Тепловые машины и их влияние на окружающую среду

Принципиальное устройство теплового двигателя

В природе мы часто можем наблюдать процессы перехода механической энергии в тепловую энергию, например, трение тел друг о друга в процессе их относительного движения вызывает их нагрев. Используя тепловой двигатель можно провести обратный процесс: преобразовать теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.

Любой тепловой двигатель имеет три части:

• нагреватель;
• холодильник;
• рабочее тело, это пар или газ, находящийся в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.

При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.

• Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
• Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
• Цикл может начинаться сначала.

Готовые работы на аналогичную тему

• Курсовая работа Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 430 руб.
• Реферат Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 250 руб.
• Контрольная работа Тепловые двигатели и охрана окружающей среды 200 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость В описанном цикле механическая работа получается в результате теплоотдачи нагревателя.

Нагреватель получает теплоту за счет сжигания топлива разного вида:

• каменного угля;
• бензина;
• природного газа.

Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:

• паровая машина;
• турбина.

Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:

• бензиновый двигатель;
• дизель;
• реактивный двигатель.

Тепловой двигатель не может работать без потерь, то есть он не может переводить в механическую работу все тепло, которое подводится ему извне.

Эффективность работы теплового двигателя определяют при помощи коэффициента полезного действия:

$\eta=\frac{A}{Q_1}=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}(1),$

где $A$ — работа в одном цикле; $Q_1$ — количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя; $Q_2$ — количество теплоты, отданное системой холодильнику.

Требуется вычитка, рецензия учебной работы? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос

Замечание 1

Выражение (1) показывает, что тепловой двигатель будет тем эффективнее, чем меньше количество теплоты уходит из системы (не используется).

Теплопередача должна проходить в системе так, чтобы:

• вся теплота, полученная от нагревателя, по возможности шла на выполнение работы;
• рабочее тело могло выполнять работу, то есть газ, увеличивая свой объем мог двигать поршень.

Популярные темы сообщений

• Камчатка Камчатка – это полуостров на территории Российской Федерации. Он расположен в северо-восточной части материка Евразии. Он омывается двумя морями и одним океаном. Западные границы полуострова омывают Охотское море, а восточные – Берингово море
• День народного единства День народного единства России является государственным праздником. Он отмечается обычно 4 ноября. В этот день никто не работает. Впервые о нем стало известно в 2004 году. Именно данный праздник помогает всем народам объединиться в одну
• Федеральное собрание РФ Федеральное собрание – это один из множества федеральных органов, который производит государственную власть в РФ. К его функциям относятся:

Как работает тепловая машина?

Принцип работы механизмов, использующих тепло, различен. Но у большей их части есть одно общее обстоятельство: они сжигают топливо и образуют дым. Он состоит из недогоревших частичек топлива, так как 100% сгорание является невозможным в большинстве условий.

Суть тепловой машины можно легко понять на примере паровоза. Этот локомотив, который уже не встретишь на регулярных железнодорожных рейсах, имеет в своей основе большой бак с водой и топку. В качестве топлива используется уголь, который, сгорая, нагревает воду. Та, в свою очередь, начинает превращаться в пар, толкающий поршни. Система поршней и тяг соединена с колесами и заставляет их вращаться. Таким образом, паровоз является тепловой машиной и без тепла ни смог бы тронуться с места.

В процессе сгорания угля в паровозной топке образуется угольный дым. Он выбрасывается через трубу в открытый воздух, оседая на кузове паровоза, листьях деревьев, зданиях вдоль железнодорожного пути и т.д.

Пути решения проблемы

Можно утверждать, что ТД породили современное индустриальное общество. При этом необходимость их замены с каждым днем становится все более очевидной. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды плохо сочетаются друг с другом.

Автобус на электрической тяге

Альтернативы для этого уже есть: тепловые электростанции можно заменить солнечными панелями, а автомобили с ДВС – электрокарами.

Такой переход потребует много времени и еще больше ресурсов, но результат оправдает эти затраты.

Теплоэнергетика

Предприятия теплоэнергетики следует вынести за границы населенных пунктов. От этого они не будут выделять в атмосферу меньше вредных веществ, но их концентрация в городах станет меньше.

Следует отказаться от наиболее «грязного» вида ископаемого топлива – каменного угля. Природный газ дает меньше выбросов сажи и других вредных веществ. Хорошей альтернативой является водород, однако технологии его получения и использования пока не отработаны.

Выбросы автомобилей

Вполне реально уменьшить вред, который окружающей среде и здоровью людей наносят автомобили с ДВС. Эффективным методом является жесткий контроль качества моторного топлива. Уже сегодня во многих странах запрещена продажа бензина с добавками свинца.

