 3,25 кДж. Г. 4,68 кДж.
А6. Какое количество теплоты потребуется для обращения в воду льда массой 2 кг, взятого при температуре 00С, и при нагревании образовавшейся воды до температуры 300С? Удельная теплота плавления льда равна 34*104 Дж/кг, а удельная теплоёмкость воды — 4200 Дж/кг0С.
А. 930 кДж. Б. 990 кДж. В. 870 кДж. Г. 700кДж.
В1. Удельная теплоёмкость воды 4,21*103 Дж/кг0С, удельная теплота плавления льда 3,35*105Дж/кг. Если в переохлаждённую до температуры -40С воду бросить маленький кусочек льда, то вызвав кристаллизацию, он заморозит часть воды, по массе равную…(в процентах)
В2. Двигатель внутреннего сгорания мощностью 36 кВт за 1 ч работы израсходовал 14 кг бензина. Определите КПД двигателя.
С1.В воду массой 1 кг при 200С брошен комок мокрого снега массой 250 г. Весь снег растаял, общая температура стала равной 50С. Определите количество теплоты воды в комке снега. Удельная теплота плавления снега 334 кДж/кг.
С2. В калориметр, содержащий 100г льда при 00С, впущен пар , имеющий температуру 1000С. Сколько воды окажется в калориметре после того, как весь лёд растает? Удельная теплота парообразования воды при 1000С равна 2,26 МДж/кг.
Контрольный тест 2.
А1. Тело массой m при постоянной температуре превращается из жидкого состояния в твёрдое. Удельная теплота парообразования вещества L, удельная теплота плавления λ, удельная теплоёмкость с. Сколько теплоты будет выделено или поглощено в этом процессе?
А. Lm, выделено. Б. Lm, поглощено. В. λm, выделено. Г. сm, поглощено.
А2. Сосуд со льдом поставлен на нагреватель. Лёд нагревается, тает, а затем нагревается вода. В каком случае температура изменяется быстрее всего? А. При нагревании льда. Б. При плавлении льда. В. При нагревании воды. Г. Во всех трёх случаях изменяется одинаково.
А3. Во время работы двигателя внутреннего сгорания в цилиндр вместе с бензином поступает воздух. Для чего нужен воздух?
А. Для совершения работы в результате расширения при нагревании и охлаждении.
Б. Для процесса горения бензина и совершения работы в результате расширения при нагревании.
В. Для выдувания из цилиндра продуктов сгорания бензина и охлаждения цилиндра.
Г. Для распыления вредных продуктов сгорания бензина.
А4. Какое количество теплоты необходимо сообщить воде массой 10 г, взятой при температуре 00С, для того, чтобы нагреть её до температуры кипения и испарить? Уд. теплоёмкость воды 4200Дж/кгС, уд. Теплота парообразования воды 2,3*106Дж/кг.
А. 2,8*103Дж. Б. 7,91*103Дж. В. 9,55*103Дж. Г. 2,72*104Дж.
А5. Какое количество теплоты выделится при конденсации водяного пара массой 10 кг при температуре 1000С и охлаждении образовавшейся воды до 200С? L=2,3*106 Дж/кг, с= 4200 Дж/кгС
А. 14 600 кДж. Б. 26 360 кДж. В. 25 000 кДж. Г. 38 900 кДж.
А6. Всё количество теплоты, выделяющееся при конденсации 1 кг пара при 1000С и охлаждении образовавшейся воды до 00С, затрачивается на таяние льда, имеющего температуру 00С. Сколько льда растает? L=2,26*100 Дж/кг, λ=3,35*105 Дж/кг, с=4,19*103 Дж/кг С.
А. 5 кг. Б. 4 кг. В. 8 кг. Г. 16 кг.
В1. У воды с=4200 Дж/кгС , а плотность 1000 кг/м3. Уд. Теплота плавления льда 330 кДж/кг, а его плотность 900 кг/м3. Слой льда толщиной 4,2 см имеет температуру 00С. Чтобы весь лёд растаял, на него нужно вылить слой воды при температуре 330С, минимальная толщина которого равна…( в см)
В2. В калориметр налили 2 кг воды, имеющей температуру +5 0С, и положили кусок льда массой 5 кг при -400С. После установления теплового равновесия температура содержимого калориметра стала равна … 0С.
С1. В чашке находится 500 г льда при 00С. В чашку вливают 200г воды, нагретой до температуры 800С. Какова будет установившаяся температура и что будет находиться в чашке?
Самостоятельная работа №1.
А1. Какими электрическими зарядами обладают электрон и протон.
А. Электрон – отрицательным, протон – положительным.
Б. Электрон – положительным. Протон – отрицательным.
В. Оба положительным. Г. Оба отрицательным.
А2. Сколько электронов в нейтральном атоме водорода?
А. 2. Б. 1. В. 3. Г. 0.
А3. На рисунке показаны направления сил взаимодействия
положительного электрического заряда q1 c электрическим
зарядом q2. Каков знак заряда q2? А. Положительный.
Б. Отрицательный. Нейтральный. Г. Может быть положительным и отрицательным.
А4. Какие частицы входят в состав ядра атома? А. Электроны и протоны. Б. Электроны и нейтроны. В. Только электроны. Г. Протоны и нейтроны.
А5. Если наэлектризованное тело отталкивается от эбонитовой палочки, потёртой о мех, то оно …
А. Не имеет заряда. Б. Заряжено положительно. В. Заряжено отрицательно.
Г. Может иметь и положительный , и отрицательный заряд.
А6. Можно ли на концах стеклянной палочки получить два одновременно существующих разноимённых заряда? А. Нет, можно получить только положительный заряд. Б. . Нет, можно получить только отрицательный заряд. В. Можно, если потереть соответствующими телами.
Г. Нельзя дать однозначный ответ.
Самостоятельная работа №2.
А1. Упорядоченным движением каких частиц создаётся электрический ток в металлах?
А.Положительных ионов. Б. Отрицательных ионов. В. Электронов. Г. Положительных и отрицательных ионов.
А2. Как называется единица измерения силы тока?.
А. Ватт. Б. Ампер. В. Вольт. Г. Ом.
А3. Как называется единица измерения электрического сопротивления?.
А. Ватт. Б. Ампер. В. Вольт. Г. Ом.
А4. Как формулой выражается закон Ома для участка цепи.
А. А = IUt/ Б. Р = UI. В. I = U/R. Г. Q = I2Rt.
А5. В электрическую цепь включены 4 электрические лампы. Какие
из них включены параллельно?
А. Только лампы 2и 3. Б. Только лампы 2 и 4. В. Лампы 1, 2 и 3.
Г. Параллельно включённых ламп нет.
А6. Сила тока, проходящая через нить лампы 0,3 А, напряжение
на лампе 6 В. Каково электрическое сопротивление нити лампы?
А. 2 Ом. Б. 1,8 Ом. В. 0,05 Ом. Г. 20 Ом.
Самостоятельная работа №3.
А1. Как включаются плавкие предохранители, отключающие при перегрузках
электрическую сеть квартиры, последовательно или параллельно
электрическим приборам, включённым в квартире? А. Параллельно.
Б. Последовательно. В. Можно включать последовательно, можно параллельно.
Г. Один предохранитель включается последовательно, а другой – параллельно.
А2. Имеется стальной магнит. Если его распилить пополам между А и В,
то каким магнитным свойством будет обладать конец А?
А. будет северным магнитным полюсом. Б. будет южным магнитным полюсом. В. Не будет обладать магнитным полем. Г. Сначала будет северным магнитным полюсом, а потом — южным.
А3. Каков основной источник магнитного поля постоянного магнита?
А. Собственные магнитные поля электронов. Б. Магнитные поля, создаваемые электронами при их орбитальном движении. В. магнитное поле атомных ядер. Г. магнитные заряды, имеющиеся в постоянных магнитах.
А4. Каков основной источник магнитного поля Земли?
А. Вокруг Земли в ионосфере протекает круговой электрический ток.
Б. Внутри земного шара протекает круговой электрический ток.
В. В центральной области Земли имеется намагниченное железное ядро.
Г. Солнечный ветер из потока заряженных частиц, обтекая Землю,
создаёт магнитное поле Земли.
А5. Как расположены линии магнитной индукции вокруг
постоянного магнита? А. А. Б. Б. В. В. Г. Г.
А6. Железный проводник АВ движется в магнитном поле.
Увеличится ли угол отклонения проводника АВ, если
он будет изготовлен такого же размера из алюминия?
А. Угол отклонения не увеличится.
Б. Да, так как увеличится сила тока.
В. Движения вообще не будет.
Г. Угол отклонения уменьшится.
Контрольные тесты №1.
А1. Каково напряжение на участке электрической цепи с сопротивление 20 Ом при силе тока 200мА? А. 4000 В. Б. 10 В. В. 4 В. Г. 100В.
А2. На рисунке представлена схема электрической цепи. Каково общее сопротивление электрической цепи? А. 1,5 Ом. Б. 3 Ом. В. 6 Ом. Г. 12 Ом.
А3. Каково общее сопротивление участка электрической цепи, представленного на рисунке? А. 18 Ом. Б. 9 Ом. В. 2 Ом. Г. 0,5 Ом.
А4. Электрическое сопротивление медной проволоки 8 Ом. Проволоку протянули за концы в противоположные стороны, и её длина увеличилась вдвое. Каким стало электрическое сопротивление проволоки? А. 8 Ом. Б. 16 Ом. В. 32 Ом. Г. 64 Ом.
А5. Какой длины надо взять железную проволоку площадью поперечного сечения 2 мм2, чтобы её сопротивление было таким же, как сопротивление алюминиевой проволоки длиной 1 км и сечением 4 мм2? Удельное сопротивление железа 0,1 Ом*мм2/м, а алюминия — 0, 28 Ом*мм2/м.
А. 40 м. Б. 70м. В. 100м. Г.140м.
А6. Каково значение силы тока через амперметр в схеме? Каково направление силы тока через амперметр? А. 0 А. Б. 0,5 А., направление 1-2. В. 1А.. направление 1-2. Г. 0,5 А., направление 2-1.
А7. К цепи проведено напряжение 90 В. Сопротивление лампы 2 равно сопротивлению лампы 1, а сопротивление лампы 3 в k=4 раза больше сопротивления лампы 1. Сила тока в неразветвлённой цепи 0,5 А. Найти сопротивление каждой лампы.
А. R1=R2=100 Oм, R3= 400 Ом .
Б. R1=R2=200 Ом, R3= 800 Ом .
В. R1=R2=50 Ом, R3= 200 Ом .
Г. R1=R2=150 Ом, R3= 600 Ом .
А8. Один электрический нагреватель при подключении к источнику с напряжением U выделяет количество теплоты Q за 12 минут. За какое время выделяют такое же количество теплоты два таких же нагревателя, подключённых параллельно источнику с тем же напряжением?
А. 24 мин. Б. 12 мин. В. 6 мин. Г. 3 мин.
А9. При ремонте электрической плитки спираль была укорочена на 0,1 первоначальной длины. Во сколько раз изменилась мощность плитки? А. Уменьшилась в 1,1 раза. Б. Увеличилась в 1,1 раза. В. Уменьшилась в 2,1 раза. Г. Увеличилась в 2,1 раза.
А10. В электрический чайник был налит 1 л воды при температуре 200С. При включении чайника в сеть с напряжением 220 В сила тока в его нагревательном элементе была 2 А. Через 10 мин. Температура воды в чайнике повысилась до 700С. Каков КПД чайника как нагревателя воды? Уд. Теплоёмкость воды 4200Дж/кг0С.
А. 80%. Б. 85%. В. 90%. Г. 95%.
В1. Определите величину заряда ( Кл), проходящего через поперечное сечение проводника в течение 10 с ,если сила тока в проводнике за это равномерно возрастает от 0 до 50 А.
В 2. Определите показания амперметра(в А)в электрической цепи, изображенной на рисунке, если показания вольтметра U =250 В, а сопротивление каждого резистора R и внутреннее сопротивление вольтметра равны по 1 кОм.
В 3. Две лампочки имеют одинаковые мощности. Первая лампочка рассчитана на напряжение 127В, а вторая на 220В. Отношение сопротивления второй лампочки к сопротивлению первой лампочки равно …
С1. Если в цепи параллельно проводнику сопротивлением R1= 120 Ом подключить проводник с сопротивлением R2, то сила тока в первом проводнике уменьшится в 6 раз. Какое сопротивление
R3 должен иметь резистор, включённый последовательно с образовавшимся разветвлением, чтобы общее сопротивление осталось без изменения?
С2. В цепи сопротивление резисторов R1=R4=R6=6 Ом,
сопротивление R2= 9 Ом, R3=3 Ом, R5= 4 Ом.
Что будет показывать амперметр, если на цепь
подать напряжение 6 В?
Контрольный тест №2.
А1. Каково электрическое сопротивление алюминиевого провода длиной 100м и с поперечным сечением 2 мм2? Удельное электрическое сопротивление
алюминия 0,028 мкОм*м.
А. 1400 Ом. Б. 0,14 Ом. В. 1,4 Ом. Г. 0,0014 Ом.
А2. График зависимости силы тока от напряжения на концах проводника представлен на рисунке. Каково электрическое сопротивление проводника?
А. 2 Ом. Б. 0,5 Ом. В. 0,0005 Ом. Г. 500 Ом.
А3. На рисунке представлена электрическая схема. К каким точкам
следует подключить вольтметр, если необходимо определить электрическое сопротивление лампы М? А. 1-2. Б. 2-3. В. 3-4. Г. 2-4.
