В своей жизни мы постоянно встречаетесь с различными двигателями. Они приводят в движение автомобилям и самолетам, тракторам, кораблям и железнодорожным локомотивам. Электрический ток вырабатывается преимущественно с помощью тепловых машин. Именно появление и дальнейшее распространение тепловых машин обеспечили возможность для быстрого развития промышленности в XVIII -XX вв.

Работа тепловых машин связана с использованием ископаемого топлива. Современное мировое сообщество использует энергетические ресурсы в огромных масштабах. Например, за 2007 год энергопотребление составило примерно 5.1017 кДж.

Все тепловые потери в различных тепловых двигателях приводят к повышению внутренней энергии окружающих тел и, в конце концов, атмосферы. Казалось бы, что выработка 5.1017 кДж энергии за год, отнесенная к площади освоенной человеком суши (8,5 млрд. га), даст незначительную величину 0,15 Вт/м2 сравнению с поступлением лучистой энергии Солнца на земную поверхность: 1,36 кВт/м2.

Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека вещества, например сернистые соединения, оксиды азота, углеводороды, угарный газ, хлор и т.д.. Эти вещества попадают в атмосферу, а из нее — в разные части ландшафта. Оксиды серы и азота сочетаются с атмосферной влагой, образуя серную и нитратную кислоты.

Загрязнение воздуха и водоемов, гибель хвойных лесов и много других свидетельств катастрофического положения природы отмечено в ряде регионов Украины и азиатской части России.

Применение паровых турбин на электростанциях требует много воды и больших площадей, отводимых под ставки для охлаждения отработанного пара. С увеличением мощности электростанций потребность в воде и новых площадях резко возрастает.

Огромное количество продуктов сгорания топлива, в частности, углекислый газ, обусловливающие возникновение так называемого «парникового эффекта». Дело в том, что углекислый газ свободно пропускает энергию солнечного излучения к Земле, но не «выпускает» обратно в космическое пространство тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли. В результате температура воздуха вблизи земной поверхности повышается.

Усиление парникового эффекта, обусловленное выбросами больших количеств углекислого газа, может привести к глобальному потеплению, что чревато катастрофическими последствиями. Например, оно уже начало приводить к таянию полярных льдов и горных ледников, и, если парниковый эффект будет усиливаться, уровень Мирового океана начнет подниматься. По некоторым оценкам, он может подняться более чем на метр, что приведет к затоплению огромных прибрежных территорий.

Урок по теме

«Тепловые двигатели. Экологические проблемы использования тепловых двигателей и пути их решения »

10 класс

Учитель: Каменцева О.Н.

Тип урока : урок – обобщения и систематизация знаний с элементами исследовательской деятельности.

Задачи урока :

1.Образовательная:

Знать понятия, величин, формул, законов;

Уметь решать и составлять задачи, проводить измерения;

Владеть приемами устной, письменной, монологической и диалогической речи; владеть основными видами ответов, определения понятий, сравнения; формирование исследовательских компетентностей учащихся, умения самостоятельно работать с информацией; реализация межпредметных связей.

2. Воспитательная:

Развивать нравственные и эстетические представления, систему взглядов на мир;

Формировать знания о динамических и статистических закономерностях, о влиянии условий на характер протекания физических процессов.

3. Развивающая:

Развить речь, мышление, сенсорную сферу личности, эмоционально-волевую и потребностно – мотивационную области;

Умственную деятельность.

Оборудование к уроку: ПК, проектор, датчик СО 2 SensorLab , система сбора данных.

План урока:

Оргмомент.

Формулировка проблемы урока.

Формулировка темы урока.

Задачи урока для учащихся.

Фронтальный опрос.

Решение задач

Экологические проблемы использования тепловых двигателей и пути их решения.

Пути решения экологических проблем.

Решение проблемного вопроса.

Решение задачи из части «С» ЕГЭ.

Подведение итогов.

Домашнее задание.

Ход урока:

Оргмомент.

Формулировка проблемы урока. Человек летит в космос, погружается на большие глубины морей и океанов, проникает в суть вещества, а всё ли мы знаем о себе? Ребята, на прошлом уроке мы с вами познакомились с темой «Тепловые двигатели» и сегодняшний урок я хочу начать с вопроса «Является ли человек тепловым двигателем?» (Рассуждения детей).

3.Формулировка темы урока.

