Что такое тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Презентация на тему: Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. (к семинару) Учитель: Пиняева Т.Ю. ГБОУ г.Москвы СОШ №2079 900igr.net

Цели урока: Образовательная: показать необратимость тепловых процессов; рассмотреть проблемы энергоресурсов Земли, использование нетрадиционных источников энергии; познакомиться с классификацией тепловых двигателей, принципом работы, значением для человека и окружающей среды. Воспитательная: рассмотреть экологические проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей; 2) учить дискутировать и отстаивать собственную точку зрения

Классификация транспорта по типу двигателей: паровая машина двигатель внутреннего сгорания реактивный двигатель паровая и газовая турбина электродвигатель

Классификация транспорта по источнику энергии: Органическое топливо: Электричество Механическая энергия Солнечная энергия бензин солярка керосин природный газ Ядерное топливо

Экологическая карта Москвы.

Преимущества и недостатки: Дизельный двигатель Карбюраторный двигатель + — На 2/3 меньше токсичных выбросов. Более дешевое топливо. Долговечность. Простота устройства. Зависит от температуры запуска (в зимнее время). Сложный ремонт системы питания. Шум. + — Малая масса. Компактность. Высокий КПД (25-30%). Высококачественное топливо. Сложная конструкция. Большая скорость вращения вала двигателя. Выхлопные газы. Шум.

Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды- использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.

Данные экологических исследований 1 тонна бензина, сгорая выделяет 500-800 кг вредных веществ, — в атмосферу ежегодно выбрасывается 5 млрд. тонн углекислого газа — в состав выхлопных газов входит 1200 компонентов, в том числе оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, оксиды металлов (наиболее вредный – оксид свинца), сажа и прочее. 1 автомобиль выделяет 1000 вредных компонентов Ежегодно в атмосферу выбрасывается 60 млн т вредных веществ, из них 37 млн т — от автотранспорта. Свыше 100 лет назад английский химик Смит ввел понятие кислотные дожди.

Как сберечь свой край?

Как сберечь свой край: Упорядочение транспортного потока. Запрещение проезда грузовых машин. Ограничение въезда в город транзитного транспорта, неисправных транспортных средств. Снижение шума двигателя. Посадка деревьев вдоль дорог.

ТЭС работают на органическом топливе и поэтому их строят вблизи мест его добычи. В качестве топлива используется дешевый уголь и мазут. Но это, к сожалению, невосполнимые природные ресурсы, которых хватит лишь на несколько десятков лет. К тому же, в процессе сгорания топлива образуются вредные вещества, неблагоприятно влияющие на окружающую среду.

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 третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу две-три тонны свинца.

Парниковый эффект Выбросы вредных веществ в атмосферу- не единственная сторона воздействия энергетики на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле. (за счет нагрева атмосферы с повышенным содержанием в ней СО2 и паров воды(ощущение духоты, утомляемость)) Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию.

Отрицательные последствия использования тепловых машин: Потепление климата Загрязнение атмосферы Уменьшение кислорода в атмосфере Решение проблемы: Вместо горючего использовать сжиженный газ. Бензин заменить водородом. Электромобили. Дизели. На тепловых электростанциях использовать скрубберы, в которых сера связывается с известью. Сжигание угля в кипящем слое.

Анкета Жак Кусто : «Раньше природа устрашала человека, а теперь человек устрашает природу» Анкета (оценка уровня экологической воспитанности учащихся) 1. Дать оценку своих экологических знаний, полученных в школе (по пятибалльной шкале). 2. Выбрать варианты, которые отвечают вашим взглядам: А) нечего ждать милостей от природы, взять их у нее – наша задача; Б) природа – не храм, а мастерская, и человек в ней работник; В) не будем, однако, обольщаться победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из таких побед имеет , правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и третью очередь – совсем другие, непредвиденные последствия, которые часто уничтожают значение первых.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

1. Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу.

— Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

— Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели.

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а газ (пар), расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия газа (пара) превращается в кинетическую энергию поршня.

Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Про тепловые двигатели вы уже говорили в 8 классе.

2. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Тепловая машина работает циклично. Газ, которому передается энергия, нагрет до высокой температуры и соответственно внутренняя энергия такого газа достаточно большая. Расширяясь, газ совершает работу, соответственно охлаждается, его внутренняя энергия уменьшается и совершается полезная работа. В дальнейшем, чтобы все повторилось нам надо перевести наш тепловой двигатель в первоначальное состояние, таким образом, чтобы работа вновь повторилась. Для этого нам необходимо газ охлаждать. Для рассмотрения всех процессов, происходящих в ТД, удобно рассматривать газ, находящийся в цилиндре под поршнем. В этом случае мы говорим, что газ совершает работу по перемещению поршня. Работа этого поршня и будет считаться полезной.

