Номер 3, страница 271 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 6. Термодинамика. Параграф 33. Второй закон термодинамики. Охрана окружающей среды - номер 3, страница 271.

Условие.

3. Опишите влияние тепловых двигателей на окружающую среду.

Решение.

3. Тепловые двигатели, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую работу, являются основой современного транспорта и промышленности, но их широкое использование оказывает значительное негативное влияние на окружающую среду. Это влияние обусловлено главным образом процессом сжигания ископаемого топлива (бензина, дизельного топлива, угля, природного газа).
Основные виды воздействия:
1. Загрязнение атмосферы. При сгорании топлива в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ:
• Углекислый газ ($CO_2$): не является токсичным, но считается основным парниковым газом. Его накопление в атмосфере приводит к глобальному потеплению и изменению климата.
• Угарный газ ($CO$): очень ядовитый газ, образующийся при неполном сгорании топлива. Опасен для живых организмов.
• Оксиды азота ($NO_x$): образуются при высоких температурах в камере сгорания. Способствуют образованию смога и кислотных дождей, вызывают респираторные заболевания.
• Диоксид серы ($SO_2$): образуется при сжигании топлива, содержащего серу (в основном уголь и некоторые виды дизельного топлива). Является главной причиной кислотных дождей, которые наносят вред лесам, водоемам и постройкам.
• Твердые частицы (сажа): мелкие частицы несгоревшего углерода, которые могут проникать в легкие и вызывать серьезные проблемы со здоровьем.
• Углеводороды: несгоревшие или частично сгоревшие компоненты топлива, участвующие в образовании фотохимического смога.
2. Изменение климата (парниковый эффект). Накопление в атмосфере углекислого газа и других парниковых газов, выделяемых тепловыми двигателями, усиливает парниковый эффект. Это приводит к повышению средней температуры на планете, таянию ледников, подъему уровня мирового океана и увеличению частоты экстремальных погодных явлений (засух, наводнений, ураганов).
3. Тепловое загрязнение. Согласно второму закону термодинамики, ни один тепловой двигатель не может преобразовать всю полученную теплоту в работу. Значительная часть энергии (обычно более 50%) выбрасывается в окружающую среду в виде отработанного тепла. Это приводит к локальному повышению температуры воздуха и воды (если вода используется для охлаждения), что негативно сказывается на водных экосистемах, снижая содержание кислорода в воде.
4. Шумовое загрязнение. Работа многих тепловых двигателей, особенно в автомобилях, самолетах и промышленном оборудовании, создает высокий уровень шума, который является стрессовым фактором для людей и животных, нарушая их естественную среду обитания.
Ответ: Тепловые двигатели оказывают комплексное негативное воздействие на окружающую среду, включающее химическое загрязнение атмосферы (выбросы $CO_2$, $NO_x$, $SO_2$, $CO$, сажи), которое приводит к изменению климата и кислотным дождям, а также тепловое и шумовое загрязнение.

4. Уменьшить вредное влияние тепловых двигателей на окружающую среду можно комплексом мер, направленных как на совершенствование самих двигателей, так и на изменение подходов к их использованию.
Основные направления:
1. Повышение эффективности (КПД) двигателей. Чем выше коэффициент полезного действия двигателя, тем меньше топлива требуется для совершения той же работы, и, следовательно, меньше вредных выбросов. Это достигается за счет:
• Оптимизации процесса сгорания.
• Использования систем турбонаддува и непосредственного впрыска топлива.
• Применения гибридных силовых установок, где двигатель внутреннего сгорания работает в паре с электродвигателем, что позволяет ДВС работать в наиболее экономичном режиме.
2. Использование более чистых и альтернативных видов топлива.
• Улучшение качества традиционного топлива, например, снижение содержания серы в дизельном топливе и бензине.
• Переход на газомоторное топливо (природный газ, пропан-бутан), сгорание которого производит значительно меньше сажи, оксидов серы и углеводородов.
• Использование биотоплива (биоэтанол, биодизель), которое производится из возобновляемого растительного сырья.
• В перспективе – переход на водородное топливо, продуктом сгорания которого является только вода ($H_2O$).
3. Очистка выхлопных газов. Современные автомобили и промышленные установки оснащаются системами для нейтрализации вредных веществ в отработанных газах:
• Каталитические нейтрализаторы (катализаторы) превращают токсичные оксиды азота ($NO_x$), угарный газ ($CO$) и несгоревшие углеводороды в безвредные азот ($N_2$), углекислый газ ($CO_2$) и воду ($H_2O$).
• Сажевые фильтры (DPF) улавливают твердые частицы (сажу) в выхлопных газах дизельных двигателей.
• Промышленные скрубберы на тепловых электростанциях улавливают диоксид серы.
4. Переход на альтернативные источники энергии. Наиболее радикальным решением является постепенный отказ от тепловых двигателей в пользу экологически чистых технологий:
• Развитие и массовое внедрение электромобилей, которые имеют нулевые локальные выбросы.
• Использование для производства электроэнергии возобновляемых источников (солнечные, ветровые, гидроэлектростанции), чтобы жизненный цикл электромобиля был максимально "чистым".
5. Организационные и социальные меры.
• Развитие общественного транспорта, велосипедной инфраструктуры и пешеходных зон, чтобы снизить зависимость от личных автомобилей.
• Оптимизация транспортных потоков и логистики для сокращения пробега и времени работы двигателей.
Ответ: Уменьшить вредное влияние тепловых двигателей можно путем повышения их КПД, использования более чистого топлива, установки систем очистки выхлопных газов (катализаторы, фильтры), а также постепенным переходом на альтернативные технологии (электромобили) и развитием общественного транспорта.