Польза и вред тепловых двигателей кратко

Обновлено: 02.07.2024

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.

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.

Ежедневно мы имеем дело с двигателями, приводящими в движение автомобили, корабли, производственную технику, железнодорожные локомотивы и самолеты. Именно появление и широкое использование тепловых машин быстро продвинуло вперед промышленность.

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.

Где применяются тепловые двигатели

Экологическая проблема использования тепловых машин

Используемые человеком машины, теплодвигатели, производство автомобилей, применение газотурбинных двигательных установок, авиация и ракетоносители, загрязнение водной среды судами – все это катастрофически разрушающе действует на окружающую среду.

Во-первых, при сжигании угля и нефти в атмосферу выделяются азотные и серные соединения, губительные для человека. Во-вторых, в процессах используется атмосферный кислород, содержание которого в воздухе из-за этого падает.

Выбросы вредных веществ в атмосферу – не единственный фактор влияния тепловых двигателей на природу. Производство механической и электрической энергии не может осуществляться без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты, что не может не приводить к увеличению средней температуры на планете.

Экологическая проблема использования тепловых машин заключается и в том, что сгорание топлива не может быть полным, и это ведет к выбросу в воздух, которым мы дышим, золы и хлопьев сажи. По статистике, во всем мире энергоустановки ежегодно сбрасывают в воздух более 200 млн. тонн золы и более 60 млн. тонн оксида серы.

Проблемы экологии, связанные с использованием тепловых машин, пытаются решать все цивилизованные страны. Вводятся новейшие энергосберегающие технологии по усовершенствованию тепловых двигателей. В результате энергопотребление на производство одной и той же продукции значительно снижается, уменьшая вредное действие на экологию.

Тепловые электростанции, двигатели внутреннего сгорания автомобилей и других машин в большом количестве сбрасывают в атмосферу, а затем в почву вредные для всего живого отходы, к примеру, хлор, сернистые соединения (при сгорании каменного угля), угарный газ СО, оксиды азота и др. Автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу около трех тонн свинца.

На атомных электростанциях иная экологическая проблема использования тепловых машин - безопасность и захоронение радиоактивных отходов.

Из-за невероятно большого потребления энергии некоторые регионы утратили способность самоочищения собственного воздушного пространства. Эксплуатация атомных электростанций помогла значительно снизить вредные выбросы, однако для работы паровых турбин требуется огромное количество воды и большое пространство под пруды для охлаждения отработанного пара.

Пути решения

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 для проведения одной и той же работы. Борьба с негативными последствиями использования тепловых машин заключается только в том, чтобы увеличить эффективность применения энергии и переходить на энергосберегающие технологии.

В общем, будет неправильным утверждать, что мировая экологическая проблема использования тепловых машин не решается. Все 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 Земли.

Экологические проблемы использования тепловых двигателей в последнее время стоят очень остро для разных стран мира. Прежде чем определить эффективные пути решения, нужно понять, что такое тепловые двигатели и как именно они пагубно отражаются на экологии.

Что такое тепловая машина

Тепловые машины — двигатели и более простые устройства, которые для выполнения определенных функций используют тепловую энергию. Этот термин довольно широк и включает в себя много разных механизмов.

Приборы, использующие тепло, постоянно окружают человека. Если кратко объяснить, то и холодильник можно отнести к подобным агрегатам. В нем тепло из холодильной камеры переносится в радиатор на задней стенке, чем незаметно греет в помещении воздух. Но холодильник не создает никаких вредных выбросов, в отличие от других тепловых машин.

Как работает тепловой двигатель

Основывается работа теплового двигателя на способности веществ расширяться при повышении температуры. Как рабочее тело используется в тепловом механизме газ, нагреваемый за счет сжигания топлива.

Все агрегаты функционируют циклически. Для запуска такой системы температура нагревателя должна значительно превышать Т окружающей среды. При обратном ходе поршня температура газа понижается за счет холодильника.

Внимание!

