Физика в нашей жизни, страница 67 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Физика в нашей жизни

Таблица 1. Выход биотоплива – этанола по видам сырья и странам

C/х культура Общемировые оценки / оценки по странам Био-топливо Урожайность культуры (тонны / га) Эффективность преобразования (литры / тонна) Выход биотоплива (литры / га)

Сахарный тростник Бразилия Этанол 73,5 74,5 5476

Сахарный тростник Индия Этанол 60,7 74,5 4522

Кукуруза США Этанол 9,4 399 3751

Кукуруза Китай Этанол 5,0 399 1995

Маниока Бразилия Этанол 13,6 137 1863

Маниока Нигерия Этанол 10,8 137 1480

Таблица 2. Численность населения и автопарк легковых автомобилей в ряде стран, производящих биотопливо

№ Страна Авто/1000 чел. Год Население страны

1 США 809 2018 327631340

2 Бразилия 249 2016 206081432

3 Китай 154 2016 1395000000

Задание

Определите годовую потребность топлива при полном переходе машин на этанол для США, Бразилии и Китая. Какая площадь необходима для выращивания культур? Какой расход воды необходим для полива всех площадей?

В расчетах примите средний расход этанола равным 8 литров на 100 км, средний пробег одного автомобиля 17 тыс. км в год. Для обеспечения высокой урожайности сезонная потребность растений в воде составляет около 1100-1500 мм/га.

Ответьте на вопросы

1. Из какого сырья производят этанол?

2. В какой стране эффективность преобразования сырья в этанол выше? С чем это связано?

Определите годовую потребность топлива при полном переходе машин на этанол для США, Бразилии и Китая. Какая площадь необходима для выращивания культур? Какой расход воды необходим для полива всех площадей?

Дано:

Средний расход этанола на 100 км ($q_{100}$): 8 л
Средний годовой пробег автомобиля ($\text{L}$): 17 000 км
Сезонная потребность в воде ($W_{season}$): 1100–1500 мм/га. Для расчетов примем среднее значение 1300 мм/га.
Данные по странам, культурам, урожайности и выходу этанола из Таблицы 1.
Данные по населению и автопарку из Таблицы 2.

Найти:

Годовую потребность в этаноле ($V_{total}$) для США, Бразилии, Китая.
Необходимую площадь для выращивания культур ($\text{S}$) для США, Бразилии, Китая.
Необходимый расход воды для полива ($W_{total}$) для США, Бразилии, Китая.

Решение:

1. Рассчитаем годовую потребность в этаноле для одного автомобиля ($V_{car}$).
$V_{car} = \frac{L}{100 \text{ км}} \times q_{100} = \frac{17000}{100} \times 8 \text{ л} = 170 \times 8 = 1360 \text{ л}$

2. Рассчитаем количество автомобилей ($\text{N}$) в каждой стране, используя данные из Таблицы 2.
$N = \text{Население} \times \frac{\text{Авто/1000 чел.}}{1000}$
$N_{США} = 327631340 \times \frac{809}{1000} \approx 265 \ 054 \ 000$ автомобилей
$N_{Бразилия} = 206081432 \times \frac{249}{1000} \approx 51 \ 314 \ 000$ автомобилей
$N_{Китай} = 1395000000 \times \frac{154}{1000} = 214 \ 830 \ 000$ автомобилей

3. Рассчитаем общую годовую потребность в этаноле ($V_{total}$) для каждой страны.
$V_{total} = N \times V_{car}$
$V_{США} = 265054000 \times 1360 \text{ л} \approx 360.5 \times 10^9 \text{ л} = 360.5 \text{ млрд л}$
$V_{Бразилия} = 51314000 \times 1360 \text{ л} \approx 69.8 \times 10^9 \text{ л} = 69.8 \text{ млрд л}$
$V_{Китай} = 214830000 \times 1360 \text{ л} \approx 292.2 \times 10^9 \text{ л} = 292.2 \text{ млрд л}$