Существуют стандарты по количеству вредных веществ в выхлопных газах самих автомобилей. Они зависят от конструкции двигателя и системы зажигания, наличия нейтрализаторов.

Хорошим решением является перевод транспорта на различные виды природных газов.

Уменьшить загазованность в населенных пунктах позволяет правильная организация дорожного движения. Установлено, что большая часть выбросов происходит во время нахождения машин в «пробках».

Альтернативная энергетика

«Зеленая» энергетика – мощный тренд последнего десятилетия. К ней обычно относят ветроэнергетику, солнечные панели, биогаз, приливные электростанции. Они известны человечеству давно, но только сейчас становятся экономически выгодными.

Доля «зеленой» энергии в мировой генерации с каждым годом увеличивается.

Защита атмосферы

Для защита атмосферы от вредных выбросов сегодня используется несколько методов. Чтобы уменьшить концентрацию выбросов, трубы делают выше. Куда более эффективно работают различные фильтры, улавливающие отходы. Однако такая очистка достаточно дорого стоит и также не дает полной гарантии.

Двигатели внутреннего сгорания и экология

Слайд 1

Двигатели внутреннего сгорания и экология Выполнила студентка группы 1Т МИПК им. Фёдорова Соколова Любовь

Слайд 2

ДВС был изобретен для того, чтобы облегчить жизнь людей. Но постепенно это гениальное творение превратилось в источник опасности.

Слайд 3

При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. В наиболее развитых странах тепловые двигатели уже сегодня потребляют больше кислорода, чем вырабатывается всеми растениями, растущими в этих странах.

Слайд 4

Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу углекислый газ. В о всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно более 200 млн. т золы и более 60 млн. т оксида серы.

Слайд 5

В следствии выбросов углекислого газа усиливается париковый эффект . Парниковый эффект – это рост среднегодовой температуры воздуха на планете .

Слайд 6

Двигатели внутреннего сгорания стоят на автомобилях. В настоящее время около 0,03 % суши занято под автостоянки и дороги.

Слайд 7

Но главное —вследствие выбросов выхопных газов в атмосферу гибнут цветы, деревья, над городами, где много машин, часто образуется смог.

Слайд 8

4 тонны кислорода 800 кг угарного газа 40 кг оксидов азота 200 кг углево-дородов 1 кг свинца 2 кг двуокиси серы В городах до 90 % загрязнения идет от вреда выхлопных газов автомобилей. д ругие вещества За год один легковой автомобиль

Слайд 9

Ш ум , создаваемый автотранспортом, который составляет 80% технических шумов , влияет на нервную систему человека, вызывает психические заболевания, сокращает на 8- 12 лет жизнь в больших городах.

Слайд 10

Одна из находок среди топлива — этиловый спирт, он в меньшей мере загрязняет окружающую среду и производится из органических продуктов.

Слайд 11

В США уже разработано несколько образцов автомобильных двигателей, действующих на воздушно-водородной смеси.

Слайд 12

Влияние тепловых двигателей на окружающую среду Пути преодоления вредных последствий работы двигателя 1) Повышение температуры на Земле вследствие работы тепловых двигателей. 2) Выброс в атмосферу вредных для растений, животных и человека веществ 3) Шумы и вибрации. Их воздействие на человека вредно. 4)Уплотнение и эрозия почвы при движении транспорта. 1) Повышение экономичости тепловых двигателей. 2) Использование новых сортов топлива, менее токсичных. Разработка новых технологий их сжигания, утилизация отходов. 3) Снижение шума и вибраци . 4)Рациональное использование трансопртных дорог

Презентация на тему: » Влияние тепловых двигателей на окружающую среду» — Транскрипт:

2

Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В XVII в. был изобретён тепловой двигатель, который в последующие годы был усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок.

3

паровая машина,

4

двигатель внутреннего сгорания,

5

паровая и газовая турбины,

6

реактивный двигатель.

8

Паровая турбина. В современной технике так же широко применяют и другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами. В современных турбинах, для увеличения мощности применяют не один, а несколько дисков, насажанных на общий вал.

9

Паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые потери, которые в конечном счете приводят к повышению внутренней энергии атмосферы, т. е. к повышению ее температуры. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных условий. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами.

10

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 третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на земле. Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию

11

Влияние тепловых двигателей на окружающую среду заключается в следующем: 1)Выделение в окружающую среду большого количества тепла, которое должно привести к постепенному повышению температуры на Земле. 2)Работа тепловых двигателей сопровождается сжиганием большого количества угля, нефти и газа. Углекислый газ в атмосфере наряду с парами воды приводит к «парниковому эффекту», что ведет к увеличению температуры Земли. 3)Топки электростанций, двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу вредные для растений, животных и человека вещества: сернистые соединения, оксиды азота, углеводороды, окиси углерода и др. 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).