Исходя из проблемного вопроса, как вы думаете чем мы будем заниматься сегодня на уроке? Какова будет тема урока?

(Ответы детей)

4.Задачи урока для учащихся. Какие задачи мы поставим себе на урок?

(Ответы детей)

5.Фронтальный опрос.

Какую я перед вами поставила проблему?

Как вы думаете, какие вопросы мы должны себе задать, чтобы поближе подобраться к решению проблемы?

Молодцы! Давайте на них ответим.

6.Решение задач

Для решения проблемы нам необходимы не только теоретические знания, но и умения их использовать на конкретных задачах, а такие умения можно получить только практическим путем. Решение задач.

Для того, чтобы заставить народ почитать и бояться богов, Египетские жрецы прибегали ко всяческим «чудесам». Перед вами одно из таких, как только на жертвеннике загорался огонь, двери храма, «внемля молитвам» жрецов, отворялись сами собой. Объясните физическую сторону происходящего.

Можно ли всё это устройство назвать тепловым двигателем? (Ответы учеников).

Задача на соотношения из материалов ЕГЭ.

Решение расчетных задач .

Первую задачу решите самостоятельно, выполнив самопроверку.

Вторую задачу решим на доске.

Учащиеся решают задачу совместно с работой одного ученика у доски.

Третья задача –качественная (переход к «экологическим проблемам»)

Для изучения экологических проблем, связанных с использованием тепловых двигателей каждый из вас участвовал и проводил свое маленькое исследование по заранее определенной проблеме. Давайте посмотрим, что из этого у нас вышло.

1-й слад. Анкетирование водителей . Савельева Инна.

Для анкетирования было составлено три ключевых по этой проблеме вопроса. В анкетирование вовлекали любого человека, управляющего автомобилем. Опрошено было 42 человека. И вот, что получилось:

На 1-й вопрос «да» - ответили 74% респондентов, на второй вопрос «да» ответили 50%, и только 1 человек из опрошенных принимает меры, ходит пешком. Вывод: водители о проблеме знают, но она их не беспокоит, меры не предпринимают.

2-й слайд. Данные о количестве автомобилей в п.Орловском. Беляева Д.

За ответом на этот вопрос мы обратились к инспекторам ГИБДД. Мы узнали, что количество регистрируемого автотранспорта ежегодно возрастает в среднем на 400-500 автомобилей, а наконец 2014 года автомобилей стало 14000. Если сравнить эту цифру с количеством жителей пос. Орловского то получается, что в каждой семье есть автомобиль, а в некоторых семьях автомобили у каждого члена семьи.

3-й слайд. Данные о количестве пациентов пос.Орловского
с бронхо-лёгочными заболеваниями. Эти данные нам любезно предоставили сотрудники МУЗ ЦРБ Орловского района. Из графика видно, что количество бронхо-лёгочных заболеваний растет. Конечно мы понимаем, что в эту категорию попадает достаточно большое количество заболеваний и наверняка не все они связаны с загрязнением воздуха, однако статистика –вещь упрямая.

4-й слайд . Уровень выбросов оксида углерода: Сахацкий А. и Дудин И.

(Измеряют с помощью датчик СО 2 SensorLab уровень содержания СО 2 в классе, на выдохе и в выхлопных газах. На проекторе на графике демонстрируется результат.)

Дополняют своё выступление: Газоанализатор – это прибор, который осуществляет газовый анализ. Такой прибор нам удалось найти в АТП, для самостоятельных измерений нам его не дали, а вот имеющимися данными поделились.

Учитель . (дополняет) Выбросы от автомобилей в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне 60-90 см. от поверхности земли и, особенно на участках автотрасс, где стоят светофоры. Автомобили выбрасывают в атмосферу диоксид и оксид углерода, оксиды азота, формальдегид, бензол, бензопирен, сажу (всего около 300 различных токсичных веществ). При истирании автомобильных шин об асфальт атмосфера загрязняется резиновой пылью, вредной для здоровья человека. Автомобиль расходует огромное количество кислорода. За неделю в среднем легковой автомобиль выжигает столько кислорода, сколько его четыре пассажира расходуют на дыхание в течение года. С ростом числа автомобилей уменьшается площадь, занятая растительностью, которая дает кислород и очищает атмосферу от пыли и газа, все больше места занимают площадки для парковок, гаражи и автомобильные дороги. И вы, как молодое поколение, вступая в трудовую жизнь должны иметь четкое представление о том, что природные ресурсы не бесконечны и технология любой продукции должна удовлетворять такому основному, с экологической точки зрения, требованию, как минимальное потребление материалов и энергии. И еще, ребята, помните, какие бы проекты вам в последствии не пришлось выполнять, создание машин и механизмов, при всяком хозяйственном начинании должно быть твердое убеждение в том, что без уверенности в безвредности для окружающей среды того или иного мероприятия оно не должно реализоваться.