А4. Медный проводник, имеющий сопротивление 10 Ом, разрезали на 5 одинаковых
частей и эти частим соединили параллельно. Определите сопротивление этого соединения. А. 0,2 Ом. Б. 0,4 Ом. В. 2 Ом. Г. 10 Ом.
А5. Каково общее электрическое сопротивление между вершинами
1 и 2 проволочного куба, если каждое ребро имеет электрическое
сопротивление R? А. R/2. Б. 3R/4. B. 5R/6. Г. R.
А6. Определите сопротивление бесконечной цепочки резисторов,
изображённых на схеме. А. 5 Ом. Б. 6 Ом . В. 7 Ом. Г. 8 Ом.
А7. При напряжение 12 В через нить электрической лампы течёт
ток 2А. Сколько тепла выделит нить лампы за 5 минут?
А. 7200 Дж. Б. 120 Дж. В. 60 Дж. Г. 3600 Дж.
А8.На одной лампочке написано 40 Вт, 220 В, а на другой – 100 Вт, 220 В.
Мощность какой лампочки и во сколько раз больше при последовательном
включении? А. Второй в 2,5 раза. Б. Одинаковы. В. Первой в 2,5 раза.
Г. Неполные данные.
А9. На каком из резисторов выделится наибольшее количество
теплоты в единицу времени?
А. На R1 Б. На R2. В. На R3. Г. На R4.
А10. Какова стоимость электроэнергии , расходуемой электрическим
утюгом с мощностью 600 Вт за 40 мин. Непрерывной работы, если
тариф электроэнергии 500 кВт*ч.
А. 12 р. Б. 20 р. В. 50 р. Г. 200р.
В1. Если в электрической цепи, изображённой на рисунке, сопротивление
резистора R=1 кОм показания амперметра I=0,01А, а вольтметра U= 20 В,
то сопротивление вольтметра …. ( кОм).
В2. Какой величины ( в Ом) надо взять дополнительное сопротивление, чтобы можно было включить в сеть с напряжением 220В в лампу, которая горит нормально при напряжении120В и тока 4А?
В3. Два резистора с одинаковым сопротивлением каждый включаются в сеть постоянного напряжения первый раз параллельно , а второй раз последовательно. Какая электрическая мощность потребляется в обоих случаях?
С1. Если на входе электрической цепи подать напряжение 100В, то
напряжение на выходе оказывается 30 В. Амперметр с очень малым
внутренним сопротивлением, присоединённый к выходу цепи,
показывает силу тока 1 А. Если напряжение 100В подать на выход цепи, то напряжение на входе будет равно15В. Определите сопротивление резисторов R1, R2, R3.
С2. Две лампы мощностью Р1=40 Вт и Р2=60 Вт, рассчитанные на одинаковое напряжение последовательно. Какие мощности они потребляют?, включены в цепь с тем же напряжением
Самостоятельная работа №1.
А1. Какова скорость света в вакууме?
А. 300 000 м/с. Б. 300 000 км/с. В. 300 000 км/ч. Г. 300 000 км/мин.
А2. В какой материальной среде свет распространяется с наибольшей в природе скоростью?
А. В воздухе. Б. В воде. В. В вакууме. Г. Во всех материальных средах одинаково.
А3. При каких условиях за непрозрачным телом наблюдается одна тень с нечёткими границами?
А. Если свет идёт от яркого источника любых размеров. Б. Если свет идёт от слабого источника любых размеров. В. Если источник света один и малых размеров. Г. Если источник света один, но больших размеров.
А4. Почему вскоре после выхода из порта в открытое море корабль даже в совершенно ясную погоду становится невидимым?
А. Из-за быстрого уменьшения его видимых размеров. Б. Из-за свойства морской воды поглощать световые лучи. В. Из-за свойства морской воды отражать световые лучи. Г. Из- за шарообразности Земли и свойств прямолинейности распространения света.
А5. За какое примерно время свет может пройти расстояние от Земли до Луны, равное 4 000 000 км. А. 0,5 с. Б. 1,3 с. В. 1,3*10-3 с. Г. 1200с.
А6. При каких условиях за непрозрачным телом наблюдается одна тень с чёткими границами?
А.Если свет идёт от яркого источника любых размеров. Б. Если свет идёт от слабого источника любых размеров. В. Если источник света один и малых размеров. Г. Если источник света один , но больших размеров.
Самостоятельная работа №2.
А1. На вершине Останкинской телевизионной башни в Москве горит яркая электрическая лампа. Почему свет от неё нельзя увидеть во Владивостоке даже в самый большой телескоп в совершенно ясную погоду.
А. Свет на больших расстояниях постепенно теряет свою энергию. Б. Из-за шарообразности Земли и прямолинейности распространения света. В. Световые лучи под действием силы тяжести постепенно искривляются и падают на Землю. Г. Световые лучи под действием конвекции поднимаются в верхние слои атмосферы.
А2. Между электрической и стеной находится мяч, на стене круглая тень от мяча. Изменится ли радиус тени, если мяч переместить ближе к лампе? А. Нет. Б. Уменьшится. В. Увеличится. Г. При небольшом перемещении уменьшится , при большом- увеличится.
А3. Луч света падает на зеркальную поверхность и отражается . Угол падения 300. Каков угол отражения? А.1200. Б. 1500. В. 900. Г. 300.
А4. Угол падения луча света на зеркальную поверхность равен 200. Каков угол между отражённым лучом и зеркальной поверхностью? А. 700. Б. 800. В. 400. Г. 200.
А5. Какие из указанных на рисунке поверхностей зеркальные?
А. 1 и 3. Б. 2 и 4. В. 3 и 4. Г. 2 и 3.
А6. При падении луча света 1 из воздуха на стекло возникает преломленный и отражённый лучи света. По какому направлению пойдёт отражённый луч?
А. 2. Б. 3. В. 4. Г.5.
Самостоятельная работа №3.
А1. На рисунке представлены сечения трёх стеклянных линз. Какие из них являются рассеивающими? А. Только 1. Б. Только 2. В. только 3. Г. 1,2 и 3.
А2. На рисунке представлены сечения трёх стеклянных линз. Какие из них являются собирающими? А. Только 1. Б. Только 3. В. Только 2. Г. Только 1 и 3.
А3. Оптическая система глаза строит изображение далёких предметов перед сетчаткой. Какой это дефект зрения и какие линзы нужны для очков? А. Дальнозоркость, собирающие.
Б. Дальнозоркость, рассеивающие. В. Близорукость, собирающие. Г. Близорукость, рассеивающие.
А4. Собирающая линза имеет фокусное расстояние F . На каком расстоянии от линзы должен находиться предмет, чтобы его изображение было равно ему по размерам?
А. F. Б. 2F. В. F/2. Г.3F/2.
А5. Можно ли с помощью рассеивающей линзы получить увеличенное изображение предмета? Если да, то где его нужно расположить? А. Нет, нельзя. Б. Да, между линзой и фокусом. В. Да, между фокусом и двойным фокусом. Г. Да, за двойным фокусом.
А6. На собирающую линзу падают два параллельных луча, ход луча М после прохождения линзы показан на рисунке. По какому направлению пойдёт луч N после линзы?
А. 1. Б. 2. В. 3. Г. Может пойти по любому из трёх.
Контрольные тесты №1.
А1. В какой точке находится изображение источника света L в плоском зеркале MN?
А. 1. Б. 2. В. 3. Г. 1,2 и 3.
А2. При падении луча света 1 из воздуха на стекло возникают преломленный и отражённый лучи света. По какому направлению пойдёт преломленный луч?
А.4. Б. 8. В. 6. Г. 7.
А3. Чему равен угол полного внутреннего отражения при падении луча на границу раздела двух сред , если n=2?
А. 600С. Б. 450С. В. 300С. Г. 700С.
А4. Показатель преломления стекла равен 1,54 , а у воды – 1,33. Определите показатель преломления воды относительно стекла.
А. 1,16. Б. 0,43. В. 0,21. Г. 0,86ю
А5. На стеклянную призму в воздухе падает световой луч 1. По какому направлению луч света выходит из призмы? А. Свет не может выйти из призмы. Б. 2. В. 3. Г. 4.
А6. Найдите оптическую силу собирающей линзы, если изображение предмета, помещённого в 15 см от линзы, получается на расстоянии 30 см от неё?
А. 1 дптр. Б. 0,1 дптр. В. 10 дптр. Г. 5 дптр.
В1. Девочка приближается к зеркалу со скоростью 0,5 м/с. С какой скоростью изображение девочки приближается к девочке?
В2. На дне пруда глубиной 0,4 м лежит небольшой камень. Мальчик хочет попасть в него тонким стержнем. Прицеливаясь, мальчик держит стержень над водой под углом 450. Показатель преломления воды 1,3. На каком расстоянии от камня воткнётся стержень в дно.
С1. Предмет находится на расстоянии L1=8cм от переднего фокуса линзы , а его изображение – на экране на расстоянии L2= 18 см от заднего фокуса линзы. Найдите оптическую силу линзы.
С2. Близорукий человек читает без очков, держа книгу на расстоянии d= 10 см от глаз. Какова оптическая сила D необходимых ему очков для чтения?
С3. Высота Солнца над горизонтом составляет 500. Каким должен быть угол падения лучей на плоское зеркало, чтобы отразившиеся от него солнечные лучи пошли вертикально вверх?
Контрольный тест. В-2.
А1. Источник света S находится перед плоским зеркалом. Какая точка является изображением источника S в зеркале?
А. Только 1. Б. 1, 2, 3 и 4. В. 1, 2 и 3. Г. Только 4.
А2. Луч падает перпендикулярно плоскому зеркалу. На какой угол отклонится отражённый луч от падающего, если повернуть зеркало вокруг оси, перпендикулярной лучу, на 200?
А. На 200. Б. На 100. В. На 400. Г. Зависит от показателя преломления среды.
А3. На какой угол повернётся отражённый от зеркала солнечный луч при повороте зеркала на угол 300? А. 300. Б. 600. В. 150. Г. 00.
А4. Световой луч падает под углом 600 к поверхности стола. Под каким углом к этой поверхности надо расположить плоское зеркало, чтобы изменить ход луча на горизонтальный?
А. 300. Б. 150. В. 450. Г. 600.
А5. Оптическая сила глаза человека 58 дптр. Каково его фокусное расстояние?
А. 58м. Б. 0,017 м. В. 17см. Г. 1,7 мм.
А6. Какова оптическая сила линзы, если для получения изображения предмета в натуральную величину предмет должен быть помещён на расстоянии 10 см от линзы?
А. 0,2 дптр. Б. 2 дптр. В. 10 дптр. Г. 20 дптр.
В1. Вертикальный шест высотой h=1м, поставленный недалеко от уличного фонаря, отбрасывает тень длиной L1=80см. Если расстояние между фонарным столбом и шестом увеличить на s=1,5 м, то длина тени возрастает до L2=1,3 м. На какой высоте Н находится фонарь?
В2. Угол падения на плоское зеркало увеличили от 300 до 450. Как изменится угол между падающим и отражённым лучами?
С1. Найдите оптическую силу D рассеивающей линзы, дающей изображение предмета на расстоянии L=6 см от самого предмета. Высота предмета h= 8 см, высота изображения Н=4 см.
С2. Близорукий человек различает мелкие предметы на расстоянии не больше 15 см. Определите, на каком расстоянии он сможет их хорошо видеть в очках с оптической силой 3 дптр.
С3. Преломленный луч света составляет с отражённым угол 900. Найдите относительный показатель преломления, если луч падает на плоскую границу сред под углом α , для которого sinα=0,8.
К концу этого раздела вы сможете:
Рис. 1. Этот кипящий чайник представляет энергию в движении. Вода в чайнике превращается в водяной пар, потому что тепло передается от плиты к чайнику. По мере того, как вся система нагревается, работа выполняется — от испарения воды до свиста чайника. (кредит: Джина Гамильтон)
Если нас интересует, как теплопередача преобразуется в работу, тогда важен принцип сохранения энергии. Первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых передача тепла и выполнение работы являются методами передачи энергии в систему и из нее.Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в систему за вычетом чистой работы, выполненной системой. В форме уравнения первый закон термодинамики: Δ U = Q — W .
Здесь Δ U — это изменение внутренней энергии U системы. Q — это чистое тепло , , переданное в систему. , то есть Q — это сумма всей теплопередачи в систему и из нее. W — это общая работа , выполненная системой , то есть W — это сумма всей работы, выполненной в системе или ею. Мы используем следующие условные обозначения: если значение Q положительное, значит, в системе имеется чистый теплоперенос; если значение W положительное, значит, система выполняет чистую работу. Таким образом, положительный Q добавляет энергию в систему, а положительный W забирает энергию из системы. Таким образом Δ U = Q — Вт .Также обратите внимание, что если в систему передается больше тепла, чем проделанной работы, разница сохраняется как внутренняя энергия. Тепловые двигатели — хороший тому пример: в них происходит передача тепла, чтобы они могли выполнять свою работу. (См. Рисунок 2.) Теперь мы рассмотрим Q , W и Δ U далее.
Рис. 2. Первый закон термодинамики — это принцип сохранения энергии, установленный для системы, в которой тепло и работа являются методами передачи энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии. Q представляет собой чистую теплопередачу — это сумма всех теплопередач в систему и из нее. Q положительно для чистой передачи тепла в систему. W — это общий объем работы, проделанной с системой. W положителен, когда система выполняет больше работы, чем над ней. Изменение внутренней энергии системы Δ U связано с теплом и работой по первому закону термодинамики Δ U = Q — Вт .
Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии, сформулированный в форме, наиболее полезной в термодинамике. Первый закон устанавливает связь между теплопередачей, проделанной работой и изменением внутренней энергии системы.
Теплопередача ( Q ) и выполнение работы ( W ) — два повседневных средства подачи энергии в систему или вывода энергии из системы.Процессы совершенно разные. Теплообмен, менее организованный процесс, обусловлен разницей температур. Работа — это вполне организованный процесс, в котором действует макроскопическая сила, действующая на расстоянии. Тем не менее, нагрев и работа могут дать одинаковые результаты, например, оба могут вызвать повышение температуры. Передача тепла в систему, например, когда Солнце нагревает воздух в велосипедной шине, может повысить ее температуру, и поэтому может работать над системой, например, когда велосипедист нагнетает воздух в шину.Как только произошло повышение температуры, невозможно сказать, было ли оно вызвано теплопередачей или работой. Эта неопределенность — важный момент. Теплообмен и работа — это энергия в пути, и ни одна из них не хранится как таковая в системе. Однако оба могут изменить внутреннюю энергию U системы. Внутренняя энергия — это форма энергии, совершенно отличная от тепла или работы.
Мы можем думать о внутренней энергии системы двумя разными, но последовательными способами.Первый — это атомно-молекулярная точка зрения, которая исследует систему в атомном и молекулярном масштабе. Внутренняя энергия U системы — это сумма кинетической и потенциальной энергий ее атомов и молекул. Напомним, что кинетическая плюс потенциальная энергия называется механической энергией. Таким образом, внутренняя энергия — это сумма атомной и молекулярной механической энергии. Поскольку невозможно отследить все отдельные атомы и молекулы, мы должны иметь дело со средними значениями и распределениями.Второй способ взглянуть на внутреннюю энергию системы — с точки зрения ее макроскопических характеристик, которые очень похожи на средние атомные и молекулярные значения.
Макроскопически мы определяем изменение внутренней энергии Δ U как значение, определяемое первым законом термодинамики: Δ U = Q — Вт .
Многие подробные эксперименты подтвердили, что Δ U = Q — W , где Δ U — изменение полной кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул в системе.Также экспериментально было определено, что внутренняя энергия U системы зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния . Более конкретно, U оказывается функцией нескольких макроскопических величин (например, давления, объема и температуры), независимо от прошлой истории, такой как была ли передача тепла или проделанная работа. Эта независимость означает, что, зная состояние системы, мы можем рассчитать изменения ее внутренней энергии U на основе нескольких макроскопических переменных.
В термодинамике мы часто используем макроскопическую картину при расчетах поведения системы, в то время как атомная и молекулярная картина дает основные объяснения в терминах средних значений и распределений. Мы еще раз увидим это в следующих разделах этой главы. Например, в теме энтропии расчеты будут производиться с использованием атомно-молекулярного представления.
Чтобы лучше понять, как думать о внутренней энергии системы, давайте исследуем систему, переходящую из состояния 1 в состояние 2.Система имеет внутреннюю энергию U 1 в Состоянии 1 и внутреннюю энергию U 2 в Состоянии 2, независимо от того, как она попала в любое из состояний. Таким образом, изменение внутренней энергии Δ U = U 2 — U 1 не зависит от того, что вызвало изменение. Другими словами, Δ U не зависит от пути . Под путем мы понимаем способ добраться от начальной точки до конечной точки. Почему важна эта независимость? Обратите внимание, что Δ U = Q — W .И Q , и W зависят от пути , а Δ U — нет. Эта независимость от пути означает, что внутреннюю энергию U легче учитывать, чем теплопередачу или проделанную работу.
Рисунок 3. Два разных процесса производят одно и то же изменение в системе. (a) Всего в системе происходит передача тепла 15,00 Дж, в то время как работа требует всего 6.00 Дж. Изменение внутренней энергии составляет ΔU = Q-W = 9,00 Дж. (B) При передаче тепла из системы удаляется 150,00 Дж, в то время как работа затрачивает 159,00 Дж, вызывая увеличение внутренней энергии на 9,00 Дж. Если система начинается в одном и том же состоянии в пунктах (а) и (б), она окажется в одном и том же конечном состоянии в любом случае — ее конечное состояние связано с внутренней энергией, а не с тем, как эта энергия была получена.
В части 1 мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную на основе данной информации.Тогда первый закон термодинамики (Δ U = Q — W ) может быть использован для определения изменения внутренней энергии. В части (b) приведены чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.
Чистая теплопередача — это теплопередача в систему за вычетом теплопередачи из системы, или
Q = 40,00 Дж — 25,00 Дж = 15,00 Дж
Аналогично, общая работа — это работа, выполненная системой за вычетом работы, выполненной в системе, или
Вт = 10.00 Дж — 4,00 Дж = 6,00 Дж.
Таким образом, изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики:
Δ U = Q — W = 15,00 Дж — 6,00 Дж = 9,00 Дж
Мы также можем найти изменение внутренней энергии для каждой из двух ступеней. Сначала рассмотрим 40,00 Дж теплопередачи на входе и 10,00 Дж на выходе, или Δ U 1 = Q 1 — W 1 = 40,00 Дж — 10,00 Дж = 30,00 Дж.
Теперь рассмотрим 25,00 Дж теплоотдачи и 4,00 Дж работы на входе, или
Δ U 2 = Q 2 — W 2 = –25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = –21,00 Дж
Общее изменение — это сумма этих двух шагов, или Δ U = Δ U 1 + Δ U 2 = 30,00 Дж + (−21,00 Дж) = 9,00 Дж.
Неважно, смотрите ли вы на процесс в целом или разбиваете его на этапы, изменение внутренней энергии одинаково.
Здесь чистая теплопередача и общая работа даны непосредственно как Q = –150,00 Дж и Вт = –159,00 Дж, так что
Δ U = Q — W = –150,00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж.
Совершенно другой процесс в части 2 дает такое же изменение внутренней энергии на 9,00 Дж, что и в части 1. Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с Δ U , а не с отдельным Q s или Вт с задействовано.Система оказывается в состоянии , одинаковое в обеих частях. Части 1 и 2 представляют два разных пути, которыми должна следовать система между одними и теми же начальными и конечными точками, и изменение внутренней энергии для каждой из них одинаково — оно не зависит от пути.
Метаболизм человека — это преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир. Метаболизм — интересный пример действия первого закона термодинамики.Теперь мы еще раз посмотрим на эти темы с помощью первого закона термодинамики. Рассматривая тело как интересующую нас систему, мы можем использовать первый закон для изучения теплопередачи, выполнения работы и внутренней энергии в различных видах деятельности, от сна до тяжелых упражнений. Каковы некоторые из основных характеристик теплопередачи, выполнения работы и энергии в организме? Во-первых, температура тела обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду. Это означает, что Q отрицательный. Другой факт: тело обычно работает с внешним миром.Это означает, что W положительный. В таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку Δ U = Q — Вт отрицательно.
Теперь рассмотрим эффекты еды. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии (это неромантичный взгляд на хороший стейк). Тело метаболизирует всю пищу, которую мы потребляем. По сути, метаболизм — это процесс окисления, в котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи.Это означает, что питание осуществляется в форме работы. Энергия пищи указывается в специальной единице, известной как калория. Эта энергия измеряется сжиганием пищи в калориметре, как и определяются единицы.
В химии и биохимии одна калория (обозначается строчной c) определяется как энергия (или передача тепла), необходимая для повышения температуры одного грамма чистой воды на один градус Цельсия. Диетологи и наблюдатели за весом обычно используют диетических калорий, которые часто называют калориями (пишется с заглавной буквы ° C).Одна пища Калория — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на один градус Цельсия. Это означает, что одна диетическая калория для химика равна одной килокалории, и нужно быть осторожным, чтобы не путать эти две калории.
Опять же, рассмотрим внутреннюю энергию, потерянную телом. Эта внутренняя энергия может идти по трем направлениям — на теплопередачу, выполнение работы и накопленный жир (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток). Передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из организма, а пища возвращает ее.Если вы едите необходимое количество пищи, ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете на теплопередачу и выполнение работы, заменяется едой, так что в конечном итоге Δ U = 0. Если вы постоянно переедаете, то Δ U всегда положительный, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если Δ U будет отрицательным в течение нескольких дней, то организм усваивает собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, которая забирает у тела энергию.Именно так соблюдение диеты способствует снижению веса.
Жизнь не всегда так проста, как знает любой человек, сидящий на диете. Организм накапливает жир или метаболизирует его только в том случае, если потребление энергии меняется в течение нескольких дней. После того, как вы сели на основную диету, следующая будет менее успешной, потому что ваше тело изменит способ реагирования на низкое потребление энергии. Ваша основная скорость метаболизма (BMR) — это скорость, с которой пища преобразуется в теплообмен и работу, выполняемую, когда организм находится в полном покое. Организм регулирует базальную скорость метаболизма, чтобы частично компенсировать переедание или недоедание.Организм будет снижать скорость метаболизма, а не устранять собственный жир, чтобы восполнить потерянную пищу. Вы легче простужаетесь и чувствуете себя менее энергичным из-за более низкой скорости метаболизма, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают похудеть, потому что они обеспечивают теплоотдачу от вашего тела и работы, а также повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя. Снижению веса также способствует довольно низкая эффективность тела в преобразовании внутренней энергии в работу, так что потеря внутренней энергии в результате выполнения работы намного больше, чем проделанная работа.Однако следует отметить, что живые системы не находятся в тепловом равновесии.
Тело дает нам отличный показатель того, что многие термодинамические процессы необратимы . Необратимый процесс может идти в одном направлении, но не в обратном, при заданном наборе условий. Например, хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир. В противном случае мы могли бы пропустить обед, загорая или спустившись по лестнице.Другой пример необратимого термодинамического процесса — фотосинтез. Этот процесс представляет собой поглощение растениями одной формы энергии — света — и ее преобразование в химическую потенциальную энергию. Оба применения первого закона термодинамики показаны на рисунке 4. Одно большое преимущество законов сохранения, таких как первый закон термодинамики, состоит в том, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов, таких как метаболизм и фотосинтез, без учета осложнения между ними.В таблице 1 представлены термины, относящиеся к первому закону термодинамики.
Рис. 4. (а) Первый закон термодинамики применительно к метаболизму. Тепло, передаваемое из тела (Q), и работа, выполняемая телом (W), удаляют внутреннюю энергию, в то время как прием пищи заменяет ее. (Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую телом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи в солнечном свете в накопленную химическую энергию — процесс, называемый фотосинтезом.
Таблица 1.Краткое изложение терминов первого закона термодинамики, ΔU = Q — W | |
---|---|
Срок | Определение |
U | Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия. Зависит только от состояния системы (например, P , V и T ), а не от того, как энергия поступает в систему.Изменение внутренней энергии не зависит от пути. |
Q | Тепло — энергия, передаваемая из-за разницы температур. Характеризуется случайным движением молекул. Сильно зависит от пути. Q Вход в систему положительный. |
Вт | Работа — энергия, передаваемая силой, перемещающейся на расстояние. Организованный, упорядоченный процесс. Зависит от пути. W , выполненный системой (либо против внешней силы, либо для увеличения объема системы), является положительным. |
Первый закон термодинамики: утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в систему за вычетом чистой работы, выполненной системой
внутренняя энергия: сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы
метаболизм человека: преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир
1.1,6 × 10 9 Дж
3. −9.30 × 10 8 Дж
5. (а) −1,0 × 10 4 Дж, или −2,39 ккал; (б) 5,00%
7. (а) 122 Вт; (б) 2,10 × 10 6 Дж; (c) Работа двигателя составляет 1,61 × 10 7 Дж; таким образом, двигатель производит в 7,67 раз больше работы, чем человек
9. (а) 492 кДж; (б) Такое количество тепла соответствует тому факту, что вы быстро согреваетесь во время тренировки. Поскольку организм неэффективен, выделяемое избыточное тепло должно рассеиваться через потоотделение, дыхание и т. Д.
К концу этого раздела вы сможете:
Рисунок 1.Эти льдины тают во время арктического лета. Некоторые из них замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что крайне маловероятно, что молекулы воды, содержащиеся в этих льдинах, изменят характерную форму аллигатора, которую они сформировали, когда фотография была сделана летом 2009 года. (Источник: Патрик Келли, Береговая охрана США, Геологическая служба США)
Второй закон термодинамики касается направления, принимаемого спонтанными процессами.Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, то есть они необратимы при заданном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение всей жизни Вселенной. Точнее, необратимый процесс — это процесс, который зависит от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально отличается, и процесс не может быть обратимым.Например, как отмечалось в предыдущем разделе, тепло включает в себя передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект, соприкасающийся с горячим, никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его более горячим. Кроме того, механическая энергия, такая как кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую за счет трения, но обратное невозможно. Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не начинает двигаться. Еще один пример — расширение потока газа, введенного в один угол вакуумной камеры.Газ расширяется и заполняет камеру, но никогда не собирается в углу. Случайное движение молекул газа могло бы вернуть их всех в угол, но этого никогда не происходит. (См. Рисунок 2.)
Рисунок 2. Примеры односторонних процессов в природе. (а) Теплообмен происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему. (б) Тормоза этого автомобиля преобразуют кинетическую энергию в теплоотдачу в окружающую среду. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, попадающий в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить каждую часть камеры.Случайные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.
Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, предполагает, что существует закон, запрещающий их возникновение. Первый закон термодинамики позволяет им происходить — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии. Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эквивалентными.Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, фундаментально влияя на многие очевидно несопоставимые процессы.
Уже знакомое направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики
Теплообмен происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.
Другой способ сформулировать это: невозможно, чтобы какой-либо процесс имел своим единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему.
Теперь давайте рассмотрим устройство, которое для работы использует теплопередачу. Как отмечалось в предыдущем разделе, такое устройство называется тепловой машиной и схематично показано на рисунке 3b. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи от какого-либо источника.Теплоотдача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается как Q h , теплоотдача в холодный объект (или холодный резервуар) — Q c , а работа, выполняемая двигателем, составляет . W . Температуры горячего и холодного резервуаров составляют T h и T c соответственно.
Рис. 3. (a) Передача тепла происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному, что соответствует второму закону термодинамики.(б) Тепловой двигатель, представленный здесь кружком, использует часть теплопередачи для выполнения работы. Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — рабочая мощность, а Qc — теплоотдача в холодный резервуар.
Поскольку горячий резервуар нагревается извне, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно. Фактически, нам бы хотелось, чтобы W равнялось Q h , и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду ( Q c = 0).К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики также утверждает в отношении использования теплопередачи для выполнения работы (второе выражение второго закона):
Ни в какой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать работу в циклический процесс, при котором система возвращается в исходное состояние.
Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла.В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон, только что сформулированный в его второй форме, четко гласит, что такие двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплопередачи в выполненную работу. Прежде чем углубляться в основные причины ограничений на преобразование теплопередачи в работу, нам необходимо изучить взаимосвязи между W , Q h и Q c и определить эффективность циклического Тепловой двигатель.Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть Δ U = 0. Первый закон термодинамики гласит, что Δ U = Q — Вт , где Q — это чистая теплопередача в течение цикла ( Q = Q h — Q c ), а W — чистая работа, выполненная системой.Поскольку Δ U = 0 для полного цикла, мы имеем 0 = Q — W , так что W = Q .
Таким образом, чистая работа, выполняемая системой, равна чистой теплопередаче в систему, или W = Q h — Q c (циклический процесс), как схематично показано на рисунке 3b. Проблема в том, что во всех процессах происходит некоторая передача тепла в окружающую среду, причем обычно очень значительную.
При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получения меньшего количества энергии, чем мы вкладываем. Мы определяем эффективность преобразования Eff как отношение полезной выходной работы к вложенной энергии (или, в другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). В этом духе мы определяем эффективность теплового двигателя как его полезную мощность Вт, , деленную на передачу тепла двигателю Q ч ; то есть
[латекс] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex]
Поскольку W = Q h — Q c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как
[латекс] Eff = \ frac {Q _ {\ text {h}} — Q _ {\ text {c}}} {Q _ {\ text {h}}} = 1- \ frac {Q _ {\ text {c} }} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex] (циклический процесс),
, поясняющий, что эффективность 1, или 100%, возможна только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду ( Q c = 0).Обратите внимание, что все Q положительны. Направление теплопередачи обозначается знаком плюс или минус. Например, Q c находится вне системы, поэтому перед ним стоит знак минус.
Угольная электростанция — это огромная тепловая машина. Он использует теплопередачу от сжигания угля для работы по включению турбин, которые используются для выработки электроэнергии.За один день большая угольная электростанция имеет 2,50 × 10 14 Дж теплопередачи от угля и 1,48 × 10 14 Дж теплопередачи в окружающую среду.
Мы можем использовать Вт = Q h — Q c , чтобы найти выходную мощность Вт , предполагая, что на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для запуска паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.{14} \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex]
Эффективность может быть рассчитана с помощью [latex] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], поскольку дано Q h , а работа W была найдена в первая часть этого примера.
Эффективность определяется по формуле: [latex] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex]. Работа W только что была найдена равной 1,02 × 10 14 Дж, и дано Q h , поэтому эффективность равна
.[латекс] \ begin {array} {lll} Eff & = & \ frac {1.{14} \ text {J}} \\\ text {} & = & 0.408 \ text {, или} 40.8 \% \ end {array} \\ [/ latex]
Суточное потребление угля рассчитывается с использованием информации о том, что каждый день имеет место 2,50 × 10 14 Дж теплопередачи от угля. В процессе горения имеем C + O 2 → CO 2 . Таким образом, каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг CO 2 .
Суточное потребление угля
[латекс] \ frac {2.8 \ text {кг CO} _2 \\ [/ латекс]
Это 370 000 метрических тонн CO 2 , производимых ежедневно.
Если вся производимая работа преобразуется в электричество в течение одного дня, средняя выходная мощность составит 1180 МВт (это остается вам как проблема в конце главы). Это значение примерно соответствует размеру крупномасштабной традиционной электростанции. Обнаруженный КПД приемлемо близок к значению 42%, указанному для угольных электростанций. Это означает, что 59,2% энергии приходится на передачу тепла в окружающую среду, что обычно приводит к потеплению озер, рек или океана вблизи электростанции, и в целом способствует потеплению планеты.Хотя законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, в том числе установок, работающих на ядерном топливе, нефти и природном газе, передача тепла в окружающую среду может использоваться и иногда используется для отопления домов или промышленных процессов. В целом низкая стоимость энергии не сделала экономичным более эффективное использование отходящего тепла от большинства тепловых двигателей. Угольные электростанции производят наибольшее количество CO 2 на единицу выработанной энергии (по сравнению с природным газом или нефтью), что делает уголь наименее эффективным ископаемым топливом.
Обладая информацией, приведенной в Примере 1, мы можем найти такие характеристики, как эффективность теплового двигателя, не зная, как работает тепловой двигатель, но более детальное изучение механизма двигателя даст нам более глубокое понимание. На рисунке 4 показана работа обычного четырехтактного бензинового двигателя. Показанные четыре этапа завершают цикл этого теплового двигателя, возвращая бензиново-воздушную смесь в исходное состояние.
Рис. 4. В четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания передача тепла в работу происходит в циклическом процессе, показанном здесь.Поршень соединен с вращающимся коленчатым валом, который одновременно выполняет работу с газом в цилиндре. (а) Во время такта впуска воздух смешивается с топливом. (b) Во время такта сжатия топливовоздушная смесь быстро сжимается, что является почти адиабатическим процессом, поскольку поршень поднимается при закрытых клапанах. Работа сделана на газе. (c) Рабочий ход состоит из двух отдельных частей. Сначала воспламеняется топливно-воздушная смесь, почти мгновенно преобразующая химическую потенциальную энергию в тепловую, что приводит к значительному увеличению давления.Затем поршень опускается, и газ действует, передавая силу на расстоянии, что является почти адиабатическим процессом. (d) Такт выпуска вытесняет горячий газ, чтобы подготовить двигатель к следующему циклу, начиная с такта впуска.
Цикл Отто , показанный на рис. 5а, используется в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, хотя на самом деле истинные траектории цикла Отто не соответствуют точно тактам двигателя.
Адиабатический процесс AB соответствует почти адиабатическому такту сжатия бензинового двигателя.В обоих случаях производится работа с системой (газовой смесью в баллоне), повышая ее температуру и давление. По пути BC цикла Отто теплопередача Q h в газ происходит при постоянном объеме, вызывая дальнейшее повышение давления и температуры. Этот процесс соответствует сжиганию топлива в двигателе внутреннего сгорания и происходит так быстро, что объем почти постоянный. Путь CD в цикле Отто — это адиабатическое расширение, которое действительно работает во внешнем мире, точно так же, как рабочий такт двигателя внутреннего сгорания при его почти адиабатическом расширении.Работа, выполняемая системой по пути CD, больше, чем работа, выполняемая системой по пути AB, потому что давление больше, и, следовательно, имеется чистый выход работы. По пути DA в цикле Отто теплообмен Q c от газа при постоянном объеме снижает его температуру и давление, возвращая его в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания этот процесс соответствует выхлопу горячих газов и всасыванию воздушно-бензиновой смеси при значительно более низкой температуре.В обоих случаях на этом конечном пути происходит передача тепла в окружающую среду.
Рис. 5. Диаграмма упрощенного цикла Отто, аналогичного тому, который используется в двигателе внутреннего сгорания. Точка А соответствует началу такта сжатия двигателя внутреннего сгорания. Траектории AB и CD являются адиабатическими и соответствуют тактам сжатия и мощности двигателя внутреннего сгорания соответственно. Пути BC и DA изохоричны и дают результаты, аналогичные результатам для участков зажигания и выпуска-впуска, соответственно, цикла двигателя внутреннего сгорания.Работа выполняется с газом по пути AB, но больше работы выполняется с газом по пути CD, так что имеется чистый выход работы.
Чистая работа, выполняемая циклическим процессом, — это область внутри замкнутого пути на диаграмме PV , такой как внутренний путь ABCDA на рисунке 5. Обратите внимание, что во всех мыслимых циклических процессах это абсолютно необходимо для передачи тепла от система должна возникать, чтобы получить чистый результат работы. В цикле Отто теплообмен происходит по пути DA. Если теплопередачи не происходит, то обратный путь тот же, а полезная мощность равна нулю.Чем ниже температура на пути AB, тем меньше работы требуется для сжатия газа. Тогда площадь внутри замкнутого пути больше, поэтому двигатель выполняет больше работы и, следовательно, более эффективен. Точно так же, чем выше температура на пути CD, тем больше выходная мощность. (См. Рис. 6.) Таким образом, эффективность зависит от температуры горячего и холодного резервуаров. В следующем разделе мы увидим, каков абсолютный предел эффективности теплового двигателя и как он связан с температурой.
Рис. 6. Этот цикл Отто дает больший объем работы, чем цикл на рис. 5, потому что начальная температура пути CD выше, а начальная температура пути AB ниже. Площадь внутри петли больше, что соответствует большему выходу чистой работы.
необратимый процесс: любой процесс, зависящий от направления пути
второй закон термодинамики: теплопередача течет от более горячего к более холодному объекту, а не наоборот, и некоторая тепловая энергия в любом процессе теряется на доступную работу в циклическом процессе
циклический процесс: процесс, в котором путь возвращается в исходное состояние в конце каждого цикла
Цикл Отто: термодинамический цикл, состоящий из пары адиабатических процессов и пары изохорных процессов, который преобразует тепло в работу, т.е.г., четырехтактный двигатель, цикл впуска, сжатия, зажигания и выпуска
1. (а) 18,5 кДж; (б) 54,1%
3. (а) 1.32 × 10 9 Дж; (б) 4.68 × 10 9 Дж
5. (а) 3.80 × 10 9 Дж; (б) 0,667 баррелей
7. (а) 8,30 × 10 12 Дж, что составляет 3,32% от 2,50 × 10 14 Дж; (б) –8,30 × 10 12 Дж, где отрицательный знак указывает на снижение теплопередачи в окружающую среду.
На большей части северного полушария лето в самом разгаре. Наряду с обычными палящими температурами и крайне неудобными условиями для людей, существуют рекомендации по жаре, выпущенные такими организациями, как Национальная метеорологическая служба, для обеспечения безопасности людей.
Но не только люди и другие животные подвергаются риску от жары. Поскольку многие места высыхают, риск возгорания значительно возрастает. Запреты на сжигание введены в десятках графств. Замкнутые пространства тоже представляют опасность; они могут очень быстро сильно нагреться, например, в закрытой машине. Хотя существует множество предупреждений об этих опасностях, появилось новое тревожное предупреждение: утверждается, что полный бензобак может самопроизвольно взорваться в жаркий день. Предупреждения становятся вирусными во многих частях мира, но является ли это законным беспокойством? Давайте посмотрим на науку, чтобы узнать.
Неизвестно; ложно приписывается Пакистанской государственной нефти (PSO)Во-первых, здесь есть абсолютно физическая доля правды. Если вы возьмете любой закрытый контейнер фиксированного объема и закачаете в него достаточно газа под достаточным давлением, он в конечном итоге взорвется. Это тот же принцип, что и при лопании чрезмерно надутого шара: когда внутреннее давление, толкающее наружу, слишком велико для того, чтобы выдержать стенки контейнера, произойдет разрыв, и газ под высоким давлением, захваченный внутри, взорвется.
Для наглядного примера просто положите немного сухого льда в пустую бутылку из-под газировки, плотно закрутите крышку и отойдите. По мере сублимации сухого льда бутылка наполняется (а затем переполняется) газом CO2. При достижении критического давления бутылка из-под газировки выдастся, и самодельная бомба под давлением взорвется.
С бензином в заправленном автомобильном топливном баке опасность гораздо более ощутима. Вместо простой шрапнели у вас будет около пятнадцати галлонов легковоспламеняющихся взрывчатых веществ в одном контейнере.Если давление и температура увеличиваются до такой степени, что он воспламеняется, он может высвободить всю накопленную энергию сразу. Галлон бензина, что довольно удивительно для многих, содержит колоссальные 33,4 киловатт-часа энергии внутри него
Это означает, что если вы взорвете его и сожжете всю эту энергию за один момент, 15 галлонов газа вызовут взрыв, эквивалентный 860 фунтам (390 кг) в тротиловом эквиваленте. Это много взрывной энергии, хранящейся в обычном, полном бензобаке!
