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– 2 – SPEC/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX

section a

Answer all the questions in the spaces provided.

a1. This question is about the electrical power available from a wind turbine.

The maximum electrical power generated by a wind turbine, Pout , was measured over a range of incident wind speeds, vin.

The graph below shows the variation with vin of Pout. Uncertainties for the data are not shown.

Pout / kW

800

700

600

500

400

300

200

100

0 0 5 10 15 vin / m s–1

(a) It is suggested that Pout is proportional to vin .

(i) Drawthelineofbest-fitforthedatapoints. [1]

(ii) State one reason why the line you have drawn does not support this hypothesis.

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[1]

(iii) The uncertainty in the power at 15 m s–1 is 5 %. Draw an error bar on the graph to represent this uncertainty. [2]

(This question continues on the following page)

– 3 –

turn over

SPEC/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX

(Question A1 continued)

(b) The theoretical relationship between the available power in the wind, Pin, and incident wind speed is shown in the graph below.

Pin / kW

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0 0 5 10 15 20 25 vin / m s–1

Using both graphs,

(i) determinetheefficiencyoftheturbineforanincidentwindspeedof14ms–1.

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[3]

(ii) suggest, without calculation, how the efficiency of the turbine changes withincreasing wind speed.

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[3]



(Question A1 continued)

(c) Outline one advantage and one disadvantage of using wind turbines to generate electrical energy.

Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Disadvantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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[2]

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–6– M09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+

a3. Thisquestionisaboutenergytransfers.

(a) Energy degradation takes place in the energy transformations which occur in thegeneration of electrical power. Explain what is meant in this context by energydegradation.

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[2]

Some of the energy transformations that take place in a coal-fired power station arerepresentedbytheSankeydiagrambelow.

w

A

B

C

Dynamo(generator)

BoilerCoal

(b) (i) Statewhatisrepresentedbythewidthw.

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[1]

(ii) At the three places marked A, B and C on the diagram, energy is degraded.Identifytheprocessbywhichtheenergyisdegradedineachoftheplaces.

A: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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B: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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C: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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turn over

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Section b

This section consists of three questions: B1, B2, and B3. Answer one question.

b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutgreenhouseeffectandPart 2isaboutmotionofaballfallinginoil.

Part 1 Greenhouseeffect

(a) Thegraphshowspartoftheabsorptionspectrumofnitrogenoxide N O2( ) inwhichtheintensityofabsorbedradiationAisplottedagainstfrequencyf.

A /arbitraryunits

0 1 2 3 4 5 6f/×1013Hz

(i) Statetheregionoftheelectromagneticspectrumtowhichtheresonantfrequencyofnitrogenoxidebelongs.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

[1]

(ii) Using your answer to (a)(i), explain why nitrogen oxide is classified as agreenhousegas.

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[2]


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(Question B1, part 1 continued)

(b) Defineemissivityandalbedo.

Emissivity:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Albedo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

[3]

(c) ThediagramshowsasimpleenergybalanceclimatemodelinwhichtheatmosphereandthesurfaceofEartharetwobodieseachatconstanttemperature.ThesurfaceoftheEarthreceivesbothsolarradiationandradiationemittedfromtheatmosphere.AssumethattheEarth’ssurfacebehavesasablackbody.

242K

solarradiationatmosphericradiation

344 2Wm−

atmosphereα=0.280

e=0.720

Earth’ssurface

288K

Thefollowingdataareavailableforthismodel.

averagetemperatureoftheatmosphereofEarth =242K emissivity,eoftheatmosphereofEarth =0.720 averagealbedo,αoftheatmosphereofEarth =0.280 solarintensityattopofatmosphere =344Wm–2

averagetemperatureofthesurfaceofEarth =288K


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–9–

turn over


(Question B1, Part 1 (c) continued)

Usethedatatoshowthatthe

(i) powerradiatedperunitareaoftheatmosphereis140Wm–2.

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[2]

(ii) solarpowerabsorbedperunitareaatthesurfaceoftheEarthis248Wm–2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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[1]

(d) Itishypothesizedthat,iftheproductionofgreenhousegasesweretostayatitspresentlevel then the temperature of the Earth’s atmospherewould eventually rise by 6.0K.Calculatethepowerperunitareathatwouldthenbe

(i) radiatedbytheatmosphere.

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[1]

(ii) absorbedbytheEarth’ssurface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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[1]

(e) Estimate,usingyouranswerto(d)(ii),theincreaseintemperatureofEarth’ssurface.

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(Question B1 continued)

Part 2 Fossilfuels

(a) ASankeydiagramforthegenerationofelectricalenergyusingfossilfuelastheprimaryenergysourceisshown.

fuelinput

electricaloutput

generatorlosses

(i) Statewhatismeantbyafuel.

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[1]

(ii) Statetwoexamplesoffossilfuels.

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(iii) Explainwhyfossilfuelsaresaidtobenon-renewable.

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[2]


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–15–

Turn over



(iv) UsetheSankeydiagramtoestimatetheefficiencyofproductionofelectricalenergyandexplainyouranswer.

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[2]

(b) Despitethefactthatfossilfuelsarenon-renewableandcontributetoatmosphericpollutionthereiswidespreaduseofsuchfuels.Suggestthreereasonsforthiswidespreaduse.

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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b3. Thisquestion is in two parts. Part 1 is aboutwavepower. Part 2 is about thealbedooftheEarth.

Part 1 Wavepower

(a) Outlinehowtheenergyofawavecanbeconvertedtoelectricalenergy.

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[2]

(b) A wave on the surface of water is assumed to be a square-wave of height 2A,as shown.

2A

L

λ

Thewavehaswavelengthλ,speedvandhasawavefrontoflengthL.Forthiswave,

(i) showthatthegravitationalpotentialenergyEPstoredinonewavelengthofthewaveisgivenby

E A g LP = 12

2λ ρ

whereρisthedensityofthewaterandgistheaccelerationoffreefall.

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(ii) deduce that the gravitationalwave powerP per unit length of thewavefront isgivenby

P A vg= 12

2 ρ

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–21–

Turn over



(c) Thedensityofsea-wateris1.2×103kgm–3.Usingtheexpressionin(b)(ii),estimatethegravitationalpowerpermetrelengthavailableinawaveofheight0.60m.

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(d) Inpracticeawaterwaveisapproximatelysinusoidalincross-section.Outlinewhetherasinewaveofthesameheightasin(b)transfersagreaterorasmalleramountofpowerthanthatderivedin(b)(ii).

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(e) Listtwoadvantagesoftheutilisationofwavepowerratherthanphotovoltaiccellsforthegenerationofelectricpower.

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Part 2 AlbedooftheEarth

(a) Outline the mechanism by which a gas, such as carbon dioxide, absorbs infra-redradiation.

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(b) State, with reference to your answer in (a), why carbon dioxide is known as agreenhouse gas.

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(c) Statethenameofanothergreenhousegas.

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(d) In the last fifty years the amount of carbon dioxide in the Earth’s atmosphere hasincreasedsignificantly. Explain

(i) whythisincreasecouldaccountforglobalwarming.

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(ii) whateffectthishashadontheaveragealbedooftheEarth.

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(e) IthasbeenestimatedthatdoublingtheamountofcarbondioxideintheEarth’satmospherechanges the albedo of the Earth by 0.01. Use the data to show that this doublingwill lead to a change of about 3Wm–2 in the intensity being reflected by the Earthintospace.

AverageintensityreceivedatEarthfromtheSun=340Wm–2

Averagealbedo=0.30

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(f) Stateonereasonwhytheanswerto(e)isanestimate.

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Section b

This section consists of three questions: B1, B2 and B3. Answer one question.

b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1 isaboutapumped-storagepowerstation.Part 2isaboutforcesandenergies.

Part 1 Pumped-storagepowerstation

(a) Thediagram,nottoscale,showsapumped-storagepowerstationusedforthegenerationofelectricalenergy.

310m

tank

pipe

turbine

lake

Waterstoredinthetankisallowedtofallthroughapipetoalakeviaaturbine.Theturbineis connected to an electrical generator. The pumped-storage ac generator system isreversiblesothatwatercanbepumpedfromthelaketothetank.

Thetankis50mdeepandhasauniformareaof5.0× 104m2.Theheightfromthebottomofthetanktotheturbineis310m.Thedensityofwateris1.0× 103kgm–3.