4. Рассчитаем необходимую площадь ($\text{S}$) для выращивания культур, используя данные о выходе биотоплива (л/га) из Таблицы 1. Для каждой страны берем наиболее эффективную культуру из представленных в таблице: для США и Китая — кукуруза, для Бразилии — сахарный тростник.
$S = \frac{V_{total}}{\text{Выход биотоплива с 1 га}}$
Выход биотоплива для США (кукуруза): 3751 л/га
$S_{США} = \frac{360.5 \times 10^9 \text{ л}}{3751 \text{ л/га}} \approx 96.1 \times 10^6 \text{ га} = 96.1 \text{ млн га}$
Выход биотоплива для Бразилии (сахарный тростник): 5476 л/га
$S_{Бразилия} = \frac{69.8 \times 10^9 \text{ л}}{5476 \text{ л/га}} \approx 12.7 \times 10^6 \text{ га} = 12.7 \text{ млн га}$
Выход биотоплива для Китая (кукуруза): 1995 л/га
$S_{Китай} = \frac{292.2 \times 10^9 \text{ л}}{1995 \text{ л/га}} \approx 146.5 \times 10^6 \text{ га} = 146.5 \text{ млн га}$

5. Рассчитаем необходимый годовой расход воды ($W_{total}$) для полива. Потребность в воде 1300 мм/га эквивалентна $13000 \text{ м}^3/\text{га}$ (т.к. $1 \text{ мм}$ осадков на $1 \text{ га}$ равен $10 \text{ м}^3$ воды).
$W_{total} = S \times 13000 \text{ м}^3/\text{га}$
$W_{США} = 96.1 \times 10^6 \text{ га} \times 13000 \frac{\text{м}^3}{\text{га}} \approx 1.25 \times 10^{12} \text{ м}^3 = 1250 \text{ млрд м}^3$
$W_{Бразилия} = 12.7 \times 10^6 \text{ га} \times 13000 \frac{\text{м}^3}{\text{га}} \approx 0.165 \times 10^{12} \text{ м}^3 = 165 \text{ млрд м}^3$
$W_{Китай} = 146.5 \times 10^6 \text{ га} \times 13000 \frac{\text{м}^3}{\text{га}} \approx 1.90 \times 10^{12} \text{ м}^3 = 1900 \text{ млрд м}^3$

Ответ:
Для США: годовая потребность в этаноле составляет около 360.5 млрд литров, для чего потребуется засеять 96.1 млн гектаров кукурузы и затратить на полив около 1250 млрд кубических метров воды.
Для Бразилии: годовая потребность в этаноле — около 69.8 млрд литров, необходимая площадь под сахарный тростник — 12.7 млн гектаров, расход воды — 165 млрд кубических метров.
Для Китая: годовая потребность в этаноле — около 292.2 млрд литров, для чего потребуется 146.5 млн гектаров кукурузы и 1900 млрд кубических метров воды для полива.

1. Из какого сырья производят этанол?

Согласно данным из Таблицы 1, этанол производят из различного сельскохозяйственного сырья. В таблице приведены следующие культуры: сахарный тростник, кукуруза и маниока.

Ответ: Этанол производят из сахарного тростника, кукурузы и маниоки.

2. В какой стране эффективность преобразования сырья в этанол выше? С чем это связано?

Эффективность преобразования сырья в этанол измеряется в литрах на тонну (л/тонна). Согласно Таблице 1, этот показатель самый высокий для кукурузы, используемой в США и Китае, и составляет 399 л/тонна. Эффективность для маниоки (137 л/тонна) и сахарного тростника (74,5 л/тонна) значительно ниже. Таким образом, наибольшая эффективность преобразования достигается в США и Китае при переработке кукурузы.
Это связано с химическим составом сырья и технологией переработки. Зерна кукурузы содержат высокую концентрацию крахмала, который с высокой эффективностью гидролизуется до глюкозы и затем ферментируется (сбраживается) в этанол. У других культур, таких как сахарный тростник, в общей массе (тонне) содержится больше воды и клетчатки (багассы), что снижает выход этанола на единицу массы сырья.

Ответ: Эффективность преобразования сырья в этанол выше в США и Китае при использовании кукурузы. Это связано с высоким содержанием крахмала в кукурузном зерне и развитыми технологиями его переработки в спирт.