Ny prisma , elevbog, Læseprøve

NY PRISMA +

Fysik og Kemi

Ny Prisma+ supplerer Ny Prisma 8 og 9, så materialet samlet opfylder målene for fysik/kemi. Bogen giver eleverne viden og erfaringer, som de kan bruge i deres dagligdag.

Fysik og Kemi

Ny Prisma+ består af en elevbog, en kopimappe med eksperimenter og øvelser samt en lærerens bog.

ISBN: 978-87-79-88552-3

Hans Lütken • Anette Sønderup ISBN 978-87-79-88552-3

Alinea

www.alinea.dk

Alinea

Fysik og Kemi

Hans Lütken • Anette Sønderup

Alinea 01-05_9788779885523.indd 1

1 8/18/11 1:05 PM

Ny Prisma +

Titel: Ny Prisma Plus, Elevbog Samhørende titler: Ny Prisma Plus Lærerens bog Ny Prisma Plus Kopimappe Forfattere: Hans Lütken, Anette Sønderup Forlagsredaktion: Lise Bach Hansen Grafisk tilrettelægning: Sisterbrandt designstue Omslag: Trine Rossle, Sisterbrandt designstue Forsidebillede: iStockphoto Illustrationer: Claus Rye Schierbeck Tryk: Livonia Print © Forlag Malling Beck A/S og forfatterne 2005 1. udgave, 5. oplag Mekanisk, fotografisk, elektronisk eller anden gengivelse af denne bog eller dele heraf er kun tilladt efter Copy-Dans regler.

ISBN: 978 87 79 88552 3 Printed in Latvia

Fotografier og andre kilder: Scanpix: 6, 16, 26, 33, 36, 62ø, 66n, 74mfn Corbis, 24 Henning Bagger, 63 David Trood, 69 Stockfood, 75 AFP Chicago Historical Society: 7 Barsebäck Kraft AB: 12 Photography courtesy of EFDA-JET: 15 iStockphoto: 17, 46, 58, 62n, 70, 72, 73 Bildbyrån Lucky Look: 19 The Photolibrary Wales, 59 Photofusion Picture Library, 74mfø Alamy, Anette Sønderup: 22 Danmarks Tekniske Museum: 23 Energi E2: 27, 31 Folketinget: 29 Comfort House: 30 Forskningscenter Risø: 35 Copyright © www.lemvigbiogas.dk: 39 Islensk NyOrka: 40tv, 41ø Oak Ridge National Laboratory: 40th Casio: 41n Lunds Universitets Bibliotek/UB Media: 42 Edgar Fahs Smith Collection : 43, 50, 51, 65mf Det Kongelige Bibliotek, Kort- og Billedafdeling: 48 Akira Fujii/DMI: 49 Science Museum, London: 54 © Biopix.dk: 60 N. Sloth Oslo Universitet: 64ø Polfoto: 64n Foci: 65 Science Photo Library Ebbe Hansen/Apollo Web: 66ø Hanegal A/S: 68 De Danske Kongers Kronologiske Samling: 74ø Birthe Lunau/birthe-lunau.dk: 74n Boing: 76 Dansk Retursystem A/S: 77

2 01-05_9788779885523.indd 2

3/12/12 5:48 PM

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 Energiens veje, 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 01-05_9788779885523.indd 3

8/18/11 1:05 PM

Ny Prisma +

Indhold 6 Kerneenergi 8 12 14 15

Fission Trykvandsreaktoren Miljøet og kernekraft Fusion

16 Energiens veje 18 20 22 25 27 28 29 32 36 40

Solen giver energien Energiformer Energiomsætninger Det globale energiforbrug Danmarks energiforbrug Produktion af elektricitet Vindenergi Solenergi Biomasse – bioenergi Fremtidens energiforsyning

42 Ånd og hånd 44 48 50 51 52

Verdens i det store Tycho Brahe Johannes Kepler Isaac Newton Verden i det små

4 01-05_9788779885523.indd 4

8/18/11 1:05 PM

Ny Prisma +

58 Elektromagnetisk stråling 59 Mikrobølger 60 Ultraviolet lys 63 Røntgen

66 Holdbarhed 66 Konserveringsmetoder

70 Lys og farver 71 72 73 73

Grundfarver af lys Grundfarver af maling Sæbeboblers farver Regnbuens farver

74 Aluminium 75 76 77 77

Udvinding af aluminium Egenskaber og anvendelse Aluminiums korrosion Genindvinding af aluminium

5 01-05_9788779885523.indd 5

8/18/11 1:06 PM

06-84_77_9788779885523.indd 6

8/18/11 12:56 PM

Chapelcross kernekraftværk i Skotland har været i drift siden 1959, men er netop lukket, da det ikke længere er økonomisk rentabelt. Til venstre ses de karakteristiske køletårne.

Kerneenergi Siden 2. Verdenskrig har mennesket haft tek­nologisk viden til at udnytte kerne­energi både i kernekraftværker og i atombomber. Lande som Fran­k­­rig og Sverige får hovedparten af deres elektricitet fra kernekraftværker, mens andre lande, deriblandt Danmark, har besluttet, at de ikke vil udnytte denne energiform.

Hvordan fungerer et kernekraftværk?

Er kernekraftværkerne sikre, så Tjernobyl-ulykken ikke gentager sig? Vil fremtiden give nye muligheder for at udnytte kerneenergi?

Verdens første kernereaktor blev bygget under Chicagos Universitet. Den 2. december 1942 var den klar til afprøvning. På toppen af reaktoren stod fire mennesker med cadmiumopløsninger, så de om nødvendigt kunne stoppe kædereaktionen.

7 06-84_77_9788779885523.indd 7

8/18/11 12:56 PM

Kerneenergi

Fission 1.1

I 1938 opdagede atomfysikerne, at et uranatom kunne spaltes til to mindre atomer samtidig med, at der blev frigjort energi. Processen kaldes fission, og den er grundlaget for såvel atombomben som kernekraft.

Fission: Af latin fissio, der betyder kløvning.

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 92U

→

144 56Ba

+

89 36Kr

+3n

Kædereaktion Ved en fission bliver der frigjort 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.

Forløber en kædereaktion uhindret, kaldes den ukontrolleret. En atombombe eksploderer som følge af en ukontrolleret kædereaktion. På kernekraftværker kontrollerer man kædereaktionen, så der hele tiden er en passende energiudvikling. Det sker ved at indfange en del af de frigjorte neutroner.

8 06-84_77_9788779885523.indd 8

8/18/11 12:56 PM

Kerneenergi

En urankerne bliver spaltet af en neutron. Ved fissionen opstår 3 frie neutroner, som kan spalte 3 nye urankerner. En ukontrolleret kædereaktion er begyndt.

En ukontrolleret kædereaktion foregår hurtigt og uhindret, mens en kontrolleret kædereaktion foregår i et langsommere og styret tempo.

En passende energiudvikling 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 en passende del af neutronerne indfanges af andre kerner end uran-235.

I naturligt uran er der tre nuklider: uran-234, uran-235 og uran-238.

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. En del kernekraftværker bruger derfor beriget uran, som indeholder 3-4 % uran-235.

1.2

9 06-84_77_9788779885523.indd 9

8/18/11 12:56 PM

Kerneenergi

I en kontrolleret kædereaktion bliver en del neutroner indfanget af uran-238 eller andre nuklider.

Kontrolstave indeholder nuklider, der kan indfange langsomme neutroner.

Hurtige neutroner kan indfanges af uran-238, så det bliver omdannet til uran-239 n + 238 92U

→

239 92U

For at undgå, at uran-238 indfanger for mange neutroner, så kædereaktionen går i stå, kan det være 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.

I almindeligt vand vejer hydrogenatomerne 1u.

