ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВЫХ МАШИН НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Тепловые машины освободили человека от тяжелого физического труда, они выполняют работу в сотни и тысячи раз больше той, которую мог бы выполнить без машин человек. Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели.

Тепловой двигатель- двигатель, в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу [2, с. 477]. Затем механическую энергию можно преобразовать в другие виды энергий- тепловую, электрическую, излучения. Работа теплового двигателя подчиняется законам термодинамики.

Можно представить следующую классификацию видов тепловых двигателей: тепловые двигатели подразделяются на двигатели внутреннего сгорания (ДВС), которые в свою очередь делятся на дизельные (горючая смесь образуется внутри цилиндров двигателя) и карбюраторные (горючая смесь образуется в карбюраторе, где смешивается бензин с воздухом, а затем эта смесь подается в цилиндр двигателя); тактовые двигатели (паровые двигатели); турбины, делящиеся на газовые и паровые [1, с. 120].

Тепловые двигатели устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока, а также на всех атомных электростанциях для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном-поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном- двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины, на железнодорожном- тепловозы с дизельными установками, в авиации – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Следует отметить, что разнообразие тепловых двигателей указывает на различие в конструкции и принципах преобразования энергии; но общим для всех тепловых машин является то, что они увеличивают свою внутреннюю энергию за счёт сгорания топлива, с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую.

Любой газ, который расширяется, совершает положительную работу:

A’-работа газа

-DU-уменьшение внутренней энергии газа в результате его расширения

Так как процессы в природе необратимы (об этом говорит IIзакон ТД), то никогда не может произойти эквивалентного преобразования внутренней энергии топлива в работу: часть внутренней энергии уходит на нагревание деталей машин, на преодоление трения в узлах, на рассеивание в окружающую среду. В связи с этим можно представить общий принцип работы всех тепловых двигателей: топливо сгорает в нагревателе и передаёт количество теплаQ₁ рабочему телу. Газ нагревается, расширяется и совершает полезную работу А’=Q₁-Q₂.

Рабочее тело не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы, так как часть этой энергии Q₂ неизбежно передаётся холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами. Рабочее тело (газ) охлаждается и сжимается. Рабочий цикл двигателя повторяется: рабочее тело получает при сгорании топлива количество теплоты Q₁, совершает работу А’ и передаёт холодильнику количество теплоты Q₂<Q₁.

Таким образом, тепловая машина работает циклично. В результате совершения рабочего цикла рабочее тело возвращается в исходное состояние, его внутренняя энергия принимает первоначальное значение. Следовательно, за цикл изменение внутренней энергии рабочего тела рано нулю: DU=0

Основной характеристикой теплового двигателя является его коэффициент полезного действия (КПД).

Под КПД теплового двигателя понимают отношение работы, совершённой рабочим телом к той энергии, которая выделилась при полном сгорании топлива [2, с. 69]. КПД показывает, какая часть энергии топлива Q₁ тратится на совершение полезной работы А’ двигателем.

Так как A’<Q₁, то h<100% (n<1) – для реальных тепловых двигателей.

Современные тепловые машины имеют следующие значения КПД [2, с. 69]:

• Паровые турбины h=30 – 40%
• ДВСh=30 – 35%
• Дизельные двигателиh=35 – 42%

Тепловой двигатель будет тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Повышать температуру нагревателя можно, но необходимо учитывать теплостойкость, жаропрочность, упругие свойства твердых тел, из которых изготовлен нагреватель. Температура же холодильника не может быть намного ниже температуры окружающей среды. Поэтому повысить КПД можно за счёт уменьшения трения частей двигателя, потерь топлива из-за его неполного сгорания и др. Повышение КПД – это важная техническая и экологическая задача.

ДВС-наиболее распространенный вид тепловых двигателей. ДВС устанавливают на большинстве автомобилей. Топливо в нем сгорает в цилиндре, внутри самого двигателя (отсюда и происходит его название). ДВС работают на горючем топливе (бензин, нефть, керосин) или на горючем газе (сжиженный газ, природный газ, водород, биогаз).

В 1860 г. французский инженер Ленуар создал первый ДВС, но он был далёк от совершенства. Его КПД не превышало 3 % [2, с. 131].

В 1862 г. Французский изобретатель Бо де Роша предложил испытать в ДВС четырёхтактный цикл: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск обработанный газов. Именно эта модификация ДВС получила наибольшее распространение [2, с. 69].

