Сборник задач по экологии энергетики (1154175), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Плотность воздуха, кг/м3,ρв := 1.293.Плотность кислорода, кг/м3,ρ O := 1.429.2Масса атмосферы земли, т,Mатм := 5.2æ1015.Масса генерируемого кислорода, тMO2 ген11:= 2æ10 .Объемное содержание кислорода в атмосфере, %,σ O := 21.2Вычисляем массу кислорода M O2 атм, т, находящегося в настоя-щее время в атмосфере Земли:MO2 атм:= M атм ⋅ σ O ⋅ 10ρO2⋅ --------- ;ρв–22MO2 атм= 1.207 ⋅ 1015.Определяем во сколько раз масса кислорода, находящегося внастоящее время в атмосфере Земли, превышает массу кислорода,генерируемого ежегодно в процессе фотосинтеза:M O атм32------------------- = 6.034 ⋅ 10 раз.M O ген2Ответ.
В 6034 раза.Задача 1.2. Во сколько раз масса кислорода M O2 атм, находящего-ся в настоящее время в атмосфере Земли, превышает массу углекислого газа CO2 в атмосфере Земли?7Задача 1.3. Во сколько раз масса азота M N2 атм, находящегося внастоящее время в атмосфере Земли, превышает массы кислорода O2и углекислого газа CO2 в атмосфере Земли?Задача 1.4. Во сколько раз масса кислорода M O2 атм, находящего-ся в настоящее время в атмосфере Земли, превышает массу озона?Решение. Плотность воздуха, кг/м3,ρв := 1.293.Плотность кислорода, кг/м3,ρ O := 1.429.23Плотность озона, кг/м ,ρ O := 2.095.3Масса атмосферы земли, т,Mатм := 5.2æ1015.Объемное содержание кислорода в атмосфере, %,σ O := 21.2Объемное содержание озона в атмосфере, %,–6σ O := 4.5æ10 .3Вычисляем массу кислорода, т, находящегося в настоящее время ватмосфере Земли:MO2 атм:= M атм ⋅ σ O ⋅ 10MO–222 атм= 1.207 ⋅ 1015ρO2⋅ --------- ;ρв.Определяем массу озона, т, находящегося в настоящее время в атмосфере Земли:8MO3 атм:= M атм ⋅ σ O ⋅ 10–23MO3 атмρO3⋅ --------- ;ρв8= 3.791 ⋅ 10 .Вычисляем во сколько раз масса кислорода, находящегося в настоящее время в атмосфере Земли, превышает массу озона:M O атм2-------------------------M O атм3= 3.183 ⋅ 106раз.Задача 1.5.
Во сколько раз масса азота M N2 атм, находящегося внастоящее время в атмосфере Земли, превышает массу озона?Задача 1.6. Во сколько раз масса углекислого газа, находящегосяв настоящее время в атмосфере Земли, превышает массу CO2, ежегодно выбрасываемого в атмосферу при сжигании органическоготоплива?Решение. Плотность воздуха, кг/м3,ρв := 1.293.Плотность углекислого газа, кг/м3,ρ CO := 1.94.2Масса атмосферы земли, т,15Mатм := 5.2æ10 .Объемное содержание углекислого газа в атмосфере, %,σ CO := 0.04.2Определяем массу углекислого газа, т, находящегося в настоящеевремя в атмосфере Земли:M CO2 атм:= M атм ⋅ σ CO ⋅ 10M CO–222 атм= 3.121 ⋅ 1012ρ CO2⋅ ------------- ;ρв.9В мире расход сжигаемого условного топлива, т у.т/год,9B := 14æ10 .Углеродный коэффициент, т/т у.т.K CO := 1.95.2Определяем выбросы СО2, т/год, при сжигании органическоготоплива:M CO выб := K CO ⋅ B ;2M CO22 выб= 2.73 ⋅ 1010.ОтношениеM CO атм2----------------------- = 114.315M CO выб2илиM CO выб–32----------------------- = 8.748 ⋅ 10 .M CO атм2Ответ.
В 114 раз, т.е. масса CO2, выбрасываемого в результатесжигания органического топлива, составляет менее 1 % массы CO2 ватмосфере Земли.Задача 1.7. Тепловая электростанция (ТЭС) перешла со сжиганияприродного газа с теплотой сгорания Qгаз := 37 000 кДж/м3 на сжигание угля с теплотой сгорания Qуг := 18 500 кДж/кг. Во сколько разизменится выброс CO2 в атмосферу при сохранении мощности ТЭС икоэффициента полезного действия (КПД) постоянными? Принять, чтоудельные объемы CO2, образующиеся при сжигании газа и угля, в данном случае примерно равны: v CO2 газ3 3:= 1 м /м и v CO2 уг:= 1 м3/кг.Задача 1.8.