5-й слайд. Выводы. Формулируют учащиеся.

Учитель. В свете всех проблем, о которых вы только, что рассказали, теперь будем все ходить пешком? (Рассуждение ребят)

Каковы пути решения этой вселенской проблемы?

Проблема эта существует давно, давно говорят как раз об этом, почему до сих пор не приняты меры?

А что можете сделать вы уже сейчас, не дожидаясь далёкого будущего?

9.Решение проблемного вопроса.

Шкабар М. у доски.

10. Подведение итогов. Что узнали нового на уроке?

Что было интересным?

Что было неожиданным?

Выставление оценок.

11. Домашнее задание.

Повторить §77-84;

Использованные ресурсы:

Картинки с images.yandex.ru

Просмотр содержимого презентации
«Тепловые двигатели»

Температуру холодильника тепловой машины увеличили , оставив температуру нагревателя прежней. Количество теплоты , полученное газом от нагревателя за цикл, не изменилась . Как изменилось при этом КПД тепловой машины, количество теплоты, отданное газом за цикл холодильнику, и работа газа за цикл?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличилась; 2) уменьшилась; 3) не изменилась

КПД тепловой машины

Количество теплоты, отданное газом холодильнику за цикл

Работа газа за цикл

Тепловая машина получает за 15 с своей работы от нагревателя 50 кДж теплоты. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 1000 Вт. Каков КПД тепловой машины?

Ответ: 30%

Температура нагревателя идеальной тепловой машины 425 К, а температура холодильника 300 К. Двигатель получил от нагревателя количество теплоты 40 кДж. Какую работу совершило рабочее тело?

Ответ: 12кДж

Отражается ли неполное сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания на его КПД;

На окружающей среде?

Данные о количестве автомобилей в п.Орловском

Численность населения пос. Орловского – 20 тыс. человек

Данные о количестве пациентов пос.Орловского с бронхо-лёгочными заболеваниями

Марка автомобиля

легковой

ДЭУ Нексия

Тип двигателя

легковой

КАМАЗ- 55111

карбюраторный

Валовый выброс (т / год)

грузовой

инжекторный

грузовой

дизельный

карбюраторный

дизельный

Оксид углерода быстрее кислорода связывается с гемоглобином крови, кровь перестает переносить кислород в организме, возникает кислородное голодание. При этом может быть:

головокружение, одышка, головная боль,

потеря сознания.

• Из диаграммы виден стремительный рост автомобилей за последние годы;
• Возрастает количество выбросов оксида углерода и диоксида углерода;
• Возрастает число больных бронхо-легочными заболеваниями;

• Поиск заменителей бензина

и дизельного топлива;

• Реконструкция двигателя;
• Контроль за состоянием автомобиля, регулировка двигателя;
• Правильное вождение;
• Водородные технологии – шаг в будущее;
• Использование электромобилей;
• Использование

альтернативных

видов энергии.

1. Пусть температура нашего тела - Т₁ , коэффициент полезного действия человеческого тела примерно ŋ =30%. Найдем Т₂.

Т₂=217 К, t =-56°С

2. Пусть температура нашего тела - Т₂, коэффициент полезного действия человеческого тела примерно ŋ =30%. Найдем Т₁.

Т₁=453К, t =170°С

«Могущество страны не только в одном материальном богатстве, но и в духе народа.

Чем шире, свободнее эта душа, тем большего величия и силы достигает государство.

А что воспитывает широту духа, как не эта удивительная природа!

Её надо беречь, как мы бережём самую жизнь человека.

Потомки никогда не простят нам опустошения земли, надругательства над тем, что по праву принадлежит не только нам, но и им.»