Охладителем может выступать атмосфера или жидкость.

Работа двигателя — разность подведенного и отведенного тепла. КПД приравнивают к отношению работы к теплу, которое подведено к системе.

Экологические проблемы использования тепловых машин

Роль тепловых двигателей в экологии Земли довольно существенная. Так, при использовании этих агрегатов наблюдаются некоторые проблемы для окружающей среды.

Нагревание атмосферы

Из-за этого происходит глобальное потепление и таяние ледников. Воздействие на экологию следующие:

Из воздуха выводится используется кислород.
Происходит выделение углекислого газа.
Более половины загрязнений воздуха происходит из-за транспортных средств — ежегодно выбрасывается 2-3 млн т свинца. В крупных городах именно выбросы являются причиной токсичного смога.
Топливо полностью не сгорает, но в атмосферу выделяется примерно 200 млн т сажи, золы, 70 т оксида серы.

Из этого следует, что влияние тепловых двигателей на экологию бесспорно. И его нельзя назвать позитивным.

Последствия для экологии

Один из основных источников окружающей среды — тепловые машины. Экологические проблемы при использовании этих агрегатов носят комплексный характер — из-за токсических выбросов происходит загрязнение земли, воды и воздуха.

Первый удар приходится на атмосферу. Каждый год из-за тепловых машин в грунт и воду попадают токсические вещества. В результате меняется их химический состав. Это пагубно отражается на живых организмах. Дополнительный негативный эффект также связан с составом дыма. Мелкодисперсная угольная пыль попадает в органы дыхания.

Ситуация с химическим составом выбросов автомобилей еще хуже. По этой причине у людей наблюдаются такие болезни, как злокачественные образования, обструктивные изменения и подобные. Тепловые двигатели и экология несовместимы, поскольку эти агрегаты вызывают кислотные дожди, разрушение озонового слоя и не только.

Влияние на живые организмы

Тепловые машины и экология, то как влияют эти механизмы на живые организмы — интересует все большее число людей на планете. Самыми опасными элементами из всего, что выделяется в окружающую среду, являются соединения свинца, фенола, азота и углеводорода.

Внимание!

Свинец, входящий в состав топлива для дизеля — сильный канцероген. Такие же свойства у хрома, брома, а также их соединений.

Из-за выбросов тепловых машин происходит угнетение иммунной системы человека, что провоцирует дыхательные и сердечно-сосудистые болезни. Соединения серы и азота, при реакции с влагой в воздухе, образуют токсичные кислоты. Именно они являются причиной кислотных дождей, которые пагубно отражаются на растительности и состоянии грунта.

Пути их решения

Решение проблем с пагубным воздействием тепловых механизмом включает:

Модификацию уже существующих тепловых машин до состояния с максимально возможным сгоранием топлива и незначительными выбросами в атмосферу.
Обновление и улучшение систем фильтрации, которое направлено на вторичное применение выхлопных газов. На этом принципе основывается создание тепловых двигателей с замкнутым циклом.
Вынесение предприятий теплоэнергетики за пределы населенных пунктов. Конечно, выделение токсинов в атмосферу не уменьшится, но их концентрация в городах упадет.
Отказ от применения каменного угля в пользу природного газа, который выделяет меньше сажи и прочих вредных веществ.
Жесткий контроль качества моторного топлива. Многие страны уже запретили продавать бензин со свинцом.
Правильную организацию дорожного движения. Оказалось, что большая часть выбросов происходит во время дорожных заторов.
Применение альтернативной энергии, которая не связана с непосредственным горением топлива любого вида. Так, ТЭС заменить можно солнечными панелями, а дизельные и бензиновые авто – электрокарами.

Внимание!

Каменный уголь заменить можно и водородом, но технология его получения и использования до конца не разработана.

Необходимо понимать, что природу нужно беречь, в противном случае это чревато печальными последствиями. Проблемы в экологии, которые связаны с использованием тепловых двигателей, постоянно увеличиваются, поэтому необходимо их заменить, т. к. довольно плохо сочетаются подобные механизмы с охраной окружающей среды. Но для этого требуется большие затраты и немало времени.