Выполнить примерную оценку массы генерируемогона Земле кислорода в результате процесса фотосинтеза. При оценкепринять, что в настоящее время леса занимают приблизительно20 % суши, а сельскохозяйственные угодья — 50 % оставшейся час10ти суши. Растения моря дают половину генерируемого на Землекислорода.Решение. Площадь поверхности суши, га,Sсуш := 0.3æ510æ108;10Sсуш = 1.53æ10 .В среднем 1 га леса дает кислорода с kлес := 23 т/год, а леса занимают приблизительно 20 % суши.
С учетом этого получаем, т/год,Mлес := 0.2æSсушækлес;10Mлес = 7.038æ10 .Принимаем, что сельскохозяйственные угодья сейчас занимают50 % оставшейся части суши. С 1 га сельскохозяйственных угодийобразуется кислорода, т/год,kсуш := 5.Отсюда имеем, т/год,Mсел := 0.5æ(1 – 0.2)æSсушækсуш;10Mсел = 3.06æ10 .В сумме растения суши Земли генерируют O2 массой, т/год,Mсуш зем := Mлес + Mсел,11Mсуш зем = 1.01æ10 .Растения моря дают приблизительно половину генерируемого наЗемле кислорода:Mмор := Mсуш зем.В итоге получаем, что масса, т/год, генерируемого на земле кислородаMзем := Mсуш зем + Mмор ;11Mзем = 2.02æ10 .Ответ: 202 млрд т/год О2.Задача 1.9.
Выполнить примерную оценку, на сколько процентовизменится масса генерируемого на Земле кислорода в результате11процесса фотосинтеза, если на Земле будут только лиственные леса.При оценке принять, что леса покрывают приблизительно 20 % суши, а сельскохозяйственные угодья занимают 50 % оставшейся частисуши. Растения моря дают половину генерируемого на Земле кислорода.Задача 1.10. За сколько лет содержание кислорода в атмосфереЗемли уменьшится на 2 %, если предположить, что масса генерируемого кислорода в результате вырубки лесов, опустынивания и другихнегативных явлений снизится на 35 %.Решение. Ежегодно масса потребляемого на Земле кислорода на9ходится на уровне Mп := 180æ10 т/год.
Масса генерируемого кисло9рода на Земле Mген := 200æ10 т/год. Годовое уменьшение массыкислорода в атмосфере составляетΔM O := M п – M ген ;2ΔM O = 5 ⋅ 10102.Плотность воздуха, кг/м3,ρв := 1.293.Плотность кислорода, кг/м3,ρ O := 1.429.2Масса атмосферы земли, т,15Mатм := 5.2æ10 .Объемное содержание кислорода в атмосфере, %,σ O := 21.2Вычисляем массу кислорода, т, находящегося в настоящее время ватмосфере Земли:ΔM O2 атм:= M атм ⋅ σ O ⋅ 10–2= 1.207 ⋅ 1015ΔM O1222 атмρO2⋅ --------- ;ρв.Определяем искомое время:0.02 ⋅ M O атм2t := ------------------------------------- ;ΔM O2t = 482.743.Из решения задачи видно, что кислород, который накапливался ватмосфере Земли в течение нескольких миллиардов лет, можно в значительной мере израсходовать за несколько сотен лет.Ответ: t = 482.7 года.Задача 1.11. Ежегодное повышение объемного содержания CO2 ватмосфере в среднем достигает 0,00023 %.
Определить, какая частьвыбрасываемой в атмосферу при сжигании топлива массы CO2 растворяется в мировом океане и поглощается биотой. Принять, чтоизменение содержания CO2 в атмосфере Земли происходит из-заантропогенных выбросов.3Решение. Плотность воздуха, кг/м ,ρв := 1.293.Плотность углекислого газа, кг/м3,ρ CO := 1.94.23Плотность кислорода, кг/м ,ρ O := 1.429.2Масса атмосферы земли, т,Mатм := 5.2æ1015.Ежегодное увеличение объемного содержания, %, углекислогогаза в атмосфереσ CO := 0.00023.2Ежегодное фактическое увеличение массы углекислого газа, т, ватмосфере Землиρ CO–22ΔM CO атм := M атм ⋅ σ CO ⋅ 10 ⋅ ------------- ;2ρв2ΔM CO2 атм= 1.794 ⋅ 1010.13С начала XXI в.
в мире приблизительно сжигается условного топлива, т у.т/год,B := 14æ109.Углеродный коэффициент, т/т у.т.,K CO := 1.95.2Выбросы СО2, т/год, в атмосферу при сжигании органическоготоплива составятM COM CO2 выб2 выб:= К CO ⋅ B ;2= 2.73 ⋅ 1010.Масса растворяющегося в воде и поглощаемого биотой CO2 в абсолютных единицах, т/год,ΔM CO := M CO22 выб– ΔM CO2 атм;9ΔM CO = 9.355 ⋅ 10 ,2или по отношению к выбросам СО2ΔM CO2----------------------- = 0.343.M CO выб2Ответ: Растворяются в воде и поглощаются биотой 9.4 млрд т/годили 34.3 % всех выбросов СО2 при сжигании органического топлива.Задача 1.12. Ежегодное повышение объемного содержания CO2 ватмосфере в среднем достигает 0.00023 %.
Опасной считается концентрация углекислого газа на уровне 0.05 %. Определить за скольколет может быть достигнута эта опасная концентрация CO2 в атмосфере Земли, если будут сохраняться современные темпы ее увеличения.Задача 1.13. По прогнозу комиссии МИРЭС «Энергия для завтрашнего Мира», сделанному в конце XX в., к 2020 г. выбросы CO2в атмосферу могут превысить M := 40æ109 т/год.
Определить засколько лет содержание CO2 в атмосфере Земли увеличится в 2 разапри сохранении такого уровня его выбросов. При решении принять14полученные в задаче 1.11 результаты по растворению и поглощениюСО2.Решение. По результатам задачи 1.11 растворяются в воде и поглощаются биотой приблизительно 34.3 % всех выбросов СО2, полученных при сжигании органического топлива.
Тогда масса СО2,т/год, которая ежегодно накапливается в атмосфере в результате сжигания органического топлива, будет составлятьΔM := (1 – 0.343)æM;ΔM = 2.628æ1010.Плотность углекислого газа, кг/м3,ρ CO := 1.94.23Плотность воздуха, кг/м ,ρв := 1.293.Масса атмосферы земли, т,Mатм := 5.2æ1015.Объемное содержание углекислого газа в атмосфере, %,σ CO := 0.04.2Вычисляем массу углекислого газа, т, находящегося в настоящеевремя в атмосфере Земли:M CO2 атм:= M атм ⋅ σ CO ⋅ 10M CO–222 атм= 3.121 ⋅ 1012ρ CO2⋅ ------------- ;ρв.Определяем через сколько лет содержание CO2 в атмосфере Земли увеличится в 2 раза при сохранении такого уровня выбросов:M CO атм2t := ----------------------- ;ΔMt = 118.752.Ответ: Через t = 118.752 лет.15Задача 1.14.
Оценить во сколько раз объем всей гидросферыбольше объема ледников на Земле. Общий объем ледников на Землепринять63Vлед := 32.5æ10 км .Задача 1.15. Определить на сколько метров поднимется уровеньмирового океана, если из-за потепления растают все ледникиГренландии. Принять в первом приближении, что угол наклона берегов равен 90°.Решение. Объем ледников в Гренландии, км3,6Vльда := 2.5æ10 .В соответствии со справочными данными, площадь поверхностиокеана, км2,Sок := 0.71æ510.2æ106.Коэффициент k := 0.92 учитывает, что плотность льда составляет0.92 плотности воды. Определяем высоту подъема уровня океана, м:3V льда ⋅ 10ΔH := ------------------------------ ,S окΔH = 6.349.Ответ: ΔH = 6.349 м.Задача 1.16.
Определить на сколько метров поднимется уровеньмирового океана, если из-за потепления растают все ледники Антарктики. Принять, что угол наклона берегов равен 90°.Задача 1.17. Определить ограничение по производству энергии внижних слоях тропосферы по тепловым лимитам биосферы. Принять во внимание, что по существующим представлениям это ограничение примерно равно количеству солнечной энергии, усваиваемой всеми живыми организмами биосферы Земли, которое составляет около 1 % всего количества солнечной энергии, попадающей наповерхность Земли. Годовое количество потребляемой на Землеэнергии с учетом всех ее видов сейчас примерно составляетB := 18æ109 т у.т/год (Q = 29 310 кДж/кг).Решение.
Поверхность Земли, площадь которой Sз := 510ж106 км2,получает от Солнца количество энергии ρ := 15 000 кДж/(м2æсут).16Переведем км2 в м2, а кДж/(м2æсут) в кДж/(м2æс). Тогда суммарноеколичество энергии, кВт, поступающей на Землю от Солнца, будетсоставлятьρ6N з := S з ⋅ ------------------------- ⋅ 10 ;3600 ⋅ 2413Nз = 8.854æ10 .Тепловой лимит биосферы, кВт,Nт := 0.01æNз,Nт = 8.854æ1011.Суммарное количество энергии, производимой на Земле, кВт,310N э := B ⋅ Q ⋅ ---------------------------------------- ;362 ⋅ 24 ⋅ 3600Nэ = 1.687æ1010.ОтношениеN------т- := 52.491 .NэОтвет.
Тепловой лимит биосферы больше суммарного количества энергии, производимой на Земле, в 52.491 раза.Задача 1.18. Какое из отношений больше: отношение массыСолнца к массе Земли, отношение массы Земли к массе атмосферыЗемли или отношение среднего радиуса Земли к условной толщинеозонового слоя Земли?Задача 1.19.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