П.И.Чайковский

Один моль аргона, находящиеся в цилиндре при температуре Т₁=600 К и давлении р₁=4·10⁵ Па, расширяется и одновременно охлаждается так, что его давление при расширении обратно пропорционально квадрату объема. Конечный объем газа вдвое больше начального. Какое количество теплоты газ отдал при расширении, если при этом он совершил работу А=2493 Дж

• Q = Δ U +А ΄ по Первому закон термодинамики; Δ U =3 / 2 ν R (T₂ - T₁).
• Из условия задачи: Р₁~1 /V₁² Р₂~1 /V₂²=1/4V₁²=p₁/4
• Из уравнения состояния идеального газа для двух случаев:

P₁V₁= ν RT₁ ; P₂V₂= ν RT₂ . Разделим уравнений друг на друга и выразим Т₂

4)Найдем Δ U ; 5) Рассчитаем Q = Δ U +А ΄ .

М=40·10¯³кг / моль

р₁=4·10⁵ Па

Q = -1246 Дж

• Что узнали нового на уроке?
• Что было интересным?
• Что было неожиданным?
• Ваше настроение в конце урока(хорошее, бодрое, приподнятое, угнетенное, подавленное).

• Повторить §77-84;
• Подготовить выступления о ТЭС, ГЭС, АЭС, АИЭ или об альтернативных видах производства энергии;
• Подготовить выступление о водородных технологиях для автомобильных двигателей.

• http://iralebedeva.ru/physic16.html
• http://www.fipi.ru/content/otkrytyy-bank-zadaniy-ege
• http://www.afizika.ru/teplovieyavleniya/116-kakustraivalischudesa
• http://www.publicecology.ru/publojs-113-1.html
• Картинки с images.yandex.ru

На сегодняшний день каждый житель нашей планеты должен задуматься о ее будущем, ведь технологии не стоят на месте. С каждым годом экология становится все хуже и хуже. Конечно, ученые разрабатывают новые виды автомобилей, не наносящих столь опасного вреда планете, но процесс такого развития происходит не так быстро, как того хотелось бы. Именно поэтому мы должны задуматься об экологических проблемах использования тепловых машин. В данной статье об этом и поговорим.

Чем являются теплодвигатели

Вы можете об этом даже не догадываться, но с теплодвигателями встречается ежедневно каждый из нас, поэтому экологическая проблема использования тепловых машин должна быть выдвинута на первый план. К теплодвигателям можно отнести механизмы, которые отвечают за движение кораблей, самолетов, автомобилей, и другую автотранспортную технику. Столь широкое применение двигателей такого типа и стало причиной того, что тепловая промышленность стала столь востребованной.

В чем экологическая проблема использования тепловых машин

Самой первой и глобальной проблемой является то, что тепловые механизмы с помощью своих выбросов способны нагревать окружающие предметы и атмосферу в целом. А это становится причиной глобального потепления и резкого таяния ледников. По словам специалистов, именно рука человека привела к тому, что уровень Мирового океана начал значительно повышаться.

Каждый из нас должен быть готовым к тому, что изменение условий окружающей среды повлияет и на образ жизнедеятельности человека. Несмотря на столь серьезную угрозу, человечество мало задумывается о том, какой будет жизнь на планете Земля через пару десятков лет.

Где можно встретить тепловые двигатели

На сегодняшний день экологическая проблема использования тепловых машин очень актуальна, ведь использование теплодвигетелей ведется в глобальном масштабе. Оглянитесь вокруг, по всему миру миллионы автомобилей перевозят пассажиров, а также различные грузы. Также не стоит забывать и про авиа- и ракетостроение, а также про загрязнение водных ресурсов судами. Все эти средства оказывают крайне отрицательное влияние на экологию. Под угрозой находится не только атмосфера, но литосфера и гидросфера.

Как происходит загрязнение

Не стоит забывать, что загрязнение воздуха и водных ресурсов происходит за счет того, что во время работы тепловой двигатель сжигает нефть и уголь, и выделяет в окружающее пространство серные и азотные соединения. Все это опасно не только для здоровья человека, но также и способствует вымиранию флоры и фауны всей планеты.

В процессе переработки топлива в атмосферу не только выделяется огромное количество плохих веществ, но также происходит и процесс сжигания кислорода. Идеальная тепловая машина расходует минимальное количество электрической и механической энергии. Однако такой расход будет существовать в любом случае. А это говорит о том, что происходит постоянный процесс отдачи в атмосферу теплоты. Такой процесс приводит к тому, что средние температурные показатели на планете ежегодно увеличиваются. Тепловое загрязнение воздуха опасно также тем, что во время сгорания топливных материалов концентрация углекислого газа в атмосфере значительно повышается, а это станет причиной возникновения на планете «парникового эффекта». По словам ученых, средние температурные показатели на планете с каждым годом увеличиваются, а это несет в себе реальную угрозу тотальной смены климатических условий.