Изучить роль тепловых машин в нашей жизни и попробовать наметить выход из непростой экологической ситуации, которая во многом связана с ними..

Изучить историю создания ДВС и их принцип работы.
Установить связь загрязнения воздуха с загруженностью автодорог.
Рассчитать количество вредных продуктов работы тепловых машин.
Выяснить, как уменьшить вредное влияние использования тепловых машин на жизнь и деятельность человека на Земле.

В ходе работы множества тепловых машин возникают выхлопы тепла, которые, приводят к нагреванию самой атмосферы. Это может привести к более интенсивному таянию ледников и фатальному для человечества повышению уровня Мирового океана. Работа тепловых машин и ДВС способствует тому, что в атмосферу выбрасываются вредные для живых и растительных организмов продукты сгорания топлива.

Если выхлопы токсинов – это неизбежность в работе автотранспорта то, можно ли и как их уменьшить?

Современная жизнь человека невозможна без использования самых разнообразных машин, облегчающих его жизнь. С помощью машин человек обрабатывает землю, добывает нефть, руду, прочие полезные ископаемые, передвигается и т.д. Машины выгодны тем, что способны совершать большую полезную работу.

Машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, в результате чего нагреватель получает достаточно высокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использования внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. В настоящее время довольно широко распространены также тепловые машины, использующие теплоту, выделяющуюся в реакторе, где происходит расщепление атомных ядер.

7. Основная часть.

7.1. Исторический обзор

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Первый универсальный тепловой двигатель был создан в 1764 г. в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае И. И. Ползуновым. Он первым понял, что можно заставить паровую машину приводить в движение не только насос, но и кузнечные мехи. Рабочие органы его машины передавали движение валу отбора мощности. Это качество придавало машине Ползунова свойство универсальности.

С того времени тепловые двигатели многократно модифицировались.

История паровых машин начинается лишь в 17 веке. Одним из первых, кто создал действующий прообраз паровой машины, был Дени Папен. Паровая машина Папена, была фактически лишь набросками, моделью. Он так и не сумел создать настоящую паровую машину, которая могла бы использоваться на производстве. Все его идеи нашли применение в следующем поколении паровых машин.

В 1712 году была создана паровая машина Томаса Ньюкомена. Она вобрала в себя лучшие идеи из паровой машины Папена и парового насоса Севери. Главные недостатки, паровой машины Ньюкомена заключались в ее огромных размерах и очень большом потреблении угля. Попытки применить ее для пароходов не увенчались успехом.

В 1773 году, Уатт, строит свою первую действующую паровую машину. А в 1774 году, совместно с промышленником Метью Болтоном, Уатт открывает компанию по производству паровых машин.

В 1884 году, Уатт создает первую универсальную паровую машину. Ее основное назначение – привод промышленных станков. С этого момента, паровая машина перестает быть привязана к угольным шахтам..

Паровая машина Уатта стала основанием технологического прорыва в технике. Началась эпоха паровых машин.

В 20-м столетии стало возможным претворить на практике мечты многих изобретателей об использовании реактивной силы в качестве движущей силы для летательных аппаратов, хотя о самом реактивном движении знали ещё более 2000 лет назад.

Кто был первым создателем авиационного реактивного двигателя? На этот вопрос невозможно получить однозначный ответ.

К началу второй мировой войны, в 1939 г., наибольший прогресс в развитии реактивных двигателей был, достигнут в Англии и Германии, абсолютно независимо друг от друга.

Кроме Германии и Англии, следует отметить еще ряд стран, где проведены подобные работы: в Швеции, во Франции, в Венгрии, в США и Советском Союзе.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Первый двигатель изобрёл в 1860 году французский механик Этьен Ленуар (1822-1900). Рабочим топливом в его двигателе служила смесь метана, водорода и воздуха. Устройство походило на устройство будущих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндром с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл.