Tungt vand bliver ofte anvendt som moderator. I tungt vand består hydrogenatomerne af tungt hydrogen-2, 2 H, som også har en neutron i kernen. Almindelig 1 hydrogen, 11H, indfanger nemlig for let en neutron.

I tungt vand vejer hydrogen­ atomerne 2u.

10 06-84_77_9788779885523.indd 10

8/18/11 12:56 PM

Kerneenergi

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 uran235 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 uran­ kernen 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

Når kernen har delt sig, flyver de to mindre kerner fra hinanden med stor fart pga. den elektriske frastødning. Kerneenergi er blevet til kinetisk energi.

for, at 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 06-84_77_9788779885523.indd 11

8/18/11 12:56 PM

Kerneenergi

Trykvandsreaktoren Der er forskellige typer reaktorer. Her vil vi se på en trykvandsreaktor. En reaktor er den del af kernekraftværket, hvor atomkernerne spaltes.

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 én af brændselsstavene.

Mellem brændselsstavene er kontrolstave af grundstoffet cadmium, som kan absorbere neutroner. Man kontrollerer og styrer kædereaktionen med kontrolstavene. Hvis kontrolstavene sænkes ned mellem brændselsstavene, bremses kædereaktionen op, og omvendt sættes der gang i den, hvis kontrolstavene hæves.

1.3

Kerneenergi omsættes til varmeenergi, der overføres til vandet i reaktoren. I en trykvandsreaktor 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

06-84_77_9788779885523.indd 12

8/18/11 12:56 PM

Kerneenergi

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 elproduk­ tionen 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 kernekraftværk sker der følgende energiomsætninger: I reaktoren bliver kerneenergi om­dannet til varme, i dampturbinen bliver varmeenergien omdannet til kinetisk energi, og i generatoren bliver den kinetiske energi omdannet til el-energi. Det største energitab sker, når varmeenergien skal omsættes til kinetisk energi.

13 06-84_77_9788779885523.indd 13

8/18/11 12:56 PM

Kerneenergi

Miljøet og kernekraft 1.4

NP9

74

Reaktoren og vandet, der passerer gennem den, bli­ver meget radioaktivt. Det skyldes, at stabile nu­klider i reaktoren indfanger neutroner, så der dannes neutronrige nuklider, der er ustabile. Des­ uden 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.

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 kerne­ energi. Frankrig er et af de lande, der har satset meget på kerneenergi. Her bliver 78 % af el-energien produceret på kernekraftværker.

Kerneenergiens andel af den samlede elproduktion i 2002 Frankrig

78,00 %

Sverige

45,80 %

Sydkorea

38,60 %

Kina

1,40 %

USA

20,30 %

Tyskland

29,90 %

Spanien

25,80 %

Litauen

80,10 %

Rusland

15,00 %

Mange lande har valgt at producere el på kernekraftværker.

I tabellen ses kerneenergiens andel af el-produktionen i en række lande.

14 06-84_77_9788779885523.indd 14

8/18/11 12:56 PM

Kerneenergi

Fusion Fusion: Sammensmeltning (fra engelsk).

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.

2 1H

+ 31H

→

4 2He

+n

Temperaturen skal op på omkring 100 mio. ºC, før en fusion kan forløbe. I fusionsreaktoren holder kraftige magnetfelter sammen på det varme stof, så det ikke rører reaktorens sider. Den enorme tempera­ tur ville ellers få reaktorens vægge til at smelte.

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.

Der er planer om at bygge en endnu større fusions­ reaktor, ITER. Hvis alt går efter planen, er projektet færdigt i 2015. Måske giver fremtiden nye mulig­ heder for at anvende fusionsreaktorer.

I den enorme ringformede fusions­ reaktoren JET er det lykkedes at få fusionsprocessen til at virke i korte øjeblikke.

15 06-84_77_9788779885523.indd 15

8/18/11 12:56 PM