В чем вред тепловых двигателей

Влияние тепловых двигателей 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-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу два-три тонн свинца.

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, 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.

Серьезная проблема, стоящая перед человечеством — это «экологический кризис». Огромные масштабы преобразования энергии уже начали оказывать «планетарное» воздействие на климат Земли и состав атмосферы.

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.

Токсичными выбросами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает приблизительно 45 % углеводородов от их общего выброса.

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

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.

Виды загрязнений

Выбросы токсичных веществ – главный негативный фактор воздействия тепловых машин на окружающую среду.

В процессе сжигания топлива расходуется много кислорода, что приводит к уменьшению его количества в воздухе. В странах с развитой промышленностью двигатели и турбины потребляют кислорода больше, чем его успевают выделять растения.

Тепловое загрязнение

При работе любого двигателя внешнего или внутреннего сгорания выделяется много тепла, что приводит к «тепловому загрязнению».

За 2008 год все ТМ выработали примерно 125 ПВт/ч энергии. Учитывая их небольшой КПД, примерно столько же энергии рассеялось в виде тепла в атмосфере. Хотя это количество и не кажется слишком большим, но оно способно нарушить хрупкий температурный баланс атмосферы, запустив необратимые изменения.

Последствия для экологии

Тепловые машины – один из главных источников загрязнения окружающей среды. Экологические проблемы при использовании ТД носят комплексный характер – токсичные выбросы отравляют воздух, почву и воду.

Атмосфера принимает на себя первый удар. Тепловые машины ежегодно выбрасывают в окружающую среду около 60 млн тонн оксидов серы и примерно 200 млн тонн сажи. Количество окисей азота, соединений свинца, углеводородов также исчисляется миллионами тонн.

В мире эксплуатируется около 1 млрд автомобилей, на них приходится более половины ядовитых веществ, которые выбрасываются в атмосферу.

В 2021 году в атмосферу было выброшено 33,9 млрд тонн углекислого газа, что на 2% больше, чем годом ранее. Он считается одной из главных причин парникового эффекта и изменения климата.

Выхлопные газы автомобилей – основной источник токсичного смога в крупнейших городах мира. Концентрация вредных веществ в воздухе мегаполисов может превышать норму в десятки раз.

Токсические вещества из атмосферы попадают в почву или воду. Они меняют их химический состав, что самым негативным образом сказывается на живых организмах.

Влияние на живые организмы

Ядовитые выбросы, образующиеся при работе тепловых машин, разрушительно действуют на все живые организмы. Наиболее опасными считаются соединения свинца, азота, фенолы, углеводороды.

Например, свинец, который добавляют в моторное топливо, является сильнейшим канцерогеном. Аналогичными свойствами обладает хром, бром и их соединения.

Выбросы тепловых двигателей угнетают иммунную систему человека, приводят к дыхательным и сердечно-сосудистым заболеваниям.

Соединения азота и серы, вступая в реакции с влагой воздуха, образуют ядовитые кислоты. Именно они – причина кислотных дождей, которые убийственно действуют на почву и растительность.

История создания и принцип действия

Тепловой двигатель – устройство, превращающее тепловую энергию в механическую. Древнегреческий учёный Герон Александрийский ещё в первом веке до н. э. описал в трактате «Пневматика» паровую турбину, которую назвал шаром Эола. Во втором веке появились первые примитивные устройства в Риме. Реактивный двигатель известен человечеству с далёких времён. Он применялся для образования реактивных снарядов и фейерверков в Китае и других азиатских государствах в XIII веке. Современные тепловые двигатели начали появляться в конце XVIII века. И. Ползунов — изобретатель из Алтая в 1764 году предложил проект первого аппарата в мире, который использовал горячий пар для превращения теплоты в механическую энергию. Испытания установки были успешно завершены в конце 1765 года. Машина была работоспособной, но широкого применения не получила. Патентное право на паровой агрегат не был оформлен. Сегодня изобретателем первой паровой установки считается Джеймс Уатт – изобретатель из Англии.

Для работы двигателя нужна разность давлений по обе стороны поршня двигателя. Она создаётся при нагревании рабочего тела (сгорание топлива). После повышения температуры на сотни градусов, газ, обладая достаточной внутренней энергией, расширяется и совершает работу. Пока не охладится до температуры окружающей среды.

1.4. Принцип работы ДВС.

Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания  основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Так как давление под поршнем равно атмосферному давлению, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы — расширятся, совершая полезную работу. Вот здесь-то и дает о себе знать тепловое расширение газов, здесь и заключается его технологическая функция: давление на поршень. Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.

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.