Неполное сгорание топлива

Трудно представить себе отрасль человеческой деятельности, в которой не будут задействованы тепловые двигатели. Поэтому несложно разобраться, где используют тепловые машины.

Еще одной экологической проблемой данного вида двигателя является то, что используемое топливо сгорать полностью не может. А это приводит к тому, что воздух заполняется большим количеством выбросов, которые мы постоянно вдыхаем вместе с кислородом. Согласно статистическим данным, тепловые установки выбрасывают в атмосферу ежегодно около двухсот миллионов тонн сажи и золы, около семидесяти тонн оксида серы. К сожалению, эти цифры ежегодно растут. Хотя все цивилизованные страны мира пытаются решить эту проблему, и перейти на более безопасные типы двигателей.

Максимальный КПД тепловой машины

Рассматривая процесс работы тепловых двигателей, стоит обратить внимание на такое понятие, как коэффициент полезного действия. При построении рабочего кругового процесса, очень важно определить, какой из обратимых процессов будет самым экономичным. В физике такое явление рассматривается под названием «цикл Карно». Чтобы найти работу данного цикла, нужно найти сумму всех работ, которые совершает машина, при проведении всех процессов, входящих в строение цикла.

Коэффициент полезного действия зависит от температур охлаждения и нагревания, и в то же время не зависит от природы происхождения рабочего тела. КПД будет всегда меньше единицы, и если есть необходимость его повысить, то нужно уменьшить температуру охлаждения, и в то же время увеличить температуру нагревания.

Сфера применения

Тепловые машины и их применение, экологические проблемы - это информация, с которой должен ознакомиться каждый житель нашей планеты. Тепловой двигатель - это очень важный механизм, способный преобразовывать внутреннюю энергию топлива в механическую. К тепловым машинам можно отнести такие агрегаты, как двигатель внутреннего сгорания, паровые машины, реактивные двигатели, а также газовые турбины. В качестве топлива такие агрегаты могут использовать атомную и солнечную энергии, а также жидкое и твердое топливо.

На сегодняшний день тепловые двигатели устанавливают на атомных и тепловых электростанциях, а также на всех видах транспорта. На самом деле, тяжело представить современную жизнь без деятельности тепловых машин. Современная цивилизация просто не смогла бы существовать без достаточного количества дешевой электроэнергии, а также без всех видов скоростного транспорта. Однако в это же время люди должны задумываться и о возможности сохранить экологию нашей планеты.

Методы решения проблемы

Какой бы не была проблема, при желании всегда можно найти методы ее решения. Выброс загрязняющих веществ является глобальной проблемой, однако если приложить усилия, с ней можно справиться. Конечно, на сегодняшний день человечество не сможет полностью отказаться от использования тепловых двигателей, ведь это сравнительно дешевый и доступный метод получения энергии. Однако важным шагом в решении такой проблемы является подход в повышении коэффициента полезного действия.

Ведь есть возможность использовать гораздо меньше топлива, но при этом получать большее количество энергии. Выполняя менее энергозатратно определенный вид работы, можно сэкономить не только природные ресурсы, но и оказать меньший вред нашей планете.

На сегодняшний день единственным эффективным методом борьбы с загрязнением окружающей среды является возможность увеличить эффективность применения энергии, а также переход на инновационные энергосберегающие методики.

Выводы

Ни для кого не секрет, что на сегодняшний день экологическое состояние нашей планеты плачевное. Но неправильно будет и говорить, что технологии стоят на месте. Нет, этого утверждать нельзя. С каждым годом все больше внимания уделяется решению проблемы загрязнения окружающей среды. Обратите внимание на то, что все большее количество поездов заменяют обычные электровозы. Также большую популярность набирают электроавтомобили. В современную промышленность внедряется все большее количество современных технологий. Существует огромная вероятность, что уже очень скоро мир увидит экологические безопасные ракетные и авиадвигатели. Правительство многих стран занимается вопросами очищения и озеленения планеты.

Хочется сказать о том, что каждый житель нашей планеты отвечает за ее состояние. Конечно, может лично вы и не внедряете новые технологии, и может у вас недостаточно средств для приобретения автомобиля с экологическим двигателем. Но ведь никто не отменял велосипед. Такой транспорт не только с легкостью домчит вас до пункта назначения, но также и положительно повлияет на состояние вашего здоровья. Задумайтесь, возможно, у вас есть возможность добраться до работы на велосипеде, вместо того, чтобы выезжать из гаража на автомобиле.

Также вы можете посадить дерево или кустарник, и уже эта планета станет немного лучше. Не забывайте о том, что вы точно так же, как и все другие жители нашей планеты, отвечаете за ее сохранность.

Слайд 2

Машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называется ТЕПЛОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ. В результате работы, двигатели выбрасывают в атмосферу электрический ток.

Слайд 3

Особая опасность!

Особую опасность в увеличение вредных выбросов в атмосферу представляют двигатели внутреннего сгорания, установленные на автомобилях, самолётах, ракетах. Применение паровых турбин на электростанциях требует много воды и больших площадей занимаемых под пруды для охлаждения отработанного пара.

Слайд 4

Рассмотрим те самые вредные вещества.

Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества, например сернистые соединения (при сгорании каменного угля), оксиды азота, углеводороды, оксид углерода (угарный газ СО), хлор и т. д. Эти вещества попадают в атмосферу, а из нее - в различные части ландшафта.

Слайд 5

Наша планета в большой опасности!!

При повышении ежегодного использования первичных энергоресурсов всего в 100 раз средняя температура на Земле повысится примерно на 1°С. Дальнейшее повышение температуры может привести к интенсивному таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, к изменению природных комплексов, что существенно изменит условия жизни человека на планете. Но темпы роста энергопотребления увеличиваются, и сейчас создалось такое положение, что до увеличения температуры атмосферы потребуется всего несколько десятков лет.

Слайд 6

Решение проблемы…

Из-за большого энергопотребления в ряде регионов планеты возможность самоочищения их воздушных бассейнов оказалась уже исчерпанной. Необходимость значительно снизить выброс загрязняющих веществ привела к использованию новых видов топлива, в частности к строительству атомных электростанций (АЭС) и повышению их надёжности. В местах где это возможно использовать природные особенности для получения электрической энергии т.е. использовать силу ветра в ветровых электростанциях и т.д. Для снижения вредных выбросов в атмосферу использовать электродвигатели, двигатели работающих на солнечных батареях. Использовать современные технологии в очистке выбросов отработанных газов как на производствах так и в автомобилях. Эти решения могут привести к таким результатам…..

Дополнительный материал к уроку

Тепловые двигатели и экология.

Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду“связано с действием различных факторов.

Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В атмосфере Земли в настоящее время содержится около 2600 млрд. тонн углекислого газа (около 0,033%). До периода бурного развития энергетики и транспорта количество углекислого газа, поглощаемого из атмосферы при фотосинтезе растениями и растворяемого в океане, было равно количеству углекислого газа, выделяемого при дыхании и гниении. В последние десятилетия этот баланс все в большей степени стал нарушаться. В настоящее время за счет сжигания угля, нефти, и газа в атмосферу Земли ежегодно поступает дополнительно около 20 млрд. тонн углекислого газа. Это приводит к повышению концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. Молекулы оксида углерода способны поглощать инфракрасное излучение. Поэтому увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере изменяет прозрачность. Дальнейшее существенное увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к повышению ее температуры ("парниковый эффект"). Производство электрической и механической энергии не может быть осуществимо без отвода в окружающую среду количества теплоты, что приводит к повышению температуры на Земле и создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана.

В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах. Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2-3 млн. тонн свинца.

Автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении атмосферы в городах, проблема их усовершенствования представляет одну из наиболее актуальных научно - технических задач. Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды - использование в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки и испытания автомобилей , в которых вместо бензиновых двигателей применяют электродвигатели, питающиеся от аккумуляторов, или двигатели, использующие в качестве топлива водород . В последнем типе двигателя при сгорании водорода образуется вода, но и здесь возникает масса технических проблем. Вопросы окружающей среды становятся все более определяющими для дальнейшего развития теплоэнергетики . Организация охраны окружающей среды требует усилий в масштабе всего земного шара.

Газовая турбина.

