Влияние тепловых двигателей на окружающую среду

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сообщение

Дисциплина: «Физика»

Тема: «Влияние тепловых двигателей на окружающую среду»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург 2012 г.

 

 

 

 

 

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия  топлива превращается в механическую энергию. 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. Примерно тремя столетиями позже в Александрии - культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря - жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена.

В сочинениях Герона есть описание интересного  прибора, который сейчас называют Героновым  шаром. Он представляет собой полый  железный шар, закрепленный так, что  может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей  водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара.

Геронов шар - это прообраз современных  реактивных двигателей. В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх.

Во время своего движения вверх  поршень мог бы совершать полезную работу. Несколько иначе представлял  себе двигатель, использующий энергию  пара, Джованни Бранка, живший на век  раньше великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, в второе с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.

В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане  Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и многие другие. Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался.

По мысли Папена, поршень можно  было связать с какой-либо машиной, Например водяным насосом, который  стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали поpox, который  затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После того цилиндр и поршень с наружной стороны обливали диодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, И это на протяжении всей работы двигателя!).

Кроме того, применение подобного  двигателя было далеко не безопасным. Англичанин Томас Севери, построил паровой насос для откачки  воды из шахты. В его машине приготовление  пара происходило вне цилиндра - в котле.

Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле. Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто - между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех-пяти этажный дом и, следовательно, исключительно "прожорлива": пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в "ненасытную пасть" топки, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр.

Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин - Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов. Ползунов построил свою "огнедействующую машину" на одном из Барнаульских заводов. Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни.

В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение. В отличие  от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал, и недостатки которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия.

 

 

Машина предназначалась для  воздуходувных мехов, нагнетающих  воздух в плавильные печи. Главной  ее особенностью было то, что рабочий  вал качался непрерывно, без  холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного Цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся благодаря работе пара в цилиндрах.

Весной 1766-года ученики Ползунова, спустя неделю после его смерти (он умер в 38 лет), испытали машину. Она работала в течение 43 суток и приводила  в движение мехи трех плавильных печей. Потом котел дал течь; кожа, которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался.

Создателем другого универсального парового двигателя, который получил  широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819), он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин.

Универсальный двигатель стал необходим  производству, и он был создан. В  двигателе Уатта применен так  называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колеса. Уже потом было придумано "двойное действие" машины: направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван "золотником". Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива.

Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей - двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей.

2 группа "Физики-теоретики"

Рассмотреть принцип работы тепловых двигателей, устройство и принцип действия ДВС. Отчет о работе представить в устной форме.

3 группа "Физики-практики"

Изготовить, продемонстрировать и  объяснить принцип действия модели теплового двигателя.

4 группа "Экологи"

Рассмотреть влияние тепловых двигателей на окружающую среду. Отчет о работе представить в виде радиопередачи.

Примерные вопросы к радиопередаче.

1. Толчком к ухудшению экологической  обстановки послужило изобретение  паровой машины. В связи с этим  возникло понятие "ТЕПЛОВОЕ  ЗАГРЯЗНЕНИЕ".

2. В большинстве двигателей превращение внутренней энергии в механическую, происходит за счет сгорания топлива. Объясните, как это влияет на окружающую среду.

3. ДВС существенно облегчили  нам жизнь, дав транспорт. Но  всё ли так хорошо? Как влияют  автомобильные двигатели на состояние  окружающей среды и здоровья человека?

4. Работа ДВС отрицательно влияет  на состояние окружающей среды.  Может, другие типы двигателей  наносят меньший вред окружающий  среде?

5. Если тепловые двигатели наносят  такой вред окружающей среде,  зачем их используют?

6. Какими вы видите пути уменьшения загрязнения окружающей среды?

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.

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

Один из путей уменьшения путей 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.

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. Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию