Fysik og Kemi 8.-10. klasse
Hans Lütken • Anette Sønderup
Alinea
Fysik og Kemi 8.-10. klasse
Hans Lütken • Anette Sønderup
Alinea
Ny Prisma +
Ny Prisma +, elevbog Forfattere: Anette Sønderup og Hans Lutken ©2013 Alinea, København – et forlag under Lindhardt og Ringhof Forlag A/S, et selskab i Egmont.
Mekanisk, fotografisk, elektronisk eller anden gengivelse af denne bog eller dele heraf er kun tilladt efter Copy-Dans regler.
Forlagsredaktion: Jes Kristian Larsen Forlagets billedredaktion: Anna Horsbjerg Gehlert
Grafisk tilrettelægning: Seifert Design og Grafik Omslagslayout: Seifert Design og Grafik Illustrationer: Claus Rye Schierbeck
Tryk: Livonia Print 2. udgave, 1. oplag 2013 ISBN: 978-87-23-04001-5
www.alinea.dk
2
Billedfortegnelse/fotos Archiv der Luftschiffbau Zeppelin GmbH, Friedrichshafen: 105 Barsebäck Kraft AB: 12 Bigstockphoto.com: 77 nsca, 93 Smithore Bildbyrån Lucky Look: 19 The Photolibrary Wales, 106mfø Alamy Birthe Lunau/birthe-lunau.dk: 106n Bundesen, Lars: 82-83 Colourbox: 101ø Comfort House: 34 Copyright © www.lemvigbiogas.dk: 43 Danmarks Tekniske Museum: 23, 24 Dansk Retursystem A/S: 109 De Danske Kongers Kronologiske Samling: 106øh Det Kongelige Bibliotek: 56(2) Edgar Fahs Smith Collection: 58, 59 Energi E2: 31 E. ON Danmark A/S: 35 Rødsand 2 ESA: 114 Meteosat-2 Earth image, 115 Metop orbital path Foci: 75v Science Photo Library Forskningscenter Risø: 39 Getty Images: 45 FotoArena/Conbributor/LatinContent gpp arkitekter a/s: 32 Ibsen, Helena Sønderup:83 Islensk NyOrka: 47 iStockphoto.com RF: 27 Jeremy Richards, 44 Joel-t, 51 Dieter Hawlan, 54 Philip Sigin-Lavdanski, 72 Nikolai Okhitin, 73 yumiyum, 81ø Galina Barskaya, 99n Doug Von Gausig, 108 Chris Parypa, 116 David Lentz LyondellBasell, Muenchsmuenster: 94 Novozymes A/S: 86v, 90 Oak Ridge National Laboratory: 48h Opel: 49ø Ampera Oslo Universitet: 74øv PHOTOCREO: Omslag/Forside Michal Bednarek Photos.com RF: 17 Ted Johns, 26-27 Fotolinchen, 29 Jupiterimages, 33 Denis Jr. Tangney, 37 Saskia Massink, 46 Alfredo Maiquez, 50-51 EpicStockMedia, 66-67 EJ-J, 67 Andreas Reh, 81n Stockbyte, 86h George Doyle, 89 Todd Castor, 92-93 John Saunders, 95 Peter Albrektsen, 99ø Jupiterimages, 100ø Stockbyte, 100n Simon Smith, 110-111 Baloncici, 111 Warren Jennings Polfoto: 7 Wally Santana/AP, 30h Keren Su/Corbis, 40 Frithjof Hirdes/Corbis, 69 Turba/Corbis, 74n Pete Saloutos/Corbis, 87 Look/Bernhard Limberger, 117n Kim Nielsen Scanpix: 15 ITER/Science Photo Library, 16-17 Karl Kinne/Corbis, 30v Julia Waterlow/Eye Ubiquitous/Corbis, 48v Volker Steger/Science Photo Library, 70 Wim Weenink/ Foto Natura/Minden, 75h Du Cane Medical Imaging LTD/ Science Photo Library, 85 Charles D. Winters/Photo Researchers, 103 Sheila Terry/Science Photo Library, 104-105 Transtock/Masterfile, 106 mfn Corbis, 107 AFP, 117ø Morten Rasmussen Science Museum, London: 62 Studio Olafur Eliasson: 76-77 Your rainbow panorama, ARoS Århus Kunstmuseum Sønderup, Anette: 22 TerraFrog Clothing Corp: 101n The University of Pennsylvania: 74øh The Edgar Fahs Smith Memorial Collection Toyota: 49n Waterzymes, Richard Martin: 91 Wikipedia: 6-7 Atomic Energy of Canada Limited
Ny Prisma +
Til eleven Siden Ny Prisma blev skrevet, er der kommet nye mål for undervisningen i fysik/kemi. Ny Prisma + supplerer Ny Prisma, så alle målene for undervisningen bliver opfyldt. I nogle af kapitlerne er stoffet helt nyt. I andre er der sket en opdatering af tidligere stof, så indholdet svarer til den seneste udvikling på området. Det gælder fx kapitlet Bæredygtig energi, hvor hovedvægten er lagt på samfundets energiforsyning i dag og i fremtiden. I bogen er der to typer henvisninger: NP+ 11
henviser til side 11 i Ny Prisma +.
NP8 11
henviser til side 11 i Ny Prisma 8.
Til bogen findes en lang række øvelser og opgaver, som din lærer udvælger i samarbejde med dig og din klasse. Vi håber, at Ny Prisma + vil give dig glæde ved at arbejde med fysik/kemi og give dig indsigt i fysikkens og kemiens verden. Forfatterne
3
Ny Prisma +
Indhold 6 Kerneenergi
8 12 14 15
Fission Trykvandsreaktoren Miljøet og kernekraft Fusion
16 Energiens veje 18 19 19 20 22 25
Solen giver energien Lagerenergi Vedvarende energi Energiformer Energiomsætninger Produktion af elektricitet
26 Bæredygtig energi 28 31 32 33 36 40 44
Det globale energiforbrug Danmarks energiforbrug Fremtidens energiforsyning Vindenergi Solenergi i Danmark Biomasse – bioenergi Energi til biler
50 Tanker om verden 52 56 58 59 60
Verdens i det store Tycho Brahe Johannes Kepler Isaac Newton Verden i det små
66 300.000 km/s 68 69 70 61 73
4
Elektromagnetisk stråling Mikrobølger Ultraviolet lys Ozonlaget Røntgen
Ny Prisma +
76 En verden af lys og farver 78 79 80 81
Lys og farver Grundfarver, lys Grundfarver, maling Strukturfarver
82 Enzymer – naturens værktøj 84 86 88 90
Enzymer på arbejde Enzymer er specialister Anvendelse af enzymer Produktion af enzymer
92 Plast – et designmateriale
94 97 101
Produktion af plast Plasttyper Bæredygtig udvikling med plast
104 Aluminium – et nyt metal 106 108 109 109
Fra bauxit til aluminium Egenskaber og anvendelse Aluminiums korrosion Genindvinding af aluminium
110 Trådløs
112 Usynlige tråde 114 Satellitforbindelser 116 Elektronisk mærkning
118 Register
5
Kerneenergi er en af de energiformer, der skal være med til at opfylde Kinas voksende energibehov. I 2011 havde Kina 13 reaktorer i brug, mens 12 var under konstruktion. Qinshan kernekraftværk er et af Kinas nyeste værker, som fuldt udbygget vil have 11 reaktorer.
Atomkerner giver energi I 1938 opdagede tyske fysikere, at atomkerner kunne spaltes og frigive enorme mængder energi. Allerede få år senere kunne mennesket udnytte atomkerners energi i både kernekraftværker og atombomber. Brugen af kerneenergi kan være forbundet med alvorlig risiko for radioaktivt udslip, hvis sikkerheden på kernekraftværket svigter, som det har været tilfælde i Tjernobyl og Fukushima. Hvad er kerneenergi? Hvordan fungerer et kernekraftværk? Hvorfor kan anvendelsen af kerneenergi være farlig?
Japan blev i marts 2011 ramt af et voldsomt jordskælv og efterfølgende af en ødelæggende tsumani. Kernekraftværket i Fukushima blev beskadiget, og der forekom radioaktive udslip. Mange mennesker blev evakueret fra deres hjem og undersøgt for radioaktiv forurening.
7
Atomkerner giver energi
Fission I 1938 opdagede atomfysikerne, at kernen af et uranatom kunne spaltes til to mindre atomkerner samtidig med, at der blev frigjort energi. Processen kaldes fission, og den er grundlaget for såvel atombomben som kernekraft.
1.1
Hvis en neutron rammer en kerne af uran-235, kan denne kerne spaltes til fx barium-144 og krypton-89 samtidig med, at der frigøres nogle hurtige neutroner. Når kernen spaltes, bliver en del af kerneenergien omsat til varmeenergi. n + 235 U¨ 92
Ba +
144 56
Kr + 3 n
89 36
Kædereaktion Når uran-235 spaltes, frigøres der 2-3 neutroner. De kan spalte nye urankerner og frigøre op til 9 neutroner. Næste gang bliver der spaltet endnu flere urankerner og frigjort op til 27 neutroner. En kædereaktion er begyndt, og der sker en voldsom energiudvikling i løbet af et kort øjeblik. Den beskrevne kædereaktion forløber uhindret og kaldes ukontrolleret. En atombombe eksploderer som følge af en ukontrolleret kædereaktion. Det er også muligt at kontrollere en kædereaktion ved at indfange en del af de frigjorte neutroner, så der hele tiden er en passende energiudvikling. En sådan kædereaktion kaldes kontrolleret. På kernekraftværker er det en kontrolleret kædereaktion, der finder sted. 8
fission: spaltning (fra latin fissio, kløvning, spaltning).
Atomkerner giver energi
En urankerne bliver spaltet af en neutron. Ved fissionen opstår 3 frie neutroner, som kan spalte 3 nye urankerner. En ukontrolleret kædereaktion er begyndt.
Kædereaktionen på et kernekraftværk De fleste kernekraftværker bruger uran som brændsel. Naturligt uran er sammensat af tre nuklider. Der er ca. 99,3 % uran-238, ca. 0,7 % uran-235 og en ubetydelig del uran-234. Det er kun uran-235, der kan spaltes af en neutron. For at få flere atomkerner at spalte kan man bruge beriget uran, som indeholder 3-4 % uran-235.
I naturligt uran er der tre nuklider: uran-234, uran-235 og uran-238.
Det er ikke helt enkelt at styre en kædereaktion, så der i gennemsnit er netop én af neutronerne fra hver kernespaltning, der forårsager en ny spaltning. Man skal sørge for, at der både er et passende antal frigjorte neutroner, og at de har en passende fart. Både hurtige og langsomme neutroner kan spalte uran-235. Men de hurtige neutroner kan også indfanges af uran-238. 9
1.2
Atomkerner giver energi
I en kontrolleret kædereaktion bliver en del neutroner indfanget af uran-238 eller andre nuklider. Kontrolstave indeholder nuklider, der kan indfange langsomme neutroner.
Når hurtige neutroner indfanges af uran-238, dannes uran-239. n + 238 U 92
→
U
239 92
For at undgå, at uran-238 indfanger for mange neutroner, så kædereaktionen går i stå, er det nødvendigt at bremse neutronerne uden at indfange dem. Et stof, der bremser neutronerne, kaldes en moderator. Den indeholder lette atomkerner af fx hydrogen eller kulstof. Tungt vand bliver ofte anvendt som moderator. I tungt vand er de almindelige hydrogenatomer, som kun har en proton i kernen, erstattet af tunge hydrogenatomer, som desuden har en neutron i kernen. Det tunge vand er særlig velegnet som moderator, fordi de tunge hydrogenatomer ikke indfanger neutroner. I stedet bremser de neutronerne, så disse bliver langsomme og dermed ikke indfanges af U-238. 10
I almindeligt vand vejer hydrogenatomerne 1u.
