Физика в нашей жизни, страница 51 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Физика в нашей жизни

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

C/x культура Общемировые оценки/оценки по странам Биотопливо Урожайность культуры (тонны/га) Эффективность преобразования (литры/тонны) Выход биотоплива (литры/га)

Сахарный тростник Бразилия Этанол 73,5 74,5 5476

Сахарный тростник Индия Этанол 60,70 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 л 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?

Интересно знать

В 1998 г. в Алматы был построен завод LG Electronics, который сегодня является первым и единственным предприятием в Центральной Азии по производству электроники мирового класса. На фотографиях линии по сборке телевизоров и печатных плат (рис. 46).

Рис. 46.

Задание

Дано:

Средний расход этанола на автомобиль ($\text{C}$): 8 л/100 км
Средний годовой пробег автомобиля ($\text{L}$): 17 тыс. км/год
Сезонная потребность растений в воде ($h_{воды}$): 1100–1500 мм/га
Данные для США (из Таблиц 1 и 2):
Население ($N_{США}$): 327 631 340 чел.
Количество автомобилей на 1000 чел. ($k_{США}$): 809
Культура для производства этанола: Кукуруза
Выход биотоплива с гектара ($Y_{США}$): 3751 л/га
Данные для Бразилии (из Таблиц 1 и 2):
Население ($N_{Бразилия}$): 206 081 432 чел.
Количество автомобилей на 1000 чел. ($k_{Бразилия}$): 249
Культура для производства этанола: Сахарный тростник
Выход биотоплива с гектара ($Y_{Бразилия}$): 5476 л/га
Данные для Китая (из Таблиц 1 и 2):
Население ($N_{Китай}$): 1 395 000 000 чел.
Количество автомобилей на 1000 чел. ($k_{Китай}$): 154
Культура для производства этанола: Кукуруза
Выход биотоплива с гектара ($Y_{Китай}$): 1995 л/га

Перевод в СИ и расчетные единицы:
$C = 8 \text{ л} / 100 \text{ км} = 0,08 \text{ л/км}$
$L = 17000 \text{ км/год}$
$h_{воды} = (1100-1500) \text{ мм/га} = (1,1-1,5) \text{ м/га}$. Объем воды на 1 га ($V_{воды/га}$): $1 \text{ га} = 10000 \text{ м}^2$, следовательно, $V_{воды/га} = (1,1-1,5) \text{ м} \times 10000 \text{ м}^2 = (11000-15000) \text{ м}^3/\text{га}$.
$Y_{США} = 3751 \text{ л/га} = 3,751 \text{ м}^3/\text{га}$
$Y_{Бразилия} = 5476 \text{ л/га} = 5,476 \text{ м}^3/\text{га}$
$Y_{Китай} = 1995 \text{ л/га} = 1,995 \text{ м}^3/\text{га}$

Найти:

Годовую потребность в этаноле для каждой страны: $V_{топл, США}, V_{топл, Бразилия}, V_{топл, Китай}$
Необходимую площадь для выращивания культур: $S_{США}, S_{Бразилия}, S_{Китай}$
Необходимый расход воды для полива: $V_{воды, США}, V_{воды, Бразилия}, V_{воды, Китай}$

Решение:

1. Рассчитаем годовую потребность в топливе для одного автомобиля ($V_{авто}$):
$V_{авто} = C \times L = 0,08 \text{ л/км} \times 17000 \text{ км/год} = 1360 \text{ л/год}$

2. Рассчитаем общее количество автомобилей ($N_{авто}$) и общую годовую потребность в топливе ($V_{топл}$) для каждой страны.

Для США:
Количество автомобилей: $N_{авто, США} = \frac{N_{США} \times k_{США}}{1000} = \frac{327631340 \times 809}{1000} \approx 2,65 \times 10^8$ автомобилей.
Годовая потребность в топливе: $V_{топл, США} = N_{авто, США} \times V_{авто} = 2,65 \times 10^8 \times 1360 \text{ л} \approx 3,60 \times 10^{11} \text{ л}$.

Для Бразилии:
Количество автомобилей: $N_{авто, Бразилия} = \frac{N_{Бразилия} \times k_{Бразилия}}{1000} = \frac{206081432 \times 249}{1000} \approx 5,13 \times 10^7$ автомобилей.
Годовая потребность в топливе: $V_{топл, Бразилия} = N_{авто, Бразилия} \times V_{авто} = 5,13 \times 10^7 \times 1360 \text{ л} \approx 6,98 \times 10^{10} \text{ л}$.

