Тепловые двигатели и охрана окружающей среды кратко

Обновлено: 05.07.2024

Создание тепловых двигателей – необходимый атрибут современной цивилизации. Данная тема очень актуальна, так как прогресс человечества теснейшим образом связан с развитием энергетики, транспорта. Автомобильный транспорт играет огромную роль в формировании современного характера расселения людей и распространении туризма, в территориальной децентрализации промышленности и сферы обслуживания.

Содержание

Введение
1. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды
2. Экологические проблемы тепловых двигателей
3. Факторы отрицательного влияния автомобильного транспорта на человека и окружающую среду
4. Методы борьбы с вредными воздействиями тепловых двигателей на окружающую среду
5. Выбросы от автотранспорта в атмосферу
6. Влияние вредных веществ на организм
Заключение
Список использованных источников

Введение

Так, мощный расцвет промышленности в XIX в. был связан с изобретением первого теплового двигателя – паровой машины. Создание двигателя внутреннего сгорания послужило базой для развития автомобильного транспорта и самолётостроение. Газовая турбина буквально в последние четыре десятилетия вызвала переворот в авиации – замену тихоходных самолётов с поршневым двигателем реактивными и турбовинтовыми лайнерами, скорость которых приближается к скорости звука, а в последнее время — и сверхзвуковыми. С помощью реактивных тепловых двигателей осуществлена вековая мечта человечества – выход в космическое пространство.

Основная доля электроэнергии вырабатывается тепловыми электростанциями, генераторы которых приводятся в действие паровыми турбинами. На атомных электростанциях энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, также преобразуется сначала в энергию пара, который приводит в движение паровую турбину, а последняя – ротор генератора, в котором вырабатывается ток.

Целью является рассмотреть какое пагубное влияние оказывают тепловые двигатели машины на окружающую среду, какие существуют пути решения этих экологических проблем и какие природоохранные мероприятия необходимо проводить и проводятся для улучшения экологической обстановки в России,а также в других странах мира.

1. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Выбрасываемая в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива- оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена.

Все это создает ряд серьёзных проблем перед обществом.

Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличении эффективности использования энергии, экономии на производстве и в быту.

2. Экологические проблемы тепловых двигателей

ЭКОЛОГЧЕСКИЙ КРИЗИС, нарушение взаимосвязей внутри экосистемы или необратимые явления в биосфере, вызванные антропогенной деятельностью и угрожающие существованию человека как вида. По степени угрозы естественной жизни человека и развитию общества выделяются неблагоприятная экологическая ситуация, экологическое бедствие и экологическая катастрофа

Загрязнения от тепловых двигателей:

Химическое.
Радиоактивное.
Тепловое.

КПД тепловых двигателей

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.

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:

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:

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

Готовые работы на аналогичную тему

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.

Цикл Карно

Тезис о том, что для выполнения работы в замкнутом цикле должны присутствовать два тела, имеющие разные температуры: $T_1$ и $T_2$, называют принципом Карно.

В первой половине XIX века Н. Карно показал, что максимальная механическая работа получается в термодинамическом цикле, который состоит из пары изотерм и пары адиабат. Тепловой двигатель, который работает в соответствии с циклом Карно, назвали машиной Карно.

Коэффициент полезного действия такого цикла зависит только от температуры нагревателя ($T_1$) и холодильника ($T_2$):

Не существует тепловой машины, температура нагревателя которой $T_1$ , а холодильника $T_2$, КПД которой больше, чем КПД машины Карно. Из уравнения (2) следует, что КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела.

Единственным способом увеличения эффективности теплового двигателя, как видно из (2) является увеличение разности температур нагревателя и холодильника:

Часто в тепловых двигателях холодильником является окружающая среда, следовательно, для увеличения эффективного двигателя необходимо увеличивать температуру нагревателя, то есть создавать, например, для двигателей внутреннего сгорания смеси, выделяющие максимальное количество теплоты.

В действительности идеальный цикл Карно выполнить не удается.

Так как практически сложно выполнить строго изотермический и адиабатный процессы.
Большая часть энергии уходит на трение, при котором тепловая энергия излучается в окружающее пространство.

КПД паровых турбин на сегодняшний момент составляет около 40%.

Загрязнение атмосферы

Тепловые двигатели используют для того, чтобы получать дешевую эклектическую и механическую энергию. В соответствии законами термодинамики производство полезной работы не возможно без отвода в окружающую среду большого количества теплоты, что ведет к повышению средней температуры на нашей планете.

