MUSTERKLAUSUR Physik und Umwelt

Transkript

1 MUSTERKLAUSUR Physik und Umwelt Teil Punkte A B C Gesamt Note Bitte beachten Sie: Teil A: 20 P. / Teil B: 25 P. Teil C: 45 P. Gesamtpunktzahl: 90 P. 1. Vorname, Name und Matrikelnummer sind in das Feld oben rechts einzutragen. 2. Während der Klausur sind alle Auzeichnungen (auch Nebenrechnungen) in die Originalklausurbögen einzutragen. 3. Privates Papier dar nicht beschrieben werden. 4. Die Hetung der Klausur dar nicht gelöst werden. Augabenblatt 1 von 5

2 5. Es sind nur dokumenteneste Schreibgeräte zulässig. Augabenblatt 2 von 5

3 Hinweise: Teil A (20 P.) 1. Es werden nur vollständig richtige Antworten/Lösungen gewertet. 2. Die richtige(n) Antwort(en) ist (sind) eindeutig zu markieren. Augabe 1A (2 P.) Die SI-Einheit der absoluten Temperatur ist (A) 1 K (B) 1 F (C) 1 K (D) 1 C (E) keine der oben genannten Einheiten Augabe 2A (2 P.) Welcher Zusammenhang besteht zwischen Kondensationswärme Q K und Verdampungswärme Q V? (A) Q K > Q V (B) Q V > Q K (C) Q K < Q V (D) Q K = Q V (E) Q V < Q K Augabe 3A (2 P.) Der bei der Wärmeübertragung wesentliche U-Wert (A) ist ein Maß ür die Wärmeleitung (B) ist ein Maß ür den Wärmeübergang (C) ist ein Maß ür den Wärmedurchgang und (D) hat die Einheit W/(K m²) (E) hat die Einheit W/(K m) (F) hat die Einheit W/K (G) hat die Einheit W/m² Augabe 4A (2 P.) Wenn man die Oberlächentemperatur T eines schwarzen Körpers verdoppelt, dann steigt die Leistung seiner gesamten Temperaturstrahlung um einen Faktor (A) 2 (B) 4 (C) 6 (D) 8 (E) 16 (D) 32 Augabe 5A (2 P.) Ein Damp stehe mit einer Flüssigkeit im dynamischen Gleichgewicht (z.b. Wasserdamp - Wasser). Das Dampvolumen werde durch Kompression halbiert. Der Dampdruck (A) verdoppelt sich (B) halbiert sich (C) bleibt konstant (D) erhöht sich, aber nicht genau au das Doppelte (E) vermindert sich, aber nicht genau au die Hälte Augabe 6A (2 P.) Augabenblatt 3 von 5

4 Feuchte Lut ( ϕ rel < 100% ) ist ein Gasgemisch aus trockener Lut und Wasserdamp. Für die Dichten von euchter Lut ( ) und trockener Lut ( ) gilt bei gleicher Luttemperatur olgende Aussage: (A) (B) (C) (D) = > < = π (E) = 2 (D) Ohne Kenntnis von ϕ rel ist eine eindeutige Vergleichsaussage unmöglich. Hinweis: ϕ rel ist die relative Luteuchtigkeit. Augabe 7A (2 P.) Für die Entropie am absoluten Nullpunkt gilt: (A) S T = 0 = 0 (B) S T = 0 > 0 (C) S T = 0 < 0 (D) Die Entropie ist ür T = 0 nicht deiniert. (E) S = T =0 Augabe 8A (2 P.) Inrarotstrahlung besitzt olgende Eigenschaten: (A) Sie ist eine Ultraschallstrahlung (B) Sie stellt eine unsichtbare Wärmestrahlung dar. (C) Ihre Energie ist größer als die von UV-Strahlung. (D) Sie entsteht im Atomkern von Molekülen durch Nukleonenanregung (E) Sie ist eine elektromagnetische Strahlung. Augabe 9A (2 P.) Bei der neutroneninduzierten Kernspaltung von Uran tritt olgender Spaltprozeß au: n+ U Xe + Z 2 n. Speziizieren Sie das entstehende Spaltprodukt Z! (A) (B) (C) (D) 98 Rb Augabe 10A (2 P.) Augabenblatt 4 von 5

5 Pu ist ein α -Strahler. Geben Sie das beim radioaktiven Zerall Pu X + α enstehende Tochternuklid X an! (A) (B) (C) (D) (E) (F) 243 Pu U Pu 235 Np U X stimmt mit keinem der oben genannten Nukliden überein. Teil B (25 P.) Hinweis Teil B: Es werden nur vollständig richtige Lösungen gewertet. Augabe 11B (5 P.) Der kaliornische Salzsee Badwater im Death Valley Nationalpark liegt etwa 86 m unter dem Meeresspiegel. Er ist der tiestgelegene und gleichzeitig heißeste Ort innerhalb der USA. Der höchste Temperaturwert wurde dort mit t F = 134 F gemessen. Geben Sie diesen Messwert in C an! Augabe 12B (5 P.) Berechnen Sie die Entropieänderung 10 5 Pa au 0,5 10 Pa! 5 S bei isothermer Ausdehnung von m = 6 g Wasserstogas ( H 2 ) von Augabe 13B (5 P.) Eine Wärmekratmaschine mit der Arbeitstemperatur T und mit dem Carnot-Wirkungsgrad η C sei gegeben. Welche Änderung erhöht den Carnot-Wirkungsgrad stärker: die Temperaturerhöhung im wärmeren Reservoir um T = 10 K oder die Temperaturerniedrigung im kälteren Reservoir um T = 10 K? Geben Sie eine rechnerisch undierte Begründung! Augabe 14B (5 P.) Eine Glühbirne besitzt eine Wolramglühwendel, die bei einer Temperatur von etwa 3000 C betrieben wird. Berechnen Sie die Wellenlänge λ der maximalen Strahlungsemission. max Augabe 15B (5 P.) Augabenblatt 5 von 5

6 90 ist ein geährliches Spaltprodukt, das bei Kernwaenexplosionen autritt. Es wandert über die 90 Nahrungskette in den Körper und lagert sich hauptsächlich in den Knochen ab. Die Halbwertszeit von beträgt T1 = 29, 1 Jahre. Brechnen Sie die Zeitdauer t, nach der die Aktivität dieses Radionuklids au 1 % ihres 2 Anangswertes A0 abgeallen ist! Hinweis ür Teil C (45 P.): Nur durch nachvollziehbare Berechnungen belegte Antworten werden gewertet! Augabe 16C (15 P.) Ein schwimmender quaderörmiger Körper mit der homogenen Dichte K und mit dem linearen thermischen 1 Ausdehnungskoeizienten 0, α = K taucht bei 0 C zu 4/5 seiner Höhe H, d.h. um h 0 = H0 in 5 1 Wasser mit dem kubischen Ausdehnungskoeizienten 2, γ = K ein. Berechnen Sie die Eintauchtiee h des Körpers, wenn durch Wärmezuuhr die Temperatur au 90 C erhöht wird. Hinweis: Geben Sie die Eintauchtiee in der Form h = xh0 an! Augabe 17C (15 P.) In einem Hohlzylinder mit 2 cm Innendurchmesser und 50 cm Länge beindet sich Lut [ κ = 1, 4 ; R S = 0, 287 kj/(kg K)] unter Umgebungsbedingungen ( p = 1013 hpa, ϑ = 20 C ). Das Zylindervolumen ist oben durch einen beweglichen Kolben abgeschlossen. a) Welche Energie wird von der Lut augenommen, wenn der Kolben 20 cm weit reibungsrei in den Zylinder geschoben wird und ein Wärmeaustausch mit der Umgebung nicht erolgt? (6 P.) b) Zeichnen Sie ür diesen Vorgang das p,v-diagramm. (4 P.) c) Wie groß sind Druck und Temperatur nach der Verdichtung? (5 P.) Augabe 18C (15 P.) Der Transport- und Lagerbehälter ür abgebrannte Brennelemente CASTOR besteht aus einem speziellen Gusseisen mit d Fe = 40 cm dicker Wandstärke. Für die Berechnung der Abschirmwirkung soll als Leitnuklid die ionisierende γ -Strahlung von Cs-137 zugrunde gelegt werden. Diese besitzt eine Gammaquantenenergie von kev. Für diese Energie beträgt der lineare Schwächungskoeizient ür Eisen µ Fe = 0,6 cm. Der Wirtschatsingenieur Willi Wichtig erhält vom zuständigen Umweltministerium die Weisung, aus 1 Sicherheitsgründen die Castor-Innenwand zusätzlich mit einer Bleischicht ( µ Pb = 1,3 cm ) der Dicke d Pb auszukleiden. Die Dicke d der Bleischicht soll so groß gewählt werden, damit die an der gusseisernen Pb Außenwand des Castorbehälters gemessene (durchgelassene) Strahlungsintensität I bei dieser Pb Fe Sandwich-Konstruktion nur noch ein Billionstel der au die Castor-Innenwand autreenden Strahlungsintensität I 0 beträgt. Berechnen Sie d Pb! Hinweis: Die Fe-/Pb-Schichten können als ebene Platten betrachtet werden. Augabenblatt 6 von 5