I tungt vand vejer hydrogenatomerne 2u.
Atomkerner giver energi
Vejen til atomenergi Op gennem 30’erne havde atomfysikere rundt omkring i verden eksperimenteret med at beskyde forskellige atomkerner med neutroner. Ikke mindst beskydning af uran var interessant, da mange fysikere så muligheden for kunstigt at skabe nye tungere grundstoffer. I 1938 på Kejser Wilhelm Instituttet i Berlin opdagede atomfysikerne Otto Hahn og Fritz Strassmann noget ganske uventet, da de beskød uran-235 med neutroner. Der var tydelige spor af det lettere grundstof barium. I første omgang kunne de ikke forklare fænomenet, men med hjælp fra fysikerne Lise Meitner, Otto Frisch og den danske Niels Bohr kom forklaringen kort tid efter. De forestillede sig, at urankernen ændrede form, når neutronen ramte den. Kernen kunne blive mere langstrakt og revet over på midten af den elektriske frastødning mellem protonerne, så der blev to mindre kerner. Der blev hurtigt iværksat store bestræbelser på at udnytte de store mængder af energi, der var gemt i de tunge atomkerner, og allerede i december 1942 var verdens første atomreaktor klar til afprøvning i Chicago. Hovedmanden var den italienske fysiker Enrico Fermi. Den 1. september 1939 havde Tyskland angrebet Polen, og da man i USA var bange for, at
Når kernen har delt sig, farer de to mindre kerner fra hinanden med stor fart pga. den elektriske frastødning. Kerneenergi er blevet til kinetisk energi.
tyskerne ville komme først med en atombombe, startede amerikanerne i 1942 det gigantiske Manhattanprojekt. Omkring 6.000 fysikere, ingeniører, matematikere og teknikere var samlet i den hemmelige by Los Alamos med det ene formål at udvikle atombomben.
I juli 1945 blev den første atombombe prøvesprængt på et øde sted i New Mexicos ørken. En måned senere faldt de to atombomber, som afsluttede 2. verdenskrig, over de japanske byer Hiroshima og Nagasaki.
11
Atomkerner giver energi
Trykvandsreaktoren En reaktor er den del af kernekraftværket, hvor atomkernerne spaltes. Der er forskellige typer reaktorer. Her vil vi se på en trykvandsreaktor. Inde i reaktoren er brændselsstave af uran, og her foregår den kontrollerede kædereaktion. Vandet i reaktoren er tungt vand, der bremser neutronerne, så de ikke kan indfanges af uran-238. Reaktorens låg er fjernet, så vi ser direkte ned i kernereaktoren. Kranen er ved at udskifte en af brændselsstavene.
Mellem brændselsstavene er kontrolstave af grundstoffet cadmium, som kan indfange neutroner. Man kontrollerer og styrer kædereaktionen med kontrolstavene. Hvis kontrolstavene sænkes ned mellem brændselsstavene, bremses kædereaktionen op, og omvendt sættes der gang i kædereaktionen, hvis kontrolstavene hæves. Kerneenergi omsættes til varmeenergi, der overføres til vandet i reaktoren. I en trykvands-reaktor er vandet under tryk, så det stadig er flydende, selv om det er ca. 300 ºC varmt. Varmeenergien overføres derefter til vandet i dampgeneratoren. 12
Atomkerner giver energi
reaktor kontrolstave
dampgenerator
brændselsstave
turbine
pumpe
pumpe
generator
pumpe
Kernekraftværk. Kædereaktionen kan bremses med kontrolstavene. Bemærk, at vand ledes rundt i tre kredsløb, der er isoleret fra hinanden: trykvand fra reaktoren, vanddamp og kølevand.