Дэйв Кишан / flickrНо для того, чтобы получить взрыв любого типа, вам потребуется одно из двух:
Любой из них может привести к катастрофе. К счастью, ни одно из них не может произойти даже при самых высоких температурах, когда-либо достигнутых на Земле.
Очень важно предотвратить возникновение нежелательного давления; Любой фанат Симпсонов помнит, что вентиляция предотвращает взрыв.Вплоть до 1960-х годов автомобили проектировались с вентилируемыми крышками бензобака. Это было самое простое решение для предотвращения повышения давления: в газовой крышке было отверстие. Без замкнутой системы повышение давления было невозможно, так как воздух мог выходить или входить для стабилизации давления.
Однако, поскольку это также позволило топливу вытекать или разбрызгиваться, их использование постепенно прекращалось в пользу систем контроля за выбросами в атмосферу (EVAP). Вместо уравновешивания с внешним воздухом будет газовая линия к удерживающему механизму, который будет поддерживать стабильное давление.Он будет удерживать топливо при высоком давлении и возвращать его в основной бак, когда давление возвращается к норме.
ООО «Роберт Бош»В 1971 году EPA установило правило, согласно которому все автомобили с двигателем внутреннего сгорания должны иметь систему EVAP. Даже если вы установите невентилируемую газовую крышку на автомобиль без системы EVAP, или если система EVAP выйдет из строя, все равно нет возможности для повышения давления до достаточно большого количества, чтобы вызвать разрыв.Это обеспечивается простым периодическим открытием крышки бензобака для дозаправки. В условиях, достигнутых здесь, на Земле, бензобак будет невосприимчив к такому взрыву.
Как быть с другим вариантом? О возможности самовозгорания топлива внутри бензобака?
Рамиро Баррейро / Wikimedia CommonsЭто законное беспокойство, поскольку температура в закрытых помещениях действительно сильно повышается. Но вы должны быть осторожны, чтобы различать две важные температуры:
В качестве топлива в вашем автомобиле вам нужна низкая точка воспламенения (чтобы ваш автомобиль заводился даже в холодную погоду), но высокая температура самовоспламенения, чтобы вы не получили самовозгорания ни при каких условиях. Для этих целей невозможно найти лучшего топлива, чем обычный бензин.
Джо Холл / quoraЕго температура вспышки чрезвычайно низкая: -45 ° F (-43 ° C), что означает, что даже в очень холодных зимних условиях ваш автомобиль все равно должен заводиться. Но температура самовоспламенения чрезвычайно высока: 536 ° F (280 ° C): выше, чем у дизельного двигателя и топлива для реактивных двигателей. Максимальная температура внутри работающего двигателя в чрезвычайно жаркий день составляет около 130 ° C (270 ° F), что на сотни градусов ниже, чтобы вызвать самовоспламенение.
Единственная опасность, которую вы испытываете от полного бензобака в жаркий день, — это та же опасность, что и каждый день: если у вас негерметичная газовая линия и искра, вероятность катастрофы катастрофически велика.
Если бы бензин действительно представлял опасность взрыва из-за нарастания чрезвычайно высокого давления, оставить его наполовину полным не было бы большой контрмерой. Подобно тому, как один кубик сухого льда размером с вашу костяшку пальцев может создать бомбу под давлением из бутылки с газировкой, летучая жидкость, которая может превратиться в газ, может вызвать аналогичный эффект.К счастью, бензин достигает равновесия при очень низком давлении относительно устойчивости бензобака, а вентилируемые крышки и системы EVAP более чем достаточны для поддержания постоянного низкого давления. Опасность самовозгорания равна нулю при температурах, достигнутых на Земле; если бы мы были на Венере или Меркурии, все было бы иначе. (Но опять же, наши автомобили тоже.) В жаркий день существует множество опасностей, о которых нам следует беспокоиться и принимать меры предосторожности. Когда дело доходит до топлива, полный бензобак не представляет опасности, но его отсутствие в жару может быть смертельно опасным.Доливайтесь уверенно, несите воду и будьте в безопасности.
На природном газе работают более 175 000 автомобилей в США и примерно 23 миллиона автомобилей по всему миру. Транспортные средства, работающие на природном газе (NGV), являются хорошим выбором для транспортных средств с большим пробегом и централизованно заправляемым топливом, поскольку они могут обеспечить аналогичный запас топлива для приложений, не задействованных на дальних маршрутах, где заправочных станций может стать мало.Для транспортных средств, которые путешествуют на большие расстояния, сжиженный природный газ (СПГ) предлагает более высокую плотность энергии, чем КПГ, что означает, что диапазон топлива более сопоставим с обычным топливом. Преимущества природного газа в качестве транспортного топлива включают его доступность на внутреннем рынке, широкую распределительную инфраструктуру и снижение выбросов парниковых газов по сравнению с обычным бензином и дизельным топливом.
КПГ и СПГ считаются альтернативными видами топлива в соответствии с Законом об энергетической политике 1992 года. Мощность, ускорение и крейсерская скорость газомоторных транспортных средств сопоставимы с аналогичными транспортными средствами, работающими на традиционном топливе.Кроме того, по сравнению с обычными дизельными и бензиновыми автомобилями, газомоторные автомобили имеют другие преимущества в отношении качества воздуха.
Легкие, средние и тяжелые газомоторные автомобили доступны от производителей оригинального оборудования, а также варианты транспортных средств средней и большой грузоподъемности, доступные через квалифицированных специалистов по модернизации системы. Квалифицированные специалисты по модернизации систем могут также экономично, безопасно и надежно переоборудовать многие автомобили для работы на природном газе с помощью систем переоборудования вторичного рынка.
Есть три типа газомоторных автомобилей:
Легковые автомобили обычно оснащены специализированными или двухтопливными системами, а тяжелые автомобили используют специализированные или двухтопливные системы.Транспортные средства, работающие на КПГ, хранят природный газ в резервуарах, где он остается в газообразном состоянии. На борту транспортного средства, использующего СПГ, может храниться больше топлива, поскольку топливо хранится в виде жидкости, что делает его плотность энергии выше, чем у КПГ. Это делает СПГ подходящим для грузовиков классов 7 и 8, требующих большей дальности. Часто выбор топлива определяется такими факторами, как потребности транспортного средства (например, требования к мощности) и требуемый запас хода.
Запас хода у газомоторных автомобилей обычно меньше, чем у сопоставимых автомобилей с дизельным или бензиновым двигателем из-за более низкой плотности энергии природного газа.Дополнительные резервуары для хранения могут увеличить дальность полета, но дополнительный вес может уменьшить грузоподъемность.
Первый закон термодинамики гласит, что тепло является формой энергии, и поэтому термодинамические процессы подчиняются принципу сохранения энергии. Это означает, что тепловая энергия не может быть создана или уничтожена. Однако ее можно переносить из одного места в другое и преобразовывать в другие формы энергии и обратно.
Термодинамика — это раздел физики, изучающий отношения между теплом и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, и как она влияет на материю. Основные принципы термодинамики выражаются в четырех законах.
«Первый закон гласит, что внутренняя энергия системы должна быть равна работе, которая выполняется в системе, плюс или минус тепло, которое течет в систему или выходит из нее, и любая другая работа, которая выполняется в системе. система «, — сказал Саибал Митра, профессор физики в Государственном университете Миссури.«Итак, это повторное заявление о сохранении энергии».
Митра продолжил: «Изменение внутренней энергии системы — это сумма всех входов и выходов энергии в систему и из нее, аналогично тому, как все депозиты и снятия средств, которые вы делаете, определяют изменения в вашем банковском балансе». Математически это выражается следующим образом: Δ U = Q — Вт , где Δ U — изменение внутренней энергии, Q — тепло, добавленное к системе, а Вт — работа. сделано системой.
Ученые конца 18-го и начала 19-го веков придерживались теории калорийности, впервые предложенной Антуаном Лавуазье в 1783 году и дополнительно подкрепленной работой Сади Карно в 1824 году, согласно Американскому физическому обществу. Теория калорий рассматривала тепло как своего рода жидкость, которая естественным образом перетекает из горячих регионов в холодные, как вода течет из высоких мест в нижние. Когда эта калорийная жидкость перетекала из горячего региона в холодный, ее можно было преобразовать в кинетическую энергию и заставить выполнять работу так же, как падающая вода может приводить в движение водяное колесо.Только после того, как в 1879 году Рудольф Клаузиус опубликовал «Механическую теорию тепла», теория калорийности была окончательно остановлена.
Энергия может быть разделена на две части, по словам Дэвида Макки, профессора физики Южного государственного университета Миссури. Один из них — это макроскопический вклад человека в масштабе человека, например, поршень, который движется и толкает газовую систему. И наоборот, вещи происходят в очень крошечном масштабе, когда мы не можем отслеживать индивидуальный вклад.
Макки объясняет: «Когда я кладу два образца металла друг против друга, и атомы грохочут на границе, и два атома отскакивают друг от друга, и один из них отрывается быстрее, чем другой, я могу». t отслеживать это. Это происходит в очень маленьком масштабе времени и на очень маленьком расстоянии, и это происходит много, много раз в секунду. Итак, мы просто делим всю передачу энергии на две группы: то, что мы собираемся отслеживать, и то, что мы не собираемся отслеживать.Последнее из них мы называем жаром ».
Термодинамические системы обычно считаются открытыми, закрытыми или изолированными. Согласно Дэвису из Калифорнийского университета, открытая система свободно обменивается энергией и веществом со своим окружением; замкнутая система обменивается с окружающей средой энергией, но не материей; и изолированная система не обменивается энергией или веществом со своим окружением. Например, котелок с кипящим супом получает энергию от плиты, излучает тепло от сковороды и испускает вещество в виде пара, который также уносит тепловую энергию.Это будет открытая система. Если мы закроем кастрюлю плотной крышкой, она все равно будет излучать тепловую энергию, но больше не будет выделять материю в виде пара. Это будет закрытая система. Однако, если бы мы перелили суп в идеально изолированную термос и закрыли крышку, не было бы ни энергии, ни материи, входящей или выходящей из системы. Это была бы изолированная система.
Однако на практике полностью изолированных систем не может быть. Все системы передают энергию окружающей среде посредством излучения, независимо от того, насколько хорошо они изолированы.Суп в термосе будет оставаться горячим только несколько часов, а к следующему дню достигнет комнатной температуры. В другом примере белые карлики, горячие остатки сгоревших звезд, которые больше не производят энергию, могут быть изолированы световыми годами почти идеального вакуума в межзвездном пространстве, но в конечном итоге они остынут с нескольких десятков тысяч градусов. почти до абсолютного нуля из-за потерь энергии из-за излучения. Хотя этот процесс занимает больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, остановить его невозможно.
Наиболее частым практическим применением Первого закона является тепловая машина. Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую и наоборот. Большинство тепловых двигателей относятся к категории открытых систем. Основной принцип теплового двигателя основан на соотношении тепла, объема и давления рабочей жидкости. Эта жидкость обычно является газом, но в некоторых случаях она может претерпевать фазовые переходы из газа в жидкость и обратно в газ во время цикла.
При нагревании газ расширяется; однако, когда этот газ ограничен, его давление увеличивается.Если нижняя стенка камеры удержания является верхней частью подвижного поршня, это давление оказывает давление на поверхность поршня, заставляя его двигаться вниз. Затем это движение можно использовать для выполнения работы, равной суммарной силе, приложенной к верхней части поршня, умноженной на расстояние, на которое перемещается поршень.
Существует множество вариантов основного теплового двигателя. Например, паровые двигатели используют внешнее сгорание для нагрева резервуара котла, содержащего рабочую жидкость, обычно воду.Вода превращается в пар, и давление затем используется для приведения в действие поршня, который преобразует тепловую энергию в механическую. Однако автомобильные двигатели используют внутреннее сгорание, при котором жидкое топливо испаряется, смешивается с воздухом и воспламеняется внутри цилиндра над подвижным поршнем, движущим его вниз.
Холодильники и тепловые насосы — это тепловые двигатели, преобразующие механическую энергию в тепло. Большинство из них относятся к категории закрытых систем.Когда газ сжимается, его температура повышается. Затем этот горячий газ может передавать тепло окружающей среде. Затем, когда сжатому газу позволяют расширяться, его температура становится ниже, чем была до его сжатия, потому что часть его тепловой энергии была удалена во время горячего цикла. Затем этот холодный газ может поглощать тепловую энергию из окружающей среды. Это принцип работы кондиционера. На самом деле кондиционеры не производят холода; они отводят тепло. Рабочая жидкость перекачивается механическим насосом наружу, где нагревается за счет сжатия.Затем он передает это тепло в окружающую среду, обычно через теплообменник с воздушным охлаждением. Затем его возвращают в помещение, где ему позволяют расшириться и охладиться, чтобы он мог поглощать тепло из воздуха в помещении через другой теплообменник.
Тепловой насос — это просто кондиционер, работающий в обратном направлении. Тепло сжатого рабочего тела используется для обогрева здания. Затем он переносится наружу, где расширяется и становится холодным, тем самым позволяя ему поглощать тепло из внешнего воздуха, который даже зимой обычно теплее, чем холодная рабочая жидкость.
В геотермальных или наземных системах кондиционирования воздуха и тепловых насосов используются длинные U-образные трубы в глубоких скважинах или массив горизонтальных труб, заглубленных на большой площади, по которым циркулирует рабочая жидкость, а тепло передается на землю или от нее. . В других системах для нагрева или охлаждения рабочей жидкости используется вода из рек или океана.