Все более широкое применение в современном транспорте получают газотурбинные двигатели. Газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора 1, камер сгорания 2 и газовой турбины 3 (рис. 119). Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата.

При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за ним повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток компрессора обеспечивают повышение давления воздуха в 5-7 раз.

Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха повышается до температуры 200 °С и более.

Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо - керосин, мазут.

При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, получает некоторое количество тепла и нагревается до температуры °С. Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется, и скорость его движения увеличивается.

Движущийся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная используется для вращения винта самолета, винта морского корабля или колес автомобиля.

Реактивный двигатель.

Вместо вращения винта самолета, теплохода или ротора электрогенератора газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель. Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяги, возникшая при этом, может быть использована для движения самолета, теплохода или железнодорожного транспорта .

Основное отличие реактивного двигателя заключается в том, что газовая турбина используется лишь для приведения в действие воздушного компрессора и отнимает небольшую часть струи, выходящей из камеры сгорания. В результате газовая струя имеет на выходе из турбины высокую скорость и создаёт реактивную силу тяги.

Турбореактивными двигателями оборудованы известные всему миру самолеты ИЛ-62, ТУ-154.

Паровая машина.

История создания паровой машины представляет огромный интерес. Эта машина, с одной стороны, произвела подлинную революцию в развитии производства, с другой в работе над этим великим изобретением впервые проявилось единство теории и практики науки и производства. Так, в 1769 г. лаборант университета в Глазго Дж. Уатт () изобрел паровую машину. Продолжая работать над ее усовершенствованием, он в 1784 г. создал паровую машину двойного действия, в которой пар, расширяясь, оказывал давление то на одну, то на другую сторону поршня. Это была подлинно универсальная машина, применяемая в самых различных областях производства, а впоследствии с некоторыми усовершенствованиями и на транспорте.

В России изобретателем паровой машины стал Иван Иванович Ползунов. Постройка его машины была закончена в августе 1766 г. Она имела высоту 11 м, ёмкость котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт. В отличие от предшествующих машин, работающих рывками и выполнявших только роль водоподъёмных насосов, машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой машиной, которую можно было применить для приведения в движение любых заводских механизмов. Первые паровозы перемещались благодаря созданию паровой машины, а точнее, паровых котлов.

Первые паровозы.

Внедрение паровых котлов и машин в производство имело не толы несомненные достоинства, но и недостатки. Неполадки в котлах приводили к их частым взрывам и человеческим жертвам. Несомненно, это тормозило развитие отрасли, но процесс развития продолжался.

Знаменательной вехой в развитии паровых машин является 1770 года, когда французский инженер Ж. Кюньо построил первую самодвижущую тележку (лафет) для перевозки тяжелых орудий. Она приводилась в движение за счет энергии пара. Конечно, она была несовершенна и громоздка, w, КПД был очень мал.

Далее паровые котлы стали устанавливать на дилижансах для перевозки грузов и пассажиров. Трагедии, которые случались при эксплуатации дилижансов и паровых автомобилей, тормозили внедрение паровых маши* но остановить развитие паровых машин уже было нельзя. Паровые маши” не могли развивать скорости более 10 км/ч.

Логическим продолжением развития паровых котлов явилось создание в 1803 году первого паровоза. Его построил англичанин Ричард Тревитик. Первая модель была неудачна, так как на конной чугунной дороге паровоз ломал рельсы.

Вторая модель уже развивала скорость до 30 км/ч. Но и эта модель лишь применялась для демонстрации перевозок. Широкого применения эти модели не получили прежде всего из-за непонимания большинством промышленников выгоды от этих устройств. Господствовало убеждение, что |паровоз не сможет тянуть состав, вес которого больше веса паровоза. Перелом в развитии железнодорожного транспорта наступил в 1823 году, когда английский инженер Джордж Стефенсон построил первый паровозостроительный завод. Лучшие модели паровозов Стефенсона развивали скорость до 50 км/ч. В России первый паровоз изобрели и построили в 1834 г. мастера Черепановы.

Ефим Алексеевич Черепанов () Мирон Ефимович Черепанов ()

Ефим Алексеевич и Мирон Ефимович Черепановы отец и сын – замёчательные русские изобретатели-самоучки. Они были крепостными уральских горнозаводчиков Демидовых. Лишь на 60-м году жизни отец и 33 года сын получили вольную за изобретательскую деятельность. Талантливых механиков их хозяева горнозаводчики Демидовы направляли для ознакомления с достижениями техники в Петербург и за рубеж - в Швецию, Англию.

Русские самоучки успешно переняли там передовой технический опыт, изучали технические новинки. Полученный опыт и природный талант позволили Черепановым изготовить более 20 оригинальных паровых ламп разной мощностью, создать уникальные станки – токарный, винторезный и другие.

Но самым замечательным делом Ефима Алексеевича и Мирона Ефимовича Черепановых стало строительство первой отечественной железной дороги и самых первых в мире паровозов.

Скорость первого “сухопутного парохода” - паровоза, построение 1834 г., была 15 км/ч. Но именно с этого паровоза и с этой дороги начинается история железнодорожного транспорта в нашей стране.

Лишь ближе к середине XX века на смену паровозам стали приходить тепловозы и электровозы.

В тепловозах вместо паровых машин стали применять двигатели внутреннего сгорания, а на электровозах - электрические двигатели.

Сейчас созданы и более совершенные и экономичные модели тепловозов и электровозов.

«Тепловые двигатели и проблемы экологии».

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КРИЗИС

«Энергетический кризис», понимаемый как нехватка энергии для развития производства, считается сегодня одной из самых острых проблем цивилизации. Но как согласовать энергетический кризис с законом сохранения энергии: ведь если энергия сохраняется, как ее может не хватать?

Ответ таков: проблема состоит не просто в нехватке энергии, а в нехватке энергии, пригодной для преобразования в механическую энергию.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Вторая, не менее серьезная проблема, стоящая перед человечеством - это «экологический кризис». Огромные масштабы преобразования энергии уже начали оказывать «планетарное» воздействие на климат Земли и состав атмосферы.

Тепловые машины широко используют на производстве и в быту. По железнодорожным магистралям водят составы мощные тепловозы, по водным путям – теплоходы. Миллионы автомобилей с двигателями внутреннего сгорания перевозят грузы и пассажиров. Поршневыми, турбовинтовыми и турбореактивными двигателями снабжены самолеты и вертолеты . С помощью ракетных двигателей осуществляются запуски искусственных спутников, космических кораблей и станций. Двигатели внутреннего сгорания являются основой механизации производственных процессов в сельском хозяйстве . Их устанавливают на тракторах, комбайнах, самоходных шасси, насосных станциях.

КАК ВЛИЯЮТ ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ?

При работе тепловых двигателей в качестве холодильника используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов), в результате чего происходит повышение температуры окружающей среды, называемое «тепловым загрязнением».

Этот эффект усиливается тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли, что приводит к «парниковому эффекту». В результате описанных процессов средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Это грозит глобальным потеплением с нежелательными последствиями, к числу которых относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.

Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется атмосферный кислород (в наиболее развитых странах тепловые двигатели уже сегодня потребляют больше кислорода, чем вырабатывается всеми растениями, растущими в этих странах) и образуется много вредных веществ, загрязняющих атмосферу.

Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу эквивалентные количества оксида углерода (углекислого газа). Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно более 200 млн. т золы и более 60 млн. т оксида серы.

Кроме промышленности, воздух загрязняют и различные виды транспорта, прежде всего автомобильный. Жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей.

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Во всех странах мира с развитой промышленностью ведутся работы, направленные на снижение и ликвидацию последствий загрязнения воздуха. Основные усилия направлены на предупреждение выбросов загрязнений в атмосферу. На всех действующих и новых теплоцентралях и тепловых электростанциях устанавливают газоочистное и пылеулавливающее оборудование. Предпринимаются меры по рациональному размещению тепловых электростанций.

Интенсивные работы ведутся по снижению загрязнения воздуха выхлопными газами автомобильных двигателей. Наиболее перспективными считаются электромобили и автомобили с двигателями, работающими на водороде. Продуктом сгорания в водородном двигателе является обычная вода.

Чтобы уменьшить негативные последствия работы тепловых двигателей, действуют в двух направлениях: с одной стороны, совершенствуют эти двигатели, повышая их КПД и уменьшая выброс вредных веществ, с другой стороны - используют энергосберегающие технологии.

В странах, где эти технологии разрабатываются и применяются, потребление энергии на производство той же самой продукции в несколько раз ниже, чем в странах, которые только сейчас начинают уделять внимание энергосберегающим технологиям.