В 1878 г. Немецкий изобретатель Отто построил первый четырёхтактный газовый двигатель внутреннего сгорания [4, с. 121].

В 1886 г. Немецкий инженер Даймлер построил бензиновый ДВС, где испытывалась горючая смесь: пары бензина и воздуха [4, с. 112].

Несмотря на то, что конструкций ДВС достаточно много но принцип действия у них одинаковый.

В цилиндре ДВС периодически происходит сгорание горючей смеси (пары бензина и воздуха). При сгорании горючей смеси образуются газы, температура и давление, которых очень высоки. Расширяясь, газы толкают поршень и коленчатый вал двигателя, совершая при этом механическую работу.

При этом газы охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую энергию, движение поршня передаётся шатуну, а через него коленчатому валу и автомобилю. Один рабочий цикл в двигателе происходит за 4 хода поршня или за 4 такта. Поэтому такие двигатели называются четырёхтактными.

В автомобилях чаще всего используют четырёхтактные цилиндровые ДВС. За счёт системы зажигания в четырёх тактовом цилиндровом двигателе в каждом такте один из цилиндров реализует рабочий ход. Это позволяет коленчатому валу подводить энергию часто и равномерно. В современных машинах коленчатый вал может совершать от 3 000 до 8 000 оборотов в минуту.

Имеются и восьми цилиндровые ДВС [3, с. 512]. Такие двигатели имеют большую мощность.

При работе можно отметить как достоинства, так и недостатки ДВС.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются: универсальность (сочетание с различными потребителями), невысокая стоимость, компактность, малая масса, возможность быстрого запуска, многотопливность, все это способствует экономическому развитию, создаёт комфортные условия для человека [3, с. 412].

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся: высокий уровень шума при его работе, токсичность отработанных газов, низкий коэффициент полезного действия, что способствует загрязнению атмосферы, повышению температуры окружающей среды, истощению природных ресурсов [3, с. 312].

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и, особенно, от двигателя - источника наибольшего загрязнения [5, с. 269].

Автомобильные газы представляют собой смесь, состоящую из 1 000‑1 200 индивидуальных компонентов, среди которых нетоксичны: N, O, пары воды, CO; токсичные: окиси C, углеводороды, оксидыN, альдегиды, сажа, бензапирен, соединение свинца, формальдегид, бензол, а также многие другие компоненты [6, с. 270].

Главный компонент выхлопов двигателей внутреннего сгорания (кроме шума) – окись углерода (угарный газ) – опасен для человека, животных, вызывает отравление различной степени в зависимости от концентрации. Доказано, что автомобильный транспорт на Земле является одним из главных загрязнителей атмосферы. Среднестатистический автомобиль выбрасывает в год [7, с. 259]:

• 135 килограмм окиси углерода (CO);
• 25 килограмм окислов азота (NO, NO₂);
• 200 килограмм углеводородов (бесцветные пары);
• От 7 до 10 кг бензопирена;
• 4 килограмма двуокиси серы (SO₂)
• 5-8 кг резиновой пыли;
• 5 видов тяжелых металлов: свинец (Pb), кадлий (Cd), ваданий (V), бериллий (Be), хром (Cr).

Все загрязняющие атмосферный воздух вещества в большей или меньшей степени оказывают отрицательное влияние на здоровье человека. Эти вещества попадают в организм человека преимущественно через систему дыхания. Органы дыхания страдают от загрязнения непосредственно, поскольку около 50 % частиц радиусом 0,01-0,1 мкм, проникающие в легкие, осаждаются в них.

В некоторых случаях воздействие одних из них загрязняющихвеществ в комбинации с другими приводят к более серьёзным расстройствам здоровья, чем воздействие каждого из них в отдельности. Большую роль играет продолжительность воздействия.

Приведём примеры воздействия вредных веществ на организм человека.

Оксид углерода (CO)

CO способен накапливаться в организме.CO – исключительно агрессивный газ, легко соединяющийся с гемоглобином (красными кровяными тельцами). При соединении образуется карбоксигемоглобин содержание, которого в крови сверх нормы равный 0,4 % и сопровождается:

1. Ухудшение остроты зрения и способности оценивать длительность интервалов времени;
2. Нарушением некоторых психомоторных функций головного мозга (при содержании 2-3 %);
3. Изменениями деятельности сердца и лёгких (при содержании более 5 %);
4. Головными болями, сонливостью, спазмами, нарушениями дыхания и смертностью (при содержании 10-80 %) [8, с. 175].