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turn over

N09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX+


(i) Showthatthemaximumenergythatcanbedeliveredtotheturbinebythefallingwaterisabout8× 1012J.

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(ii) Theflowrateofwaterinthepipeis400m3s–1.Calculatethepowerdeliveredbythefallingwater.

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0 9 2 2

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(b) Theenergylossesinthepowerstationareshowninthefollowingtable.

Source of energy loss Percentage loss of energyfrictionandturbulenceofwaterinpipe 27

frictioninturbineandacgenerator 15

electricalheatinglosses 5

(i) Calculate the overall efficiency of the conversion of the gravitational potentialenergyofwaterinthetankintoelectricalenergy.

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(ii) SketchaSankeydiagramtorepresenttheenergyconversioninthepowerstation. [2]


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turn over



(c) The electrical power produced at the power station is transmitted by cables to theconsumer.

(i) Outlinehowtheenergylossesintransmissionareminimized.

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(ii) State one advantage and one disadvantage that a pumped-storage system hascompared toa tidalwaterstoragesystem.

Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Disadvantage:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(c) Intensive scientific effort is devoted to developing nuclear fusion as a futureenergy source. Discuss what could be the social and environmental benefits ofusing nuclear fusion as compared with nuclear fission as an energy source.

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turn over



Part 2 Globalwarming

(a) Onereasonoftensuggestedforglobalwarmingistheenhancedgreenhouseeffect.

(i) Statewhatismeantbytheenhancedgreenhouseeffect.

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(ii) Statetwo otherpossiblecausesofglobalwarming.

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(b) OneeffectofglobalwarmingistomelttheAntarcticicesheet.ThefollowingdataareavailablefortheAntarcticicesheetandtheEarth’soceans.

Areaoficesheet =1.4×107km2

Averagethicknessofice =1.5×103m Densityofice =920kgm–3

Densityofwater = 1000kgm–3

AreaofEarth’soceans =3.8×108km2

Usingthedata,determinethe

(i) massoftheAntarcticice.

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(ii) changeinmeansealevelifalltheAntarcticicesheetweretomeltandflowintotheoceans.

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(c) Outlinethedifference,ifany,thatthemeltingofoceanicicesheetsmakestothemeansea levelof theEarth.

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(e) Methaneisclassifiedasagreenhousegas.

(i) Describe what is meant by a greenhouse gas.

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(ii) Electromagnetic radiation of frequency �.1×1013 Hz is in the infrared region of the electromagnetic spectrum. Suggest, based on the information given in (b)(ii), whymethane isclassifiedasagreenhousegas.

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– 15 –

turn over


b2. This question is about nuclear power production.

(a) The purpose of a nuclear power station is to produce electrical energy from nuclear energy. The diagram below is a representation of the principal components of a nuclear reactor pile used in a certain type of nuclear power station that uses uranium as a fuel.

uranium fuel rods

control rods

graphite block (moderator)

The function of the moderator is to slow down the neutrons produced in a reaction such as that described above.

Explain,

(i) why it is necessary to slow down the neutrons.

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(ii) the function of the control rods.

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(b) With reference to the concept of fuel enrichment in a nuclear reactor explain,

(i) the advantage of enriching the uranium used in a nuclear reactor.

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(ii) from an international point of view, a possible risk to which fuel enrichment could lead.

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[2]

(c) A particular nuclear reactor uses uranium-235 as its fuel source. When a nucleus of uranium-235 absorbs a neutron, the following reaction can take place.

�2235

01

54144

38�0

01U n Xe Sr n.+ → + + 2

The following data are available.

rest mass of �2235 U = 2.18�×105MeVc–2

rest mass of 54144 Xe = 1.346×105MeVc–2

rest mass of 38�0Sr = 8.375×104MeVc–2

rest mass of 01n =940.0MeVc–2

(i) Showthattheenergyreleasedinthereactionisapproximately180MeV.

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(ii) State the form in which the energy appears.

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– 17 –

turn over



(d) Theenergyreleasedby1atomofcarbon-12duringcombustionisapproximately4eV.

(i) Using the answer to (c)(i), estimate the ratio

energy density of uranium-235energy density of carbon-12

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(ii) Suggest, with reference to your answer in (d)(i), one advantage of uranium-235 compared with fossil fuels.

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