Для Китая:
Количество автомобилей: $N_{авто, Китай} = \frac{N_{Китай} \times k_{Китай}}{1000} = \frac{1395000000 \times 154}{1000} \approx 2,15 \times 10^8$ автомобилей.
Годовая потребность в топливе: $V_{топл, Китай} = N_{авто, Китай} \times V_{авто} = 2,15 \times 10^8 \times 1360 \text{ л} \approx 2,92 \times 10^{11} \text{ л}$.

3. Рассчитаем необходимую площадь ($\text{S}$) для выращивания культур, разделив годовую потребность в топливе на выход биотоплива с гектара.

$S_{США} = \frac{V_{топл, США}}{Y_{США}} = \frac{3,60 \times 10^{11} \text{ л}}{3751 \text{ л/га}} \approx 9,60 \times 10^7 \text{ га}$
$S_{Бразилия} = \frac{V_{топл, Бразилия}}{Y_{Бразилия}} = \frac{6,98 \times 10^{10} \text{ л}}{5476 \text{ л/га}} \approx 1,27 \times 10^7 \text{ га}$
$S_{Китай} = \frac{V_{топл, Китай}}{Y_{Китай}} = \frac{2,92 \times 10^{11} \text{ л}}{1995 \text{ л/га}} \approx 1,46 \times 10^8 \text{ га}$

4. Рассчитаем необходимый расход воды для полива ($V_{воды}$), умножив площадь на потребность в воде на гектар. Используем диапазон $11000-15000 \text{ м}^3/\text{га}$.

$V_{воды, США} = S_{США} \times V_{воды/га} = 9,60 \times 10^7 \text{ га} \times (11000 - 15000) \text{ м}^3/\text{га} \approx (1,06 - 1,44) \times 10^{12} \text{ м}^3$.
$V_{воды, Бразилия} = S_{Бразилия} \times V_{воды/га} = 1,27 \times 10^7 \text{ га} \times (11000 - 15000) \text{ м}^3/\text{га} \approx (1,40 - 1,91) \times 10^{11} \text{ м}^3$.
$V_{воды, Китай} = S_{Китай} \times V_{воды/га} = 1,46 \times 10^8 \text{ га} \times (11000 - 15000) \text{ м}^3/\text{га} \approx (1,61 - 2,19) \times 10^{12} \text{ м}^3$.

Ответ:

Для США:
Годовая потребность в этаноле: $\approx 3,60 \times 10^{11}$ литров.
Необходимая площадь: $\approx 9,60 \times 10^7$ гектаров.
Расход воды для полива: $\approx (1,06 - 1,44) \times 10^{12}$ м³.
Для Бразилии:
Годовая потребность в этаноле: $\approx 6,98 \times 10^{10}$ литров.
Необходимая площадь: $\approx 1,27 \times 10^7$ гектаров.
Расход воды для полива: $\approx (1,40 - 1,91) \times 10^{11}$ м³.
Для Китая:
Годовая потребность в этаноле: $\approx 2,92 \times 10^{11}$ литров.
Необходимая площадь: $\approx 1,46 \times 10^8$ гектаров.
Расход воды для полива: $\approx (1,61 - 2,19) \times 10^{12}$ м³.

Ответьте на вопросы

1. Из какого сырья производят этанол?

Согласно данным из Таблицы 1, этанол для биотоплива производят из различных сельскохозяйственных культур. В таблице перечислены:
- Сахарный тростник
- Кукуруза
- 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 указана в столбце "Эффективность преобразования (литры/тонны)". Сравнивая значения из Таблицы 1 для разных культур, видим:
- Кукуруза: 399 л/тонну
- Маниока: 137 л/тонну
- Сахарный тростник: 74,5 л/тонну
Наибольшая эффективность (399 л/тонну) достигается при переработке кукурузы. Согласно таблице, эту культуру для производства этанола используют в США и Китае. Таким образом, в этих странах достигается самая высокая эффективность преобразования сырья.
Это связано с химическим составом сырья и технологией переработки. Кукуруза имеет очень высокое содержание крахмала. Современные промышленные процессы позволяют с высокой эффективностью гидролизовать (расщеплять) крахмал до глюкозы, которая затем сбраживается в этанол. Хотя в сахарном тростнике содержатся простые сахара, готовые к брожению, их массовая доля в тонне сырого тростника (который содержит много воды и волокнистой массы) оказывается ниже, чем эквивалентная массовая доля углеводов в тонне кукурузного зерна.

Ответ: Наибольшая эффективность преобразования сырья в этанол достигается при переработке кукурузы, используемой в США и Китае. Это связано с высоким содержанием крахмала в кукурузном зерне и развитыми технологиями его переработки в спирт.