Однозначно классифицировать ТД нельзя. Существует много признаков, по которым различают тепловые двигатели: по назначению двигателей, по роду используемого топлива, по способу преобразования тепловой энергии в механическую, по способу регулирования в связи с изменением нагрузки и т.д.

Основная классификация тепловых двигателей по способу подвода теплоты к рабочему телу:

1. Двигатели внутреннего сгорания
2. Двигатели внешнего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива и выделение теплоты с преобразованием в механическую работу — происходят непосредственно внутри двигателя.

Двигатели внешнего сгорания – класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Это, например, паровая турбина, газовая турбина, паровая машина.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Первая часть — нагреватель. Нагревателем в ТД является процесс сгорания топлива. Именно в этот процесс включается образование газа. Нагреватель характеризуется температурой нагревателя Т_н, т.е. температура того, газа, который образовался. И конечно количеством теплоты, который передается этому газу.

Газ, образовавшийся в результате, того что сгорело топливо, называется рабочим телом. Рабочее тело и совершает работу. И оставшееся, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

Холодильником, как правило, является окружающая среда. Именно температура холодильника в данном случае нам говорит о том, до какой температура мы должны понизить температуру рабочего тела, чтобы перевести машину в первоначальное состояние.

Работу, которое совершает рабочее тело, газ при расширении, мы определяем следующим образом: A=| Q ₁|– |Q ₂|. Важное значение имеет цикличность работы. Работа двигателя будет оправдана в том случае, если работа по сжатию газа будет меньше, чем работа, произведенная самим газом. В этом случае работа газа совершается при расширении, т.е. тогда, когда давление газа будет больше атмосферного. А в случае охлаждения газа, сжатие газа будет производиться внешними силами, тогда работа газа будет считаться отрицательной.

3. КПД тепловых двигателей

КПД теплового двигателя – важнейшая его характеристика. ТД подчиняется первому закону термодинамики и конечно же второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах. ç = ·100% ç = ·100%

Q_н – теплота, полученная от нагревателя, Дж Q_х — теплота, отданная холодильнику, Дж

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ для определения (через термодинамическую температуру):

η = ·100% Т_н – термодинамическая температура нагревателя, К

Т_х — термодинамическая температура холодильника, К.

И этот коэффициент полезного действия получил название максимального

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Т_х, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

4. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

Тепловые двигатели- паровые турбины- устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном- поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- ДВС и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД: Паровой двигатель – 8%; Паровая турбина – 40%; Газовая турбина – 25-30%;

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%; Дизельный двигатель – 40– 44%; Реактивный двигатель – 25%

5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивают возможности удовлетворения жизненных потребностей человека.Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых двигателях 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:

1. При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

2. Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. Дальнейшее существенное увеличение концентрации СО₂ в атмосфере может привести к повышению ее температуры («парниковый эффект»).

3. при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными

соединениями, вредными для растений, животных и для здоровья человека.

4. Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.

5. Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).

Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;

2. использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;

3. повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

Перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода. Идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.

Приложение 3

Решение расчетных задач

Задачи.

1. Найти КПД теплового двигателя, если газ получает от нагревателя 200 Дж теплоты и отдает холодильнику 135 Дж.

2. Чему равен КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 800 о С, а температура холодильника 25 о С?

3. Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с температурой нагревателя 727 о С и температурой холодильника 27 о С.

4. Каков КПД теплового двигателя, если рабочее тело, получив от нагревателя количество теплоты 1,6 МДж, совершило работу 400 кДж? Какое количество теплоты передано холодильнику?

Приложение 4

Вопросы для закрепления материала.

1. Какие машины называются тепловыми?

2. Каков принцип работы тепловых двигателей?

3. Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.

4. Что называют кпд теплового двигателя?

5. По какой формуле рассчитывают КПД реальной машины?

6. По какой формуле рассчитывают КПД идеальной машины? Каков ее смысл?

7. Назовите какие виды тепловых машин вам известны?

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды
план-конспект урока по физике (8 класс) на тему

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Все они при работе выделяют большое количество теплоты и выбрасывают в атмосферу вредные для растений и животных химические соединения. Это ставит серьезные проблемы охраны окружающей среды.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Афлятунова Гулюса Шагитовна

Учитель физики гимназии № 4 Кировского района г.Казани Республики Татарстан

Образовательные – рассмотреть физические принципы работы тепловых двигателей; выяснить роль тепловых двигателей в жизни мирового сообщества;

Развивающие – совершенствовать интеллектуальные способности и мыслительные умения учащихся; формировать представление о процессе научного познания;

Воспитательные – прививать культуру умственного труда; раскрыть сущность экологических проблем и убедить учащихся в жизненной важности бережного отношения к окружающей нас природе.

Тип урока: урок усвоения новых знаний.

Оборудование: пробирка, пробка, вода, таблица «ДВС» экологические таблицы.

1. Жак Ив Кусто: «Раньше природа устрашала человека, а теперь человек устрашает природу»

2. 1 т бензина, сгорая, выделяет 500-800 кг вредных веществ;

в атмосферу ежегодно выбрасывается 5 млрд т. СО 2 в состав выхлопных газов входит 1200 компонентов, в том числе оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, оксиды металлов (наиболее вредный – оксид свинца), сажа.

1. Организационный момент
2. Подготовка к усвоению нового материала (организовать и целенаправить познавательную деятельность учащихся)

Мощный расцвет промышленности в XIX в был связан с изобретением первого теплового двигателя внутреннего сгорания послужило базой для развития автомобильного транспорта.

Тема нашего урока – тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

б) формулировка цели урока.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Все они при работе выделяют большое количество теплоты и выбрасывают в атмосферу вредные для растений и животных химические соединения. Это ставит серьезные проблемы охраны окружающей среды.

Наша цель раскрыть сущность экологических проблем; научить видеть физику в окружающем мире.

1. Актуализация опорных знаний учащихся (повторить и углубить знания, необходимые для усвоения нового материала; прием обучения – эвристическая беседа)
2. Освоение нового материала.

1. Проделаем опыт . Нальем в пробирку немного воды, затем плотно закроем ее пробкой нагреем воду до кипения. Под давлением образовавшегося пара пробка выскочит и поднимается вверх. Сначала в этом опыте энергия топлива перешла во внутреннюю энергию. Затем пар, расширяясь, совершил работу – поднял пробку. Если мы заменим пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку – поршнем, способным двигаться внутри цилиндра, то получим простейший тепловой двигатель .

Тепловыми двигателями называют машины, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую.

Существует разные виды тепловых двигателей:

• паровая машина,
• двигатель внутреннего сгорания,
• газовая и паровая турбина,
• реактивный двигатель.

Различные по конструкции и назначению паровые машины разработали: Т.Севери (англичанин), Т.Ньюкомен (англичанин), Д. Папен (француз), И.И. Ползунов (русский), Д.Уатт (англичанин).

Большое значение для развития науки и техники имело изобретение Уатта, которое совпало по времени с бурным развитием промышленности в Англии. Изобретение паровой машины сыграло огромную роль в переходе к машинному производству. Недаром на памятнике Уатту написано: «Увеличил власть человека над природой».

1. Двигатель внутреннего сгорания был изобретен в 1860 г, французским механиком Э.Ленуаром. Свое название он получил из – за того, что топливо в нем сжигалось внутри цилиндра двигателя.

Наибольшее распространение получил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, сконструированный в 1878 г. немецким изобретателем Н.Отто Каждый рабочий цикл этого двигателя включал в себя четыре такта:

-впуск горючей смеси,

-выпуск продуктов сгорания.

Отсюда и название двигателя – четырехтактный.

I такт – выпуск. Открывается впускной клапан, поршень движется вниз, рабочая смесь занимает весь объем цилиндра.

II такт – сжатие. Клапаны закрыты. Поршень движется, рабочая смесь сжимается, и при минимальной рабочей смеси происходит воспламенение от искры.

III такт – рабочий ход. При сгорании рабочей смеси давление газов составляет 5-7 мПа, а Температура 1500 — 2200ºС. Поршень под действием газов движется вниз, температура газа уменьшается. Происходит преобразование части внутренней энергии в механическую.

IV такт – выпуск. Поршень начинает двигаться вверх, открывается выпускной клапан, и отработанные газы выходят в окружающую среду.

Частота вращения вала – от 3000 до 7000 оборотов в минуту. КПД-25-30%.

В 1897г. немецкий инженер Р.Дизель сконструировал ДВС, в котором сжималась не горючая смесь, а воздух. В процессе этого сжатия температура воздуха поднималась настолько, что при попадании в него топлива оно самовозгоралось. Специального устройства для воспламенения топлива в этом двигателе уже не требовалось; не нужен был и карбюратор. Новые двигатели стали называть дизелями. Двигатели Дизеля являются наиболее экономичными тепловыми двигателями. КПД- 31-44 %.