Дополнительные ресурсы
Вот еще три объяснения Первого закона термодинамики:
Примечание для новых читателей: в этой статье исследуются последствия использования такого большого количества топлива для производства продуктов питания.Если вы выходите из этого, думая, что он говорит вам водить машину, а не заниматься спортом, вы не читали это! Но если вам нравятся такие удивительные цифры, просмотрите остальную часть моего раздела Going Green и другие разделы.
В своем растущем исследовании экономики транспортной энергетики я наткнулся на довольно удивительное исследование. Мне всегда нравятся дискуссии об анализе общих затрат — я пытаюсь выяснить истинную стоимость энергии вещей, добавляя энергию, потраченную где-то еще, чтобы что-то произошло.(Например, энергия, необходимая для плавки металлов в вашем автомобиле, значительно увеличивает его стоимость энергии.)
Люди умеренно эффективны. При ходьбе средний человек сжигает около 100 калорий на милю со скоростью 3 мили в час, или 300 в час, а сидя в течение того же часа сжигает около 80 калорий, просто согревая вас. Другими словами, ходьба на 3 мили потребляет около 220 дополнительных калорий. Калории — это килокалории, а одна калория / ккал составляет около 4 БТЕ, 4200 джоулей или 1,63 ватт-часа.
При ходьбе 1 миля сжигается лишние 74 калории, а на велосипеде мы намного лучше.Поездка на велосипеде со скоростью 10 миль в час требует примерно 38 дополнительных калорий, чем сидя. Опять же, это лишних калорий.
В галлоне бензина содержится около 31 500 калорий, так что вы можете представить, что получаете 815 миль на галлон на велосипеде и 400 миль на галлон при ходьбе. Вполне нормально. (Если вы не сравните его с электросамокатом, который, оказывается, дает эквивалент 1200 миль на галлон от чистого электричества, если вы допускаете такое же идеальное преобразование.)
Но есть проблема. В США мы потребляем в среднем около 2700 калорий в день, почти все они производятся в агробизнесе.Которая работает на ископаемом топливе. Ископаемое топливо является удобрением. Они управляют машинами. Обработка, транспортировка и охлаждение продуктов. Во многих случаях наша пища — коровы — съедает еще больше продуктов, произведенных с очень высокими затратами энергии.
Я покопался в оценках и обнаружил, что сельское хозяйство США использует около 400 эквивалентов бензина на галлон на одного американца. Или 1,1 галлона в день, или около 10 калорий (40 БТЕ) из нефти / газа на каждую калорию пищи. Для говядины это намного хуже, так как около 40 калорий нефти / газа (160 БТЕ) используются для производства одной калории мясной полезности.
Вы можете видеть, к чему это идет. Я не первый, кто в этом разбирается, но стоит повторить. Ваша 3-мильная прогулка сожгла 220 дополнительных калорий за время сидения, но потребовала 2200 калорий ископаемого топлива. Это 1/14 галлона бензина (9 унций) Таким образом, вы получаете около 42 миль на галлон ископаемого топлива.
Если вы едите много говядины или другого домашнего скота и хотите считать, что ваша дополнительная еда сделана из говядины, это около 10 миль на галлон.Хаммер лучше!
Так что да, если вы водите свой Prius, а не ходите пешком, он будет сжигать меньше ископаемого топлива. Если два человека будут ездить в более обычной машине, они будут сжигать меньше ископаемого топлива, чем они оба при ходьбе.
Велосипед лучше. Велосипедист со средним питанием получает 85 миль на галлон ископаемого топлива. Все же лучше на 2 делить Приус. Бифитер по-прежнему только на 1/4 хуже. При расходе 21 миль на галлон он лучше, чем Хаммер, но не , а намного лучше.
Это сравнение топлива с топливом.Топливо, сжигаемое в автомобилях, — это то же самое топливо, которое сжигают в тракторах. Его добыча и транспортировка требуют дополнительных затрат энергии, но это в равной степени относится к обоим случаям. И да, конечно, у этого упражнения есть и другие преимущества, чем добраться из пункта А в пункт Б. И мы не учли ряд других внешних затрат, связанных с поездкой на автомобиле, но они все же не делают это открытие менее примечательным. (И этот результат также не говорит о том, что нельзя по-прежнему ходить пешком или ездить на велосипеде, скорее, он предполагает, что мы должны делать нашу еду более эффективно.)
И нет, выбор транзита не поможет. Системы общественного транспорта в среднем лишь незначительно экологичнее автомобилей. Городские автобусы, по сути, потребляют столько же энергии на пассажиро-милю, что и обычные автомобили. Легкорельсовый транспорт иногда в 2, а редко даже в 3 раза лучше, чем автомобили, но в некоторых городах, таких как Сан-Хосе, он потребляет почти в два раза больше энергии на одного пассажира, чем легковые автомобили. Разумеется, использование существующих транспортных средств, которые уже работают, является зеленым, а строительство неэффективных линий — нет.
Многие люди воспринимают эту идею как осуждение езды на велосипеде или физических упражнений. Это не так. Велоспорт — мое любимое упражнение. Это осуждение того, сколько ископаемого топлива используется в сельском хозяйстве. И, в гораздо меньшей степени, тревожным сигналом для людей, которые придерживаются обычной диеты, что они не могут утверждать, что их путешествие с участием человека является полезным для планеты — просто полезно для них. Для планеты было бы хорошо, если бы придерживались диеты, не связанной с агробизнесом, а также ходили пешком или на велосипеде. Однако важнее то, как выращивается ваша еда, чем ее происхождение.Это сельское хозяйство, а не судоходство, это большой пожиратель энергии.
Очевидно, что если вам все равно понадобится упражнение, выполнение его при переходе из пункта А в пункт Б не приведет к сжиганию лишнего масла. Путешествие, приводимое в движение человеком, намного превышает потребность в физических упражнениях — единственное, что могло бы повредить, если бы оно подпитывалось сельским хозяйством США. И придерживаться высококалорийной диеты и не заниматься спортом было бы так же плохо.
Удачной еды!
Как я заметил, поскольку большинству из нас все равно нужно заниматься спортом, это вовсе не осуждение ходьбы и езды на велосипеде, а скорее из-за количества ископаемого топлива, которое используется в сельском хозяйстве.Тем не менее, многие люди все еще находят в этом анализе ошибки, которых я не думаю.
(обновлено в апреле 2021 г.)
Как и во всех других отраслях, при производстве электроэнергии образуются отходы. Какое бы топливо ни использовалось, с отходами, образующимися при производстве электроэнергии, необходимо обращаться таким образом, чтобы защитить здоровье человека и свести к минимуму воздействие на окружающую среду.
Для радиоактивных отходов это означает их изоляцию или разбавление таким образом, чтобы скорость или концентрация любых радионуклидов, возвращаемых в биосферу, была безвредной. Для этого практически все радиоактивные отходы содержатся и обрабатываются, а некоторые явно нуждаются в глубоком и постоянном захоронении.От производства ядерной энергии, в отличие от всех других форм производства тепловой электроэнергии, все отходы регулируются — ни один из них не может вызывать загрязнение.
Атомная энергетика характеризуется очень большим количеством энергии, вырабатываемой из очень небольшого количества топлива, и количество отходов, образующихся в ходе этого процесса, также относительно невелико. Однако большая часть образующихся отходов радиоактивна, и поэтому с ними необходимо осторожно обращаться как с опасными материалами. На всех этапах ядерного топливного цикла образуются радиоактивные отходы, и затраты на обращение с ними и их утилизацию являются частью затрат на электроэнергию ( i.е. усвоено и оплачено потребителями электроэнергии).
Необходимо безопасно обращаться со всеми токсичными отходами, а не только с радиоактивными отходами, а в странах с ядерной энергетикой радиоактивные отходы составляют очень небольшую долю от общего количества образующихся промышленных опасных отходов.
Радиоактивные отходы не уникальны для ядерного топливного цикла. Радиоактивные материалы широко используются в медицине, сельском хозяйстве, исследованиях, производстве, неразрушающем контроле и разведке полезных ископаемых.В отличие от других опасных промышленных материалов, уровень опасности всех радиоактивных отходов — их радиоактивность — со временем снижается.
Радиоактивные отходы включают любые материалы, которые либо являются радиоактивными по своей природе, либо были загрязнены радиоактивностью и которые считаются непригодными для дальнейшего использования. Политика правительства определяет, будут ли определенные материалы, такие как отработанное ядерное топливо и плутоний, классифицироваться как отходы.
Каждый радионуклид имеет период полураспада — время, необходимое для распада половины его атомов и, таким образом, потери половины своей радиоактивности.Радионуклиды с длинным периодом полураспада, как правило, являются альфа- и бета-излучателями, что упрощает обращение с ними, в то время как радионуклиды с коротким периодом полураспада, как правило, излучают более проникающие гамма-лучи. В конце концов все радиоактивные отходы распадаются на нерадиоактивные элементы. Чем радиоактивнее изотоп, тем быстрее он распадается. Радиоактивные отходы обычно классифицируются как низкоактивные (НАО), среднеактивные (САО) или высокоактивные (ВАО), в зависимости, в первую очередь, от уровня их радиоактивности.
Низкоактивные отходы (НАО) имеют радиоактивное содержание, не превышающее четырех гигабеккерелей на тонну (ГБк / т) альфа-активности или 12 ГБк / т бета-гамма-активности.НАО не требуют защиты при обращении и транспортировке и подходят для захоронения на приповерхностных объектах.
НАО образуются в больницах и промышленности, а также в ядерном топливном цикле. Он включает бумагу, тряпки, инструменты, одежду, фильтры, и т. Д. , которые содержат небольшие количества, в основном, короткоживущей радиоактивности. Для уменьшения объема НАО перед захоронением часто уплотняют или сжигают. НАО составляют около 90% объема, но только 1% радиоактивности всех радиоактивных отходов.
Промежуточные отходы (САО) более радиоактивны, чем НАО, но выделяемого ими тепла (<2 кВт / м 3 ) недостаточно для учета при проектировании или выборе хранилищ и хранилищ. Из-за более высокого уровня радиоактивности СЗО требует некоторого экранирования.
ILW обычно включает смолы, химические шламы и металлическую оболочку твэлов, а также загрязненные материалы, полученные при снятии реактора с эксплуатации.Более мелкие предметы и любые нетвердые частицы могут быть затвердевшими в бетоне или битуме для утилизации. Это около 7% объема и 4% радиоактивности всех радиоактивных отходов.
Высокоактивные отходы (ВАО) достаточно радиоактивны, чтобы их тепло распада (> 2 кВт / м 3 ) могло значительно повысить их температуру и температуру окружающей среды. В результате ВАО требуют охлаждения и защиты.
ВАО образуются в результате «сжигания» уранового топлива в ядерном реакторе.ВАО содержат продукты деления и трансурановые элементы, образующиеся в активной зоне реактора. На долю ВАО приходится всего 3% от объема, но 95% от общей радиоактивности образующихся отходов. Существует два различных вида ВАО:
ВАО содержат как долгоживущие, так и короткоживущие компоненты, в зависимости от того, сколько времени потребуется, чтобы радиоактивность определенных радионуклидов снизилась до уровней, которые считаются безопасными для людей и окружающей среды.Если обычно короткоживущие продукты деления можно отделить от долгоживущих актинидов, это различие становится важным при обращении с ВАО и их захоронении.
ВАО находятся в центре внимания ядерной энергетики, и с ними обращаются соответственно.
Исключенные отходы и очень низкоактивные отходы (ОНАО) содержат радиоактивные материалы на уровне, который не считается вредным для людей или окружающей среды. Он состоит в основном из снесенных материалов (таких как бетон, гипс, кирпич, металл, клапаны, трубопроводы, и т. Д.).No ), образовавшиеся при восстановительных или демонтажных работах на промышленных объектах атомной энергетики. Другие отрасли, такие как пищевая, химическая, сталелитейная, и т. Д. , также производят ОНАО в результате концентрации естественной радиоактивности, присутствующей в определенных минералах, используемых в их производственных процессах (см. Также информационную страницу о радиоактивных материалах естественного происхождения) . Поэтому отходы утилизируются вместе с бытовыми отходами, хотя такие страны, как Франция, в настоящее время разрабатывают специально спроектированные установки для захоронения ОНАО.
(См. Также информационную страницу «Ядерный топливный цикл».)
Радиоактивные отходы образуются на всех стадиях ядерного топливного цикла — процесса производства электроэнергии из ядерных материалов. Топливный цикл включает в себя добычу и переработку урановой руды, ее переработку и производство в ядерное топливо, ее использование в реакторе, ее переработку (если она проводится), переработку отработанного топлива, взятого из реактора, и, наконец, утилизацию отработанного топлива. напрасно тратить.В то время как отходы образуются при добыче и переработке и производстве топлива, большая часть (с точки зрения радиоактивности) образуется в результате фактического «сжигания» урана для производства электроэнергии. При переработке использованного топлива количество отходов существенно уменьшается.
При традиционной добыче урана образуются мелкие песчаные хвосты, которые содержат практически все естественные радиоактивные элементы, обнаруженные в урановой руде. Хвосты собираются в спроектированных плотинах и, наконец, покрываются слоем глины и породы, чтобы предотвратить утечку газа радона и обеспечить долгосрочную стабильность.В краткосрочной перспективе хвостохранилище часто покрывается водой. Через несколько месяцев в хвостах содержится около 75% радиоактивности исходной руды. Строго говоря, они не относятся к радиоактивным отходам.
Концентрат оксида урана, добываемый в горнодобывающей промышленности, по сути «желтый кек» (U 3 O 8 ), не является значительно радиоактивным — едва ли в большей степени, чем гранит, используемый в зданиях. Он очищается, а затем превращается в газообразный гексафторид урана (UF 6 ).Как газ, он подвергается обогащению для увеличения содержания U-235 с 0,7% до примерно 3,5%. Затем он превращается в твердый оксид керамики (UO 2 ) для сборки в качестве топливных элементов реактора.
Основным побочным продуктом обогащения является обедненный уран (DU), главным образом изотоп U-238, который хранится либо как UF 6 , либо как U 3 O 8 . Некоторый DU используется там, где его чрезвычайно высокая плотность делает его ценным, например, для килей яхт и военных снарядов.Он также используется (с регенерированным плутонием) для производства смешанного оксидного (МОКС) топлива и для разбавления высокообогащенного урана из демонтированного оружия, который затем может использоваться в качестве реакторного топлива (см. Страницы, посвященные урану и обедненному урану и боевым боеголовкам в качестве источника). ядерного топлива).
Что касается радиоактивности, то основным источником, связанным с использованием ядерных реакторов для выработки электроэнергии, являются материалы, классифицируемые как ВАО. Высокорадиоактивные продукты деления и трансурановые элементы производятся из урана и плутония во время работы реактора и содержатся в отработанном топливе.Если страны приняли замкнутый цикл и перерабатывают отработанное топливо, продукты деления и второстепенные актиниды отделяются от урана и плутония и рассматриваются как ВАО (см. Ниже). В странах, где отработанное топливо не перерабатывается, само отработанное топливо считается отходами и, следовательно, классифицируется как ВАО.
НАО и САО образуются в результате общих операций, таких как очистка систем охлаждения реактора и бассейнов для хранения топлива, а также дезактивация оборудования, фильтров и металлических компонентов, ставших радиоактивными в результате их использования на территории или поблизости от нее. реактор.
Любое отработанное топливо по-прежнему будет содержать часть исходного U-235, а также различные изотопы плутония, которые образовались внутри активной зоны реактора, и U-238. В общей сложности они составляют около 96% исходного урана и более половины исходного содержания энергии (без учета U-238). Отработанное ядерное топливо уже давно перерабатывается с целью извлечения делящихся материалов для рециркуляции и уменьшения объема ВАО (см. Также информационную страницу о переработке отработанного ядерного топлива).Некоторые европейские страны, а также Россия, Китай и Япония проводят политику переработки использованного ядерного топлива.
Переработка позволяет извлекать значительное количество плутония из отработанного топлива, которое затем смешивается с обедненным оксидом урана на заводе по производству МОКС-топлива для получения свежего топлива. Этот процесс позволяет извлечь на 25-30% больше энергии из исходной урановой руды и значительно снижает объем ВАО (примерно на 85%). По оценкам МАГАТЭ, из 370 000 метрических тонн тяжелых металлов (MTHM), произведенных с момента появления гражданской ядерной энергетики, 120 000 MTHM были переработаны. 1 Кроме того, оставшиеся ВАО значительно менее радиоактивны — они разлагаются до того же уровня, что и исходная руда, в течение 9000 лет (против 300000 лет). (См. Также информационные страницы о смешанном оксидном топливе и переработке отработанного ядерного топлива.)
Коммерческие перерабатывающие заводы в настоящее время работают во Франции и России. Другой вводится в эксплуатацию в Японии, и Китай тоже планирует построить. Франция берет на себя переработку для коммунальных предприятий в других странах, и большая часть японского топлива перерабатывалась там, причем в Японию возвращались как отходы, так и рециклированный плутоний в МОКС-топливе.(См. Также информационные страницы о японских отходах и поставках МОКС-топлива из Европы.)
Основным историческим и современным процессом является гидрометаллургический процесс Purex. Основные перспективные из них — электрометаллургические — часто называемые пиропроцессингом, так как они бывают горячими. С его помощью все анионы актинидов (особенно уран и плутоний) восстанавливаются вместе. Пока они еще не работают, эти технологии приведут к образованию отходов, которым требуется всего 300 лет, чтобы достичь того же уровня радиоактивности, что и первоначально добытая руда.
Пруд для хранения отработанного топлива на заводе по термической переработке оксидов (Thorp) на британской площадке в Селлафилде (Sellafield Ltd).
(См. Также информационную страницу о снятии с эксплуатации ядерных установок.)
В случае ядерных реакторов около 99% радиоактивности связано с топливом. Помимо любого поверхностного загрязнения растений, оставшаяся радиоактивность возникает из-за «продуктов активации», таких как стальные детали, которые долгое время подвергались нейтронному облучению.Их атомы превращаются в разные изотопы, такие как железо-55, кобальт-60, никель-63 и углерод-14. Первые два очень радиоактивны, излучают гамма-лучи, но с соответственно короткими периодами полураспада, так что через 50 лет после окончательного останова их опасность значительно уменьшается. Некоторое количество цезия-137 также может быть обнаружено в отходах вывода из эксплуатации.
Некоторые отходы от вывода из эксплуатации могут быть переработаны, но для использования вне промышленности применяются очень низкие уровни очистки, поэтому большая часть их захороняется, а часть перерабатывается в промышленности.
Помимо обычных отходов, образующихся в настоящее время при производстве ядерной энергии, существуют другие радиоактивные отходы, называемые «унаследованными отходами». Эти отходы существуют в нескольких странах, которые были пионерами ядерной энергетики, и особенно в тех странах, где энергетические программы были разработаны на основе военных программ. Иногда она является объемной и сложной в управлении, и возникла в ходе того, что эти страны достигли положения, в котором ядерная технология является коммерческим предложением для производства электроэнергии.Он представляет собой обязательство, которое не покрывается действующими механизмами финансирования. В Великобритании около 164 миллиардов фунтов стерлингов (без учета скидки), по оценкам, будет задействовано в устранении этих отходов — в основном из Магнокса и некоторых ранних разработок AGR — и около 30% от общей суммы приходится на военные программы. В США, России и Франции обязательства также значительны.
В последние годы как в сообществах, занимающихся радиологической защитой, так и в сфере обращения с радиоактивными отходами, повышенное внимание стало уделяться тому, как эффективно управлять ядерными отходами, не связанными с энергетикой.Все страны, в том числе те, у которых нет атомных электростанций, должны управлять радиоактивными отходами, образующимися в результате деятельности, не связанной с производством ядерной энергии, включая: национальную лабораторию и исследовательскую деятельность университетов; использованные и утерянные промышленные датчики и источники радиографии; и деятельность по ядерной медицине в больницах. Хотя большая часть этих отходов не является долгоживущими, разнообразие источников затрудняет общую оценку физических или радиологических характеристик.Относительно зависящий от источника характер отходов ставит вопросы и проблемы для управления ими на национальном уровне.
(См. Также информационный документ по обработке и кондиционированию ядерных отходов)
Обработка включает операции, направленные на изменение характеристик потоков отходов для повышения безопасности или экономии. Методы обработки могут включать уплотнение для уменьшения объема, фильтрацию или ионный обмен для удаления содержания радионуклидов или осаждение для изменения состава.
Кондиционирование используется для преобразования отходов в форму, пригодную для безопасного обращения, транспортировки, хранения и утилизации. Этот этап обычно включает иммобилизацию отходов в контейнерах. Жидкие НАО и САО обычно затвердевают в цементе, тогда как ВАО кальцинируются / сушатся, а затем остекловываются в стеклянной матрице. Иммобилизованные отходы будут помещены в контейнер, соответствующий его характеристикам.
(См. Также информационный документ по хранению и захоронению радиоактивных отходов.)
Хранение отходов может происходить на любом этапе процесса управления. Хранение включает в себя хранение отходов таким образом, чтобы их можно было извлечь, при этом обеспечивая их изоляцию от внешней среды. Отходы могут храниться, чтобы упростить следующий этап обращения (например, позволяя их естественной радиоактивности распасться). Хранилища обычно находятся на территории электростанции, но также могут быть отделены от объекта, на котором она была произведена.
Удаление отходов происходит, когда их дальнейшее использование в обозримом будущем невозможно, а в случае ВАО, когда радиоактивность снизилась до относительно низкого уровня примерно через 40-50 лет.
Большинство НАО и короткоживущих САО обычно отправляются на наземное захоронение сразу после упаковки. Это означает, что для большинства (> 90% по объему) всех типов отходов были разработаны подходящие средства удаления, которые внедряются во всем мире.
Пункты приповерхностного захоронения в настоящее время эксплуатируются во многих странах, в том числе:
Некоторые низкоактивные жидкие отходы перерабатывающих заводов сбрасываются в море. Сюда входят отличительные радионуклиды, в частности технеций-99 (иногда используемый в качестве индикатора в исследованиях окружающей среды), который можно обнаружить за много сотен километров. Однако такие выбросы регулируются и контролируются, и максимальная доза облучения, которую каждый получает от них, составляет небольшую долю от естественного радиационного фона.
Атомные электростанции и перерабатывающие заводы выбрасывают небольшие количества радиоактивных газов ( e.г. криптон-85 и ксенон-133) и следовые количества йода-131 в атмосферу. Однако криптон-85 и ксенон-133 химически инертны, все три газа имеют короткий период полураспада, а радиоактивность в выбросах уменьшается за счет задержки их высвобождения. Чистый эффект слишком мал, чтобы его можно было рассматривать при любом анализе жизненного цикла. Также производится небольшое количество трития, но регулирующие органы не считают его выброс значительным.
Длительные сроки, в течение которых некоторые САО и ВАО, включая отработанное топливо, считающееся отходами, остаются радиоактивными, привели к всеобщему признанию концепции глубокого геологического захоронения.Были изучены многие другие варианты долгосрочного обращения с отходами, но сейчас в большинстве стран предпочтительным вариантом является глубокое захоронение в заминированном хранилище. Глубокое хранилище геологических отходов экспериментальной установки по изоляции отходов (WIPP) находится в эксплуатации в США для захоронения трансурановых отходов — долгоживущих САО из военных источников, загрязненных плутонием.
На сегодняшний день практической необходимости в окончательных хранилищах ВАО нет. Как указано выше, использованное топливо может быть переработано или утилизировано напрямую.В любом случае существует сильный технический стимул отложить окончательное захоронение ВАО примерно на 40-50 лет после удаления, после чего тепло и радиоактивность снизятся более чем на 99%. Промежуточное хранение отработанного топлива в основном осуществляется в прудах, связанных с отдельными реакторами, или в общем бассейне на площадках с несколькими реакторами, или иногда на центральной площадке. В настоящее время на хранении находится около 250 тысяч тонн отработанного топлива. Более двух третей из них находится в прудах-хранилищах, а доля сухих хранилищ растет. 1
Примерный распад радиоактивности продуктов деления — одна тонна отработавшего топлива PWR.
Пруды-хранилища на реакторах и на централизованных объектах, таких как CLAB в Швеции, имеют глубину 7-12 метров, чтобы обеспечить несколько метров воды над отработанным топливом (собираются в стеллажи, как правило, длиной около 4 метров, и стоят вертикально). Многочисленные стойки изготовлены из металла со встроенными поглотителями нейтронов. Циркулирующая вода защищает и охлаждает топливо.Эти бассейны представляют собой прочные конструкции из толстого железобетона со стальными облицовками. Пруды на реакторах часто предназначены для хранения всего отработанного топлива, произведенного в течение запланированного срока службы реактора.
Заполненные водой бассейны для хранения Центрального промежуточного хранилища отработавшего ядерного топлива (CLAB) в Швеции.
Некоторое топливо, которое охлаждается в прудах не менее пяти лет, хранится в сухих контейнерах или хранилищах с циркуляцией воздуха внутри бетонной защиты.Одна из распространенных систем — герметичные стальные контейнеры или многоцелевые контейнеры (MPC), каждая из которых вмещает до 40 тепловыделяющих сборок с инертным газом. Контейнеры / ПДК также могут использоваться для транспортировки и последующей утилизации использованного топлива. Для хранения каждый заключен в вентилируемый складской модуль из бетона и стали. Обычно они стоят на поверхности, высотой около 6 м и охлаждаются конвекцией воздуха, или они могут быть ниже уровня земли с открытыми только верхушками. Модули прочные и обеспечивают полное экранирование.Каждая бочка имеет тепловую нагрузку до 45 кВт.
При переработке отработавшего реакторного топлива образующиеся жидкие ВАО должны затвердеть. ВАО также выделяют значительное количество тепла и требуют охлаждения. Он остеклован в боросиликатное (Pyrex) стекло, запечатан в тяжелые цилиндры из нержавеющей стали высотой около 1,3 метра и хранится для возможной утилизации глубоко под землей. Этот материал не имеет будущего использования и классифицируется как отходы. Во Франции есть два коммерческих завода по остекловыванию ВАО, оставшихся от переработки топлива, а также действующие заводы в Великобритании и Бельгии.Мощность этих западноевропейских заводов составляет 2500 канистр (1000 т) в год, некоторые из них работают уже три десятилетия. Селлафилд, Великобритания, произвел более 6000 канистр с остеклованными ВАО.
Австралийская система Synroc (синтетическая порода) представляет собой более сложный способ иммобилизации таких отходов, и этот процесс может в конечном итоге найти коммерческое использование для обработки гражданских отходов (см. Информационную страницу на Synroc).
Если отработанное реакторное топливо не перерабатывать, оно все равно будет содержать все высокорадиоактивные изотопы.Отработавшее топливо, не подвергшееся переработке, рассматривается как ВАО для прямого захоронения. Он тоже выделяет много тепла и требует охлаждения. Однако, поскольку он в основном состоит из урана (с небольшим количеством плутония), он представляет собой потенциально ценный ресурс, и существует растущее нежелание безвозвратно утилизировать его.
Для окончательного захоронения, чтобы гарантировать отсутствие значительных выбросов в окружающую среду в течение десятков тысяч лет, планируется геологическое захоронение с «множественными барьерами». Этот метод иммобилизует радиоактивные элементы в ВАО и долгоживущих САО и изолирует их от биосферы.Множественные барьеры:
Загрузочные бункеры с канистрами, содержащими остеклованные ВАО в Великобритании. Каждый диск на полу закрывает бункер, вмещающий десять канистр.
В связи с долгосрочным характером этих планов управления, устойчивые варианты должны иметь один или несколько заранее определенных этапов, по которым можно было бы принять решение о том, какой вариант продолжить.
Текущий вопрос заключается в том, следует ли размещать отходы таким образом, чтобы их можно было легко извлечь из хранилищ.Есть веские причины для того, чтобы оставлять такие варианты открытыми — в частности, возможно, что будущие поколения сочтут захороненные отходы ценным ресурсом. С другой стороны, окончательное закрытие может повысить долгосрочную безопасность объекта. После того, как он будет похоронен примерно на 1000 лет, большая часть радиоактивности распадется. Остающаяся радиоактивность будет аналогична естественной урановой руде, из которой она возникла, но будет более концентрированной.В подземных хранилищах, которые представляют собой основную концепцию, которую преследуют, извлечение может быть простым, но любое захоронение глубоких скважин является постоянным.
Французский закон об отходах 2006 г. гласит, что захоронение ВАО должно быть «обратимым», что было разъяснено в поправке 2015 г., что означает гарантию долгосрочной гибкости в политике захоронения, в то время как «извлекаемое» относится к краткосрочной практичности. Франция, Швейцария, Канада, Япония и США требуют возможности извлечения. 2 Этой политике придерживаются и в большинстве других стран, хотя это предполагает, что в долгосрочной перспективе хранилище будет опломбировано для удовлетворения требований безопасности.
Меры или планы, принятые в различных странах по хранению, переработке и утилизации использованного топлива и отходов, описаны в приложении к настоящему документу, посвященном национальной политике и финансированию. Варианты хранения и захоронения более подробно описаны в информационном документе «Хранение и захоронение радиоактивных отходов».
Природа уже доказала, что геологическая изоляция возможна на нескольких природных примерах (или «аналогах»).Самый значительный случай произошел почти 2 миллиарда лет назад в Окло, на территории нынешнего Габона в Западной Африке, где несколько спонтанных ядерных реакторов работали в богатой жилой урановой руды. (В то время концентрация U-235 во всем природном уране составляла около 3%.) Эти естественные ядерные реакторы просуществовали около 500 000 лет, прежде чем умерли. Они произвели все радионуклиды, обнаруженные в ВАО, в том числе более 5 тонн продуктов деления и 1,5 тонны плутония, которые остались на площадке и в конечном итоге распались на нерадиоактивные элементы. 3
Изучение таких природных явлений важно для любой оценки геологических хранилищ и является предметом нескольких международных исследовательских проектов.
Ядерная энергия — единственная крупномасштабная технология производства энергии, которая берет на себя полную ответственность за все свои отходы и полностью затрачивает их на продукт. Финансовые положения предусмотрены для обращения со всеми видами гражданских радиоактивных отходов. Стоимость обращения с отходами АЭС и их утилизации обычно составляет около 5% от общей стоимости произведенной электроэнергии.
Правительства требуют от большинства предприятий атомной энергетики отказаться от сбора (, например, 0,1 цента за киловатт-час в США, 0,14 центов за киловатт-час во Франции), чтобы обеспечить управление и удаление своих отходов.
Фактические меры по оплате обращения с отходами и вывода из эксплуатации различаются. Однако ключевая цель всегда одна и та же: обеспечить наличие достаточных средств, когда они необходимы. Есть три основных подхода:
По данным GE Hitachi, к 2015 году средства, выделенные на управление и утилизацию использованного топлива, составили около 100 миллиардов долларов (в первую очередь 51 миллиард долларов из них в Европе, 40 миллиардов долларов в США и 6 долларов.5 миллиардов в Канаде).
Объем высокоактивных радиоактивных отходов (ВАО), производимых гражданской атомной промышленностью, невелик. По оценкам МАГАТЭ, с начала эксплуатации первых атомных электростанций было выброшено 370 000 тонн тяжелых металлов (тТМ) в виде отработанного топлива. По оценкам агентства, 120 000 тТМ были переработаны. По оценкам МАГАТЭ, объем захоронения имеющихся твердых ВАО составляет приблизительно 22 000 м 3 . 1 Для контекста, это объем, примерно эквивалентный трехметровому зданию, занимающему площадь размером с футбольное поле.
* Объемы утилизации зависят от выбранного решения по утилизации отходов. Делая свою оценку, МАГАТЭ сделало предположения в отношении конструкции упаковки и хранилища для стран, не имеющих подтвержденных решений по захоронению, на основе планов, предложенных странами, более продвинутыми в этом процессе.
Количество произведенных САО, НАО и ОНАО больше по объему, но они гораздо менее радиоактивны (см. Выше раздел «Типы радиоактивных отходов»).Учитывая более низкую присущую им радиоактивность, большая часть отходов, образующихся при производстве ядерной энергии и классифицируемых как НАО или ОНАО, уже отправлена в захоронение. По оценкам МАГАТЭ, более 80% всех произведенных на сегодняшний день НАО и ОНАО находится в захоронении. По оценкам агентства, около 20% САО находится в захоронении, а остальная часть находится на хранении.
Инвентаризация ядерных отходов (оценки МАГАТЭ, 2018 г.) 1
Твердые радиоактивные отходы на складе (м 3 ) | Твердые радиоактивные отходы в захоронении (м 3 ) | Доля вида отходов в захоронении | |
VLLW | 2 356 000 | 7 906 000 | 77% |
---|---|---|---|
LLW | 3 479 000 | 20 451 000 | 85% |
ILW | 460 000 | 107 000 | 19% |
HLW | 22 000 | 0 | 0% |
Примечание: все объемные данные являются приблизительными, основанными на действующих и предлагаемых решениях по окончательной утилизации различных типов отходов.
Все опасные отходы, а не только радиоактивные отходы, требуют тщательного обращения и удаления. Количество отходов, производимых ядерной энергетикой, невелико по сравнению как с другими формами производства электроэнергии, так и по сравнению с общепромышленной деятельностью. Например, в Великобритании — старейшей ядерной отрасли в мире — общее количество радиоактивных отходов, произведенных на сегодняшний день и прогнозируемое до 2125 года, составляет около 4,9 миллиона тонн. Предполагается, что после того, как все отходы будут упакованы, окончательный объем будет занимать площадь, аналогичную площади большого современного футбольного стадиона.Для сравнения: ежегодно образуется 200 миллионов тонн обычных отходов, из которых 4,3 миллиона тонн классифицируются как опасные. Около 94% радиоактивных отходов в Великобритании классифицируются как НАО, около 6% — это САО и менее 0,03% классифицируются как ВАО. 4
За более чем 50-летний опыт использования гражданской ядерной энергетики обращение с гражданскими ядерными отходами и их захоронение не вызвало каких-либо серьезных проблем для здоровья или окружающей среды и не представляло реального риска для населения.Альтернативы для производства электроэнергии не лишены проблем, а их нежелательные побочные продукты, как правило, плохо контролируются.
Чтобы поместить производство ядерных отходов и управление ими в контекст, важно учитывать нежелательные побочные продукты — в первую очередь выбросы углекислого газа — других крупномасштабных коммерческих технологий производства электроэнергии. В 2018 году атомные электростанции произвели 2710 ТВтч электроэнергии, что составляет около 10% от общего мирового потребления. Ископаемое топливо обеспечило около 65%, из которых наибольший вклад был составлен на уголь (10 160 ТВтч), за ним следуют газ (6150 ТВтч) и нефть (784 ТВтч).Если бы около 10% электроэнергии, поставляемой с помощью ядерной энергетики, было бы заменено газом — безусловно, самым чистым горящим ископаемым топливом — дополнительно c. 1300 миллионов тонн CO 2 было бы выброшено в атмосферу; эквивалент ввода в эксплуатацию дополнительных 250 миллионов автомобилей 6, b .
CO 2 выбросов, которых удалось избежать за счет использования ядерной энергии
Выбросы в течение жизненного цикла | Расчетные выбросы для производства 2710 ТВтч электроэнергии | Потенциальные выбросы, которых можно избежать за счет использования ядерной энергии | Потенциальные выбросы, которых можно избежать за счет использования ядерной энергии | |
Атомная энергетика | 12 | 32 | NA | NA |
---|---|---|---|---|
Газ (CCS) | 490 | 1330 | 1298 | г.250 |
Уголь | 820 | 2220 | 2188 | г. 400 |
Примечание: оценки выбросов в течение жизненного цикла, полученные МГЭИК. Оценка средних выбросов на автомобиль от EPA.
Помимо очень значительных выбросов углерода, углеводородная промышленность также создает значительные количества радиоактивных отходов. Радиоактивный материал, образующийся в виде отходов нефтегазовой промышленности, называют «технологически усовершенствованными радиоактивными материалами естественного происхождения» (Tenorm).При добыче нефти и газа радий-226, радий-228 и свинец-210 откладываются в виде накипи в трубах и оборудовании во многих частях мира. Опубликованные данные показывают концентрации радионуклидов в масштабах до 300 000 Бк / кг для Pb-210, 250 000 Бк / кг для Ra-226 и 100 000 Бк / кг для Ra-228. Этот уровень в 1000 раз выше, чем уровень разрешения для вторичного материала (как стали, так и бетона) из ядерной промышленности, где все, что выше 500 Бк / кг, не может быть освобождено от регулирующего контроля для вторичного использования. 7
Крупнейший поток отходов Tenorm — это угольная зола, около 280 миллионов тонн ежегодно образующаяся во всем мире, содержащая уран-238 и все его негазообразные продукты распада, а также торий-232 и его дочерние продукты. Эту золу обычно просто закапывают, или ее можно использовать в качестве компонента строительных материалов. Таким образом, один и тот же радионуклид в той же концентрации может быть отправлен в глубокое захоронение, если он из атомной промышленности, или выпущен для использования в строительных материалах, если он находится в виде летучей золы из угольной промышленности. 8
1. Состояние и тенденции в области обращения с отработавшим топливом и радиоактивными отходами, Серия изданий МАГАТЭ по ядерной энергии, № NW-T-1.14 (2018) [Назад]
2. Закон о программе по устойчивому обращению с радиоактивными материалами и отходами 2006 г., Assemblée nationale (2006 г.). [Назад]
3. Работа древнего ядерного реактора, Scientific American (2009). [Назад]
4. Радиоактивные отходы в Великобритании: резюме инвентаризации 2010 г., Управление по снятию с эксплуатации ядерных установок (2010 г.).[Назад]
5. Параметры затрат и эффективности для конкретных технологий, Межправительственная группа экспертов по изменению климата (2014 г.) [Назад]
6. Выбросы парниковых газов типичным пассажирским транспортным средством, Агентство по охране окружающей среды США (2014) [Назад]
7. Технологически улучшенные радиоактивные материалы естественного происхождения в нефтяной промышленности (TENORM), Nukleonika (2009) [Назад]
8. Обращение со слабозагрязненными материалами: состояние и проблемы, МАГАТЭ (без даты). [Назад]
а.Данные о выбросах за жизненный цикл представляют собой медианные оценки МГЭИК и включают эффект альбедо. Данные по газу относятся к комбинированному циклу, а данные по углю относятся к пылевидному углю (ПК). В действительности средние выбросы в течение жизненного цикла как для газа, так и для угля, вероятно, будут выше. [Назад]
г. По оценкам EPA, среднее дорожное транспортное средство выбрасывает эквивалент 4,7 тонны CO 2 в год. [Назад]
Управление по снятию с эксплуатации ядерных установок — Дальнейшее снятие с эксплуатации, Отчет контролера и генерального аудитора, Государственное контрольно-ревизионное управление (2008 г.).
Геологическая служба США опубликовала информационный бюллетень «Радиоактивные элементы в угле и летучей золе: изобилие, формы и значение для окружающей среды», FS-163-97 (1997).
Международный совет ядерного общества (INSC) опубликовал информацию, касающуюся политики и действий отдельных стран в области обращения с отходами. См. Документ «Радиоактивные отходы» из отчета о ее Плане действий на 1997-98 гг. И «Текущие проблемы ядерной энергии — радиоактивные отходы» (2002 г.).
Управление низко- и среднеактивными радиоактивными отходами, Агентство по ядерной энергии, NEA Issue Brief: Анализ основных ядерных проблем, No.6 (1989)
Хранение и захоронение отработавшего топлива и высокоактивных радиоактивных отходов, Международное агентство по атомной энергии
Веб-сайт НКДАР ООН (Научный комитет Организации Объединенных Наций по действию атомной радиации) (www.unscear.org)
Оценка вариантов захоронения высокоактивных радиоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива, контролируемых Министерством энергетики США, Министерство энергетики США (2014)
Радиоактивные отходы в перспективе, Агентство по ядерной энергии ОЭСР, NEA № 6350 (2010)
.