Однако, у этого двигателя коэффициент полезного действия составлял всего 0.04, т.е. всего 4% теплоты сгоревшей смеси газов тратилось на полезную работу, а 96% уходили с отработанными газами.

В 1862 г. француз Альфонс Бо Де Роша (1815-1891) предложил идею четырёхтактного двигателя: обязательным моментом работы последнего становилось сжатие рабочей смеси газа с воздухом. Но сам он осуществить свою идею не сумел. Такой двигатель создал в 1876 г. служащий из Кёльна (Германия) Николаус Август Отто (1832-1891). КПД его двигателя уже был выше (хоть и немного).

Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.

Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз. Во время движения поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.

В самом конце движения поршня к НМТ клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.

В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.

В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все тоже выпускное окно.

Цикл повторяется заново.

*ВМТ – верхняя мёртвая точка;

НМТ – нижняя мёртвая точка.

Ракетные двигатели имеют довольно простой принцип работы.

Для того чтобы работать в условиях космоса, ракетные двигатели должны иметь собственный запас кислорода для обеспечения сжигания топлива. Топливно-воздушная смесь впрыскивается в камеру сгорания, где происходит ее постоянное сжигание. Образующийся во время сгорания газ под очень большим давлением высвобождается наружу через сопло, создавая реактивную силу и заставляя ракетный двигатель, а вместе с ним и ракету двигаться в противоположном направлении.

Двигатель внутреннего сгорания

Основы устройства поршневого ДВС

Итак, четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемещается поршень. Поршень через шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал представляют собой кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами. Перемещение поршня ограничивается ВМТ и НМТ. Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня

Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

8.Роль тепловых машин ТМ.

Паровые двигатели имели огромное значение до середины прошлого века, т.к. использовались на железной дороге.

Сегодня там большее распространение получили дизельные двигатели. Они широко используются в автомобильном транспорте: их устанавливают на автомашинах, мотоциклах, мопедах, грузовых автомобилях. Кроме того их используют на железнодорожном транспорте, в легкой авиации, в сельском хозяйстве. Эти двигатели имеют большую мощность при довольно небольших размерах. Именно паровые турбины приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

КПД ракетных двигателей достигает 60 %. Это значит, что их целесообразно использовать на авиационном и космическом транспорте.

Итак, тепловые двигатели широко используются в транспортной, сельскохозяйственной, промышленной и космической сферах деятельности человека.

Мы очень долго используем тепловые машины и почти столько же времени не думали о наносимом вреде окружающей среде нашей планеты.

- Продукты сгорания вызывают парниковый эффект (однако отметим, что тепловой эффект во многом компенсируется ледниковым эффектом.

- Выхлопные газы являются мутагенами, образуют с туманом или дождем смог и кислотные дожди (у человека они вызывают поражения кожи и органов дыхания; продолжительность жизни животных и растений уменьшается).

- Соединения азота с кислородом ускоряют разрушение озонового слоя.

- ДВС поглощают кислород прямо из атмосферы.

9. Проведение наблюдений .

Зная о том, что самая большая часть вреда для окружающей среды исходит от автомобиле, я задумалась: сколько вреда приносит дорожный транспорт нашему городу? В Сасово не самый мощный поток машин в нашей стране. Определив загазованность выхлопными газами у нас, путём несложных математических вычислений можно сделать выводы и о стране, и о Земле в целом. Я провела исследование и вычислила количество токсичных продуктов, образующихся при работе автотранспорта в трёх точках г.Сасово.

Используя методики, описанные в печатном издании (см. Приложения № 1), я подсчитала общую массу выделившихся токсичных продуктов. Результаты исследований оформила в виде таблиц (см таблица 1, 2, 3) и диаграммы (см. Приложение № 3) Мы вели подсчет на трех участках (карта см. Приложение № 2, (а, б, в)) с.26 – 28.

таблица 1. Количество токсичных веществ на 1- ом участке (светофор у МКЦ)

Читайте также: