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Sustainable Energy 1st Edition By Richard Dunlap - Test Bank

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Chapter 3 Fossil Fuel Resources and Use 3.1 A person's primary energy needs are supplied exclusively by burning oil (with an energy content of 3.85 × 107 J/L). If a person's average power consumption is 12 kW, how long would it take that person to use one barrel of oil (158.97 liters)? So...

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vorschau 4 aus 78   Seiten

  • 29. august 2023
  • 78
  • 2022/2023
  • Prüfung
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, Sustainable Energy - Chapter 1: Energy Basics



Chapter 1
Energy Basics

1.1 One liter of water is cubic meter of water is poured off a 50 m high tower every
second. If the change in gravitational potential energy is converted into electricity with an
efficiency of 86%, how many 60 W light bulbs can be illuminated?

Solution Potential energy is

.

One liter of water has a mass of 1 kg, so for a height difference of 50 m, the corresponding
energy is

E = (1 kg) × (9.8 m/s2) × (50 m) = 490 J.

If this energy is converted into electricity with an efficiency of 85% then the electrical
energy available will be (590 J) × (0.85) = 421 J. If this amount of energy is produced
every second then the corresponding power is

P = (421 J)/(1 s) = 421 W.

This will illuminate

(421 W)/(60 W) = 7 light bulbs.


1.2 A beam of light is comprised of photons with energy 2.1 eV. What is the wavelength of
the light?

Solution A photon's energy is related to frequency by



Frequency is related to the wavelength λ by



so that



1
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,Sustainable Energy - Chapter 1: Energy Basics



Solving for wavelength gives


For an energy of 2.1 eV, the corresponding wavelength is




1.3 A boiler produces steam at 520°C and this steam is used to run a heat engine to
produce mechanical energy. It is desired to use a river as the cold heat reservoir and to
have a Carnot efficiency of 45%. Is this feasible?

Solution Converting to degrees K gives

520°C + 273 = 793 K.

The Carnot efficiency is given by

η = 100 × (1 – Tc/Th)

solving for Tc gives

Tc = Th(1 – η/100)

In order to have a Carnot efficiency of 45% when Th = 793 K requires

Tc = (793 k) × (1 – 0.45) = 436 K = 163°C.

Well within the possibilities of using a river as the cold reservoir.


1.4 Octane produces energy according to the reaction

2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + 44.4 MJ/kg.

If an automobile burns octane and requires 3.0 MJ of thermal energy from combustion to
travel 1 km. How many moles of octane need to be burned for a trip of 100 km?

Solution At 3.0 MJ/km, a trip of 100 km will require 300 MJ of thermal energy from
combustion. As 1 kg of octane produces 44.4 MJ of energy, then to produce 300 MJ will
require

(300 MJ)/(44.4 MJ/kg) = 6.76 kg of octane.

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The molecular mass of octane C8H18 is (8 × 12) + (18 × 1) = 114 g/mol or 0.114 kg/mol.
Thus 6.76 kg will consist of

(6.76 kg)/(0.114 kg/mol) = 59.3 mol


1.5 Ethanol (heat of combustion 28.9 MJ/kg) is burned to produce heat and that heat is
used to raise the temperature of water. How many kg of ethanol will be needed to raise the
temperature of 1 m3 of water from 20°C to its boiling point (but not to convert the liquid to
vapor)?

Solution The energy required to heat an object is given by

E = mcΔT

where m is the mass, c is the specific heat and ΔT is the change in temperature. 1 m 3 of
water will have a mass of 1000 kg and the specific heat of water is 4180 J/(kg°C). So
substituting in the above expression gives the energy required as

E = (1000 kg) × (4180 J/(kg°C) × (100ºC – 20 ºC) = 334 MJ.

For ethanol with a heat of combustion of 28.9 MJ/kg the required heat corresponds to an
ethanol mass of

(334 MJ)/(28.9 MJ/kg) = 11.6 kg.


1.6 A heat pump is used to heat a house. The outside temperature is –5°C and the inside
temperature is +21°C. What is the coefficient of performance of the heat pump?

Solution The temperatures must be converted to Kelvin as

–5°C + 273 = 268 K
+21°C + 273 = 294 K

The coefficient of performance may then be calculated to be

COP = 1/(1 – Tc/Th)) = [1 – (268 K)/(294 K)]–1 = 11.3




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