Her opvarmes vand til damp, og resten af elproduktionen sker på samme måde som på andre elværker: Vanddampen ledes gennem et rør til en eller flere dampturbiner, en slags møller med skovlhjul, der drives rundt af dampen og trækker en generator. På et atomkraftværk sker der følgende energiomsætninger: I reaktoren bliver kerneenergi omdannet til varme, i dampturbinen bliver en del af varmeenergien omdannet til bevægelsesenergi, og i generatoren bliver bevægelsesenergien omdannet til el-energi. Det største energitab sker, når varmeenergien skal omsættes til bevægelsesenergi. 13
1.3
Atomkerner giver energi
Miljøet og kernekraft Reaktoren og vandet, der passerer gennem den, bliver begge meget radioaktive. Det skyldes, at stabile nuklider i reaktoren indfanger neutroner, så der dannes neutronrige nuklider, der er ustabile. Desuden er selve fissionsprodukterne ustabile. For at afskærme mod den ioniserende stråling fra de ustabile kerner er både reaktoren og dampgeneratoren indkapslet i beton og stål.
NP9 74-77
Uran giver meget energi. Fission af 1 kg uran-235 frigør lige så meget energi som forbrænding af 2.400 tons kul. På mange måder er kernekraft en renere energiform end kul, men det radioaktive affald og risikoen for ulykker kan vække bekymring.
Der frigøres lige så meget energi ved fission af 1 g uran-235 som ved forbrænding af 2.400 kg kul.
I Danmark er det en politisk beslutning, at vi ikke skal have kernekraftværker. Mange andre lande får en stor del af deres elforsyning dækket af kerneenergi, men ulykken på Fukushimaværket i Japan efter jordskælvet i 2011 har fået en del lande til at diskutere eller ligefrem ændre deres atomprogrammer. Tyskland afvikler således frem til 2020 samtlige kernekraftværker. Andre lande fastholder anvendelsen af kerneenergi og udbygger antallet af reaktorer. Det gælder fx Kina.
Antal reaktorer i 2008
Andel af el-produktion i 2008
Frankrig
59
76,20 %
Sverige
10
42,00 %
Sydkorea
20
35,60 %
Tyskland
17
28,30 %
Japan
54
24,90 %
104
19,70 %
Spanien
8
18,30 %
Rusland
31
16,90 %
Kina
13
2,20 %
USA
14
Mange lande har valgt at producere el på kernekraftværker. I tabellen ses antallet af reaktorer og kerneenergiens andel af elproduktionen i en række lande.
Atomkerner giver energi
Fusion fusion: sammensmeltning (fra latin fusio, flyde ud, smelte sammen).
En fusion er den omvendte proces af en fission. Lette atomkerner går sammen og danner tungere atomkerner, mens der frigøres energi. Fx kan hydrogenisotoperne 21H og 31H gå sammen og danne den tungere heliumkerne 42He. Samtidig frigøres der en neutron. Når kernerne smelter sammen, bliver kerneenergi omsat til varmeenergi.
21H + 31H → 42He + n
iter: latin, vej (vejen til fremtidens energi).
Temperaturen skal op over 100 mio. ˚C, før en fusion kan forløbe med rimelig fart. I fusionsreaktoren holder kraftige magnetfelter sammen på det varme stof, så det ikke rører reaktorens sider. Den enorme temperatur ville ellers få reaktorens vægge til at smelte og fordampe. Det er endnu ikke lykkedes at få en fusionsreaktor til at fungere. Europæerne har siden 1983 eksperimenteret med forsøgsreaktoren JET, men det er kun lykkedes at holde fusionen i gang i kortere tidsrum. En endnu større fusionsreaktor, ITER, er under bygning. Det er et storstilet internationalt projekt, som EU, Kina, Japan, USA, Sydkorea og Rusland står bag. Hvis alt går efter planen, er fusionsreaktoren klar til brug i 2019. Måske giver fremtiden muligheder for at anvende fusionsenergi.
Forskerne forventer, at temperaturen inde i fusionsreaktoren ITER kommer op på 150 mio. ˚C. Det er 10 gange højere end temperaturen i Solens indre, som kun er på 15 mio. ˚C.
15