Быстрый рост автомобильного транспорта увеличил массу выбросов в атмосферу выхлопных газов. В промышленно развитых городах до 70% выбросов связано с транспортом.

Больший вклад в загрязнении атмосферы делают бензиновые автомобили, далее идут самолеты, автомобили с дизельными двигателями, сельскохозяйственный транспорт и железнодорожный транспорт.

Основными веществами, которыми загрязнет транспорт атмосферу, являются:

оксиды углерода;
оксиды азота;
углеводороды.

Проблемы энергетики

Проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, вызванным активным ростом энергетики, касаются всех стран и народов нашей планеты. С другой стороны, энергия обеспечивает развитие цивилизации и жизнь каждого человека в наше время.

Факторами, которые негативно воздействуют на окружающую среду при эксплуатации тепловых двигателей, являются:

Загрязнение продуктами сгорания; сточные воды; твердые отходы (шлаки, зола).
Тепловое загрязнение (тепловые воздушные потоки, отвод тепла водой).
Радиоактивное загрязнение (при использовании ядерного топлива).
Электромагнитные воздействия.
Шумовые загрязнения.
Изъятие из использования территорий при строительстве крупных энергетических комплексов.

На сегодняшний день большую часть энергии в мире получают при сжигании органического топлива.

Основными факторами воздействия теплоэлектрических станций (ТЭС) на окружающую среду можно считать потребление природных ресурсов, таких как нефть, уголь, газ.

Сжигание топлива на ТЭС ведет к превращению всей их массы в отходы, при этом продукты сгорания в несколько раз превышают массу использованного топлива из-за включения кислорода и азота из воздуха.

Все сжигающие топливо установки каждый год поставляют в атмосферу более 200 млн. тонн оксида углерода, 50 млн. тон разных углеводородов, 150 млн. тонн двуокиси серы, более 50 млн. тонн окислов азота. В суммарном загрязнении атмосферы отходами производства, отходы теплоэнергетики составляют:

Тепловые машины – основа нашей индустриальной цивилизации. Они приводят в движение автомобили и корабли, вырабатывают ток на электростанциях, дают энергию для работы предприятий. Вместе с тем, использование тепловых машин – причина серьезных экологических проблем, которые становятся все острее.

Что такое тепловая машина

Тепловая машина (ТМ) – тип двигателя, преобразующий тепло в полезную работу. Он состоит из трех элементов:

нагревателя;
холодильника;
рабочего тела.

К тепловым машинам относятся все бензиновые и дизельные автомобильные моторы, паровые турбины и котлы, реактивные и ракетные двигатели.

Тепловые двигатели (ТД) распространены повсеместно: на транспорте, в энергетике, промышленности. Изобретение паровой машины привело к индустриальной революции XVIII-XIX столетий, радикально изменило облик нашего мира.

Как работает тепловой двигатель

Работа теплового двигателя основана на способности веществ расширяться при повышении температуры. В качестве рабочего тела в ТД используется газ, который нагревается за счет сжигания топлива.

Все ТМ работают циклически. Чтобы запустить подобную систему, температура нагревателя должна быть существенно выше, чем окружающей среды. При обратном ходе поршня температура газа понижается за счет холодильника. Им может служить охлаждающая жидкость или атмосфера.

Работа двигателя равна разности подведенного и отведенного тепла. Коэффициент полезного действия – это отношение работы к теплу, подведенному к системе. Принцип действия тепловых машин основан на 1-м и 2-м законе термодинамики.

Вредные вещества

Для работы тепловых двигателей чаще всего применяется ископаемое топливо или продукты его переработки: уголь, газ, мазут, бензин, керосин и др. Они никогда не сгорает на 100%, и остатки загрязняют окружающую среду.

Не меньший вред наносят продукты сгорания. При работе ТМ выделяются следующие виды вредных веществ:

сажа;
углекислый газ;
угарный газ;
оксид азота;
соединения свинца;
формальдегид;
бензол.

Атомные электростанции – также тепловые машины, в которых для нагревания рабочего тела используются ядерные реакции. Их эксплуатация связана с опасностью загрязнения окружающей среды радиоактивными материалами.

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

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 2018 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.

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.

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.

Альтернативная энергетика

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.

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.

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.

Читайте также: