Fachhochschule Südwestfalen Technische Betriebswirtschaft Klausur Physik und Umwelt II Author: D. Bangert
MUSTERKLAUSUR Physik und Umwelt II Teil
Punkte
A
B
C
Gesamt
Note
Teil A: 20 P. / Teil B: 25 P. Teil C: 45 P. Gesamtpunktzahl: 90 P. Bitte beachten Sie: 1. Vorname, Name und Matrikelnummer sind in das Feld oben rechts einzutragen. 2. Während der Klausur sind alle Aufzeichnungen (auch Nebenrechnungen) in die Originalklausurbögen einzutragen. 3. Privates Papier darf nicht beschrieben werden. 4. Die Heftung der Klausur darf nicht gelöst werden. 5. Es sind nur dokumentenfeste Schreibgeräte zulässig.
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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. Aufgabe 1A (2 P.) Welcher Zusammenhang besteht zwischen Kondensationswärme QK und Verdampfungswärme QV? (A) QK > QV
(B) QV > QK
(C) QK < QV
(D) QK = QV
(E) QV < QK
Aufgabe 2A (2 P.) Der bei der Wärmeübertragung wesentliche U-Wert (A) ist ein Maß für die Wärmeleitung (B) ist ein Maß für den Wärmeübergang (C) ist ein Maß für 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
Aufgabe 3A (2 P.) Wenn man die Oberflächentemperatur 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
Aufgabe 4A (2 P.) Ein Dampf stehe mit einer Flüssigkeit im dynamischen Gleichgewicht (z.B. Wasserdampf - Wasser). Das Dampfvolumen werde durch Kompression halbiert. Der Dampfdruck (A) verdoppelt sich (B) halbiert sich (C) bleibt konstant (D) erhöht sich, aber nicht genau auf das Doppelte (E) vermindert sich, aber nicht genau auf die Hälfte
Aufgabe 5A (2 P.) Zwischen Heizwert und Brennwert existiert folgender Zusammenhang: (A) (B) (C )
Ho = Hu Hu > Ho Ho < Hu Aufgabenblatt 2 von 6
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Aufgabe 6A (2 P.) Markieren Sie die richtige Aussage: Für die freie Schwingung eines Federpendels gilt (A )
Die Gesamtenergie E = E kin + E pot nimmt mit der Zeit ab.
(B) (C) (D)
Die Kreisfrequenz ω0 nimmt mit der Zeit ab. Die Amplitude bleibt unabhängig von der Zeit konstant. Die Schwingungsdauer ist unabhängig von der Pendelmasse.
Aufgabe 7A (2 P.) Markieren Sie die beiden richtigen Aussagen, die für die Schallausbreitung in Luft gelten: (A) (B) (C) (D) (E)
Schallwellen sind elektromagnetischer Natur. Schallwellen in Luft sind Transversalwellen. Schallwellen in Luft sind Longitudinalwellen. Die Luftmoleküle schwingen bei Schallausbreitung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Es treten bei Schallausbreitung periodische Dichteänderungen auf.
Aufgabe 8A (2 P.) Infrarotstrahlung besitzt folgende Eigenschaften: (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.
Aufgabe 9A (2 P.) Bei der neutroneninduzierten Kernspaltung von Uran tritt folgender Spaltprozeß auf: 1 0
137 1 n + 235 92 U → 54 Xe + Z + 20 n . Spezifizieren Sie das entstehende Spaltprodukt Z!
(A)
98 38
Rb
(B)
98 38
Sr
(C)
99 38
Sr
(D)
97 38
Sr
Aufgabe 10A (2 P.) 239 94
Pu ist ein α -Strahler. Geben Sie das beim radioaktiven Zerfall
239 94
Pu → X + α enstehende
Tochternuklid X an! (A)
243 94
(B)
243 92
(C)
235 92
Pu
(D)
235 94
Np
Pu
U
Aufgabenblatt 3 von 6
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X stimmt mit keinem der oben genannten Nukliden überein.
U
Teil B (25 P.) Hinweis Teil B: Es werden nur vollständig richtige Lösungen gewertet. Aufgabe 11B (5 P.) Eine Wärmekraftmaschine mit der Arbeitstemperatur T und mit dem Carnot-Wirkungsgrad ηC 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 fundierte Begründung!
Aufgabe 12B (5 P.) Eine Glühbirne besitzt eine Wolframglühwendel, die bei einer Temperatur von etwa 3000°C betrieben wird. Berechnen Sie die Wellenlänge λ max der maximalen Strahlungsemission.
Aufgabe 13B (5 P.) Ein frei schwingendes Federpendel mit der Federkonstante (Richtgröße) D = 39,4785 N / m soll eine Schwingungsdauer von genau 1 s besitzen. Welche Pendelmasse m muss dazu gewählt werden?
Aufgabe 14B (5 P.) Die Schallgeschwindigkeit von Luft bei ϑ = 0°C beträgt c = 331,6 m / s . Wie groß ist die Schallgeschwindigkeit bei ϑ = 40°C ?
Aufgabe 15B (5 P.) 90
Sr ist ein gefährliches Spaltprodukt, das bei Kernwaffenexplosionen auftritt. Es wandert über die
Nahrungskette in den Körper und lagert sich hauptsächlich in den Knochen ab. Die Halbwertszeit von 90 Sr beträgt T 1 = 29 ,1 Jahre. Brechnen Sie die Zeitdauer t, nach der die Aktivität dieses Radionuklids auf 1 % ihres 2
Anfangswertes A0 abgefallen ist!
Aufgabenblatt 4 von 6
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Hinweis für Teil C (45 P.): Nur durch nachvollziehbare Berechnungen belegte Antworten werden gewertet! Aufgabe 16C (15 P.) Gegeben ist eine ebene Wand, die aus einer 12,5 cm dicken Schicht des Materials A und einer 20 cm dicken Schicht des Materials B besteht. Die Temperatur der äußeren Oberfläche der Schicht A beträgt ϑA = 260 °C , die der äußeren Oberfläche der Schicht B ϑB = 32 °C . Dieser Sachverhalt ist in der unten stehenden Abbildung dargestellt. A
B
ϑA λ A
λB
δA
δB
A
B
ϑ'A
ϑ'B λA
λB
δA
δB
q ϑB
ISO q' λISO
ϑISO
δISO
Wird die äußere Oberfläche der Schicht B mit einer 2,5 cm dicken Isolierschicht entsprechend Abb. 2 belegt ( λIso = 0,075 W /(m K ) ), so werden folgende Temperaturen festgestellt: Oberflächentemperatur der Schicht A: ϑ′A = 305 °C Temperatur an der Verbindungsstelle von Schicht B und Isolierschicht: ϑ′B = 219 °C Oberflächentemperatur der Isolierschicht: ϑIso = 27 °C Berechnen Sie den im stationären Zustand durch die Wandkonstruktion hindurchtretenden Wärmestrom pro Flächeneinheit. a) mit Isolierschicht (Wärmestromdichte q& ′ ) b) ohne Isolierschicht (Wärmestromdichte q& ).
Aufgabe 17C (15 P.) In einem Büroraum befinden sich folgende Schallquellen mit bekanntem Schallpegel: ein Drucker L1 = 68 dB , zwei Sprechende mit jeweils L 2 = 60 dB und der Straßenlärm durch ein geöffnetes Fenster mit L3 = 57 dB . a) Wie groß ist der Gesamtwert der Schallintensität I? b) Wie groß ist der gesamte Schallpegel L?
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Aufgabe 18C (15 P.) Der Transport- und Lagerbehälter für abgebrannte Brennelemente CASTOR besteht aus einem speziellen Gusseisen mit dFe = 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
662 keV. Für diese Energie beträgt der lineare Schwächungskoeffizient für Eisen µ Fe = 0,6 cm −1 . Der Wirtschaftsingenieur Willi Wichtig erhält vom zuständigen Umweltministerium die Weisung, aus Sicherheitsgründen die Castor-Innenwand zusätzlich mit einer Bleischicht ( µ Pb = 1,3 cm −1 ) der Dicke dPb auszukleiden. Die Dicke dPb der Bleischicht soll so groß gewählt werden, damit die an der gusseisernen Außenwand des Castorbehälters gemessene (durchgelassene) Strahlungsintensität IPb −Fe bei dieser Sandwich-Konstruktion nur noch ein Billionstel der auf die Castor-Innenwand auftreffenden Strahlungsintensität I0 beträgt. Berechnen Sie dPb ! Hinweis: Die Fe-/Pb-Schichten können als ebene Platten betrachtet werden.