Применение ДВС: они приводят в движение самолеты, теплоходы, тракторы, тепловозы, морские и речные суды, автомобили.

1. Охрана окружающей среды.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Все они при работе выделяют большое количество теплоты и выбрасывают в атмосферу вредные для растений и животных химические соединения. Это ставит серьезные проблемы охраны окружающей среды.

Особое место в экологическом загрязнении занимает транспорт. Один легковой автомобиль в среднем в год потребляет около 4 тонн кислорода, а выбрасывает в атмосферу около 40 кг окиси азота и почти 200 кг различных углеводородов. Выбросы особенно значительны при малых оборотах двигателей или в моменты торможения или увеличения скорости. В этот момент выделяется в десятки раз больше несгоревших частиц, чем при обычной работе двигателя в пути. Отработавшие газы автомобильных двигателей оказывают вредные влияния на весь организм человека, воздействуют на органы обоняния, вызывают раздражение глаз, верхних дыхательных путей, обострение легочных и других хронических заболеваний, в некоторых случаях могут привести к серьёзным отравлениям.

Отрицательные последствия использования машин:

а) Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное излучение поверхности Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере приводит к повышению ее температуры (парниковый эффект). Этот эффект может создать угрозу таяния ледников и катастрофические повышение уровня Мирового океана.

б) при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

в) При сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека.

Ежегодно сжигая 33 млрд т угля, человечество рассеивает вместе с золой до 220 тыс. т урана и 280 тыс.т. мышьяка, в то время как мировое производство этих двух металлов составляет в год соответственно 30 и 40 тыс. т.

В результате сжигания топлива в атмосферу поступает около

200 млн т. оксида углерода (II)

150 млн. т. оксида серы (IV)

50 млн. т. оксида азота (II)

70 млн. м³ соединений свинца и других металлов.

В последние годы охране окружающей среды во всех странах мира уделяется большое внимание.

Для этого необходимо обеспечить:

1. более полное сгорание топлива;
2. более тщательную очистку газов, выделяющихся двигателями внутреннего сгорания;
3. поиск более «чистого» продукта. Ведутся большие исследовательские работы по созданию водородного двигателя, в процессе работы которого в атмосферу не выбрасываются вредные газы.

Перспективными с точки зрения экологии являются электромобили, в которых вместо бензиновых двигателей используется электродвигатель.

Защита окружающей среды – дело каждого, и каждый может и должен принять в нем посильное участие.

V. Закрепление нового материала (закрепить знания и умения, необходимые для самостоятельной работы учащихся)

Итак, попробуем ответить на вопросы:

1. Перечислите виды тепловых двигателей. Каковы отрицательные последствия применения тепловых двигателей?

2. Какая экологическая проблема нашла отражение в строках китайского поэта Цюй Цюбо?

Мчится в автомобиле.

Белесый клубится дым,

Зловоние душит людей.

1. Одним из перспективных направлений в поисках экологически чистых видов топлива является переход на широкое использование водорода. Чем это объяснить?

VI. Подведение итогов урока (формировать систему знаний о процессе научного познания)

Основу научного познания заложил великий итальянский ученый Г.Галилей. Именно этим путем идут ученые, совершая свои открытия. И мы на уроке изучали новый материал соответственно циклу естественнонаучного познания.

Метод научного познания позволяет объективно отражать действительность и применяется не только в физике, но и в других областях науки. Вспомним основные этапы и их последовательность в изучении тепловых двигателей. Какой этап научного познания вам показался наиболее трудным? Наиболее важным? Наиболее интересным?

VII. Домашнее задание.

§ 22. Подготовить доклад на тему: «Использование энергии Солнца на Земле».

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Цель урока: закрепление, обобщение и систематизация знаний, полученных на уроках при изучении темы «Тепловые двигатели».Задачи урока: 1.Образовательные: закрепление, обобщение и систематизация зн.

Тип урока — урок обобщения и систематизации знаний.Цель урока: закрепление, обобщение и систематизация знаний, полученных на уроках при изучении темы «Тепловые двигатели».Задачи урока: 1.Об.

Презентация для урока при изучении тепловых двигателей, ДВС, таровая турбина.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

План — конспект урока » Тепловые двигатели и охрана окружающей среды».

Интегрированный урок (физика – экология) в 8 классе по теме: «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды»Цели урока: — объяснить принцип действия тепловых двигателей, определить КПД тепловых дв.

Тепловые двигатели и экология

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.