Диоксид серы и серный ангидрид (SO2 и SO₃) приводит к затруднению дыхания и болезней лёгких, поражает респираторную систему человека, вызывает кашель, боль в груди [9, с. 185].

Оксиды азота (NO, NO₂).

Оксиды азота сильно раздражают и вызывают воспаление глаз, а в комбинации с озоном раздражают носоглотку, приводят к спазмам грудной клетки, а при высокой концентрации (свыше 3-4 мг/м₃) вызывают сильный кашель, раздражая дыхательные пути.

При вдыхании оксиды азота в дыхательных путях соединяются с водой и образуют азотную и азотистую кислоты. В 10 раз опаснее, чем CO для организма.

Работа тепловых машин оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду, что приводит к возникновению ряда экологических проблем:

• При работе двигателей внутреннего сгорания для сгорания 1 кг бензина требуется 2,5 кг кислорода, который берётся из атмосферы. В результате происходит уменьшение кислорода в воздухе.
• Увеличение в атмосфере CO₂ приводит к усилению парникового эффекта.
• Загрязнение атмосферы оксидами азота и серы приводит к образованию кислотных дождей.
• Загрязнение свинцом приводит к отравлению почвы, воды и атмосферы.
• При работе тепловых машин (ДВС) происходит загрязнение грунтовых вод отработанным машинным маслом, что приводит к проблеме чистой пресной воды.
• Огромный расход топлива для работы тепловых машин ведёт к уменьшению исчерпаемых природных ресурсов (нефть, газ).
• При добыче, транспортировке и переработке нефти происходит загрязнение биосферы нефтепродуктами, что приводит к проблеме мирового океана.
• Увеличение в атмосфере оксидов азота, образующихся при полётах сверхзвуковых самолётов и ракет на большой высоте, разрушает озоновый слой, который защищает Землю от опасного ультрафиолетового солнечного излучения.

Для снижения выбросов и уменьшения их негативного воздействия на биосферу необходимо принять комплексные мероприятия, которые помогут избежать неготивного воздействия на окружающую природную среду [10, с. 195]. Одним из основных источников загрязнения окружающей среды всё в большей степени становится транспорт. К сожалению, человечество не в силах отказаться от использования тепловых двигателей.

Где же выход? Чтобы расходовать на порядок меньше топлива, то есть снизить энергопотребление, следует повысить КПД двигателя. Борьба с негативными последствиями использования тепловых машин заключается в том, чтобы увеличить эффективность применения энергии и переходить на энергосберегающие технологии.

Будет неправильным утверждать, что мировая экологическая проблема использования тепловых машин не решается. Всё большее количество электровозов вытесняют обычные поезда; становятся популярными автомобили на аккумуляторных батареях; в промышленность внедряются энергосберегающие технологии.

Есть надежда, что появятся экологически чистые авиа- и ракетные двигатели. Правительствами многих стран реализуются международные программы по защите окружающей среды, направленные против загрязнения биосферы.

Экологическая проблема использования тепловых машин состоит в том, что выбросы тепловой энергии неизбежно ведут к нагреванию окружающих предметов, в том числе атмосферы. Ученые давно бьются над проблемой таяния ледников и повышения уровня Мирового океана, считая основным фактором влияния деятельность человека. Изменения в природе приведут к перемене условий нашей жизни, но, несмотря на это с каждым годом потребление энергии увеличивается.

Список литературы:

1. Громов С.В., Родина Н.А. Физика, 8 класс. – М.: Просвещение, 2002. –158 с.
2. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений. – М.: «Наука», 1987. – 512 с.
3. Кабардин О.Ф. Физика. Справочник школьника. – М.: 2008. – 575 с.
4. Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Экология 10(11) класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. – М.: Дрофа, 2005. – 251 с.
5. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2006. –366 с.
6. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс. – М.: Просвещение, 2010. – 368 с.
7. Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего общего образования [Электронный ресурс]: Приказ Минобрнауки России от 17.05.2012 г. № 413. – Режим доступа: http://www.kp.ru/2012/05/17/standart-dok.html (дата обращения 13.05.2016).
8. Ожегов С.И. Толковый словарь русского языка: около 100 000 слов, терминов и фразеологических выражений. – М.: Мир и Образование, 2016. – 1376 с.
9. Перышкин А.В. Учебник Физика 8 класс. – М.: Дрофа, 2013. – 240 с.
10. Прохоров А.М. Большая Советская Энциклопедия. – М.:  Издательство «Советская энциклопедия», 1976. – 600 с.