Номер 4, 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 4, страница 271.

Условие.

4. Расскажите о том, как можно уменьшить вредное влияние тепловых двигателей на окружающую среду.

Решение.

Решение

Тепловые двигатели, особенно двигатели внутреннего сгорания (ДВС), являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды. Их работа сопровождается выбросом в атмосферу вредных веществ (оксиды азота, угарный газ, углеводороды, сажа) и парниковых газов (углекислый газ), что способствует глобальному потеплению и ухудшению качества воздуха. Для уменьшения этого вредного влияния существует комплексный подход, включающий в себя несколько направлений.

Повышение эффективности двигателя

Одним из ключевых способов снижения вреда является повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя. КПД теплового двигателя определяется как отношение совершенной полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя: $\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}}$. Чем выше КПД, тем меньше топлива требуется для выполнения той же работы, и, следовательно, тем меньше объем вредных выбросов. Повышения эффективности можно достичь за счет:

- Совершенствования конструкции двигателя: использование систем прямого впрыска топлива, турбонаддува, систем изменения фаз газораспределения.

- Уменьшения потерь на трение: применение новых материалов и высококачественных смазок.

- Оптимизации процесса сгорания топлива для его максимально полного сгорания.

Очистка выхлопных газов

Современные тепловые двигатели оснащаются системами для нейтрализации вредных компонентов выхлопных газов. К ним относятся:

- Каталитические нейтрализаторы: устройства в выхлопной системе, в которых токсичные оксиды азота ($NO_x$), угарный газ ($CO$) и несгоревшие углеводороды ($C_xH_y$) в результате химических реакций превращаются в менее вредные вещества — азот ($N_2$), углекислый газ ($CO_2$) и воду ($H_2O$).

- Сажевые фильтры: устанавливаются на дизельные двигатели для улавливания твердых частиц (сажи), которые являются сильным канцерогеном.

- Системы рециркуляции отработавших газов (EGR): возвращают часть выхлопных газов обратно во впускной коллектор. Это снижает температуру сгорания и, как следствие, уменьшает образование наиболее токсичных оксидов азота.

Использование альтернативных и более чистых видов топлива

Снизить вредное воздействие можно путем перехода на более экологичные виды топлива:

- Топливо высоких экологических классов (например, Евро-5, Евро-6): использование бензина и дизельного топлива с низким содержанием серы и ароматических углеводородов уменьшает выбросы диоксида серы ($SO_2$), который является причиной кислотных дождей, и других вредных соединений.

- Газовое топливо: сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан) и сжатый природный газ (метан) при сгорании образуют значительно меньше вредных веществ по сравнению с бензином.

- Биотопливо: этанол и биодизель, производимые из растительного сырья, считаются более экологичными, так как углерод, выбрасываемый при их сгорании, ранее был поглощен растениями из атмосферы в процессе фотосинтеза.

Переход на альтернативные силовые установки

Наиболее радикальным решением является постепенный отказ от традиционных тепловых двигателей в пользу:

- Гибридных автомобилей: они сочетают ДВС с электрическим двигателем, что позволяет значительно снизить расход топлива и выбросы, особенно в городском цикле движения.

- Электромобилей: они не имеют выхлопных газов (нулевые выбросы), что решает проблему локального загрязнения воздуха в городах. Однако важно учитывать, каким способом вырабатывается электроэнергия для их зарядки.

- Водородных автомобилей: силовые установки на топливных элементах используют водород, а единственным продуктом их работы является водяной пар.

Организационные меры

Помимо технологических решений, важны и меры, не связанные напрямую с конструкцией двигателей:

- Развитие общественного транспорта, велосипедной инфраструктуры и пешеходных зон.

- Оптимизация дорожного движения (например, с помощью "умных" светофоров) для уменьшения пробок и времени работы двигателей на холостом ходу.

- Популяризация совместного использования автомобилей (карпулинг) и практик экономичного вождения.

Ответ:

Уменьшить вредное влияние тепловых двигателей на окружающую среду можно с помощью комплекса мер: 1) технологическое совершенствование двигателей для повышения их КПД и более полного сгорания топлива; 2) оснащение транспортных средств системами очистки выхлопных газов (каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры); 3) переход на более экологически чистые виды топлива (газ, биотопливо, топливо высоких экологических стандартов); 4) постепенная замена автомобилей с ДВС на гибриды, электромобили и водородные автомобили; 5) развитие системы общественного транспорта и оптимизация транспортных потоков.