Номер 6, страница 291 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Творческие задания. Параграф 60. Второй закон термодинамики. 10. Термодинамика. Молекулярная физика - номер 6, страница 291.

Условие.

6. Каковы методы снижения токсичности отработанных газов, используемые в России и других странах? Ответ подготовьте в виде сравнительного анализа. Каковы перспективы решения данной проблемы? Выделите исследования, которые проводятся российскими и зарубежными учёными.

Решение.

Каковы методы снижения токсичности отработанных газов, используемые в России и других странах? Ответ подготовьте в виде сравнительного анализа.

Снижение токсичности отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является ключевой задачей для улучшения экологической обстановки. В России и других странах мира применяются схожие технологии, однако существуют различия в строгости стандартов, правоприменительной практике и темпах внедрения инноваций.

Сравнительный анализ основных методов:

1. Экологические стандарты. В странах Европейского союза, США и Японии действуют очень строгие экологические стандарты (Euro 6d, EPA Tier 3, LEV III), которые жестко регламентируют выбросы оксидов азота ($NO_x$), угарного газа ($CO$), углеводородов ($HC$) и твердых частиц ($PM$). В России действующим стандартом является «Евро-5», который менее требователен, чем актуальные европейские нормы. Кроме того, в периоды экономических трудностей в России допускались временные послабления, разрешающие выпуск автомобилей более низких экологических классов, что не практикуется в развитых странах.

2. Системы нейтрализации отработавших газов. Основой современных систем являются каталитические нейтрализаторы.

   • В бензиновых ДВС повсеместно используются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы (TWC), которые преобразуют $CO$, $HC$ и $NO_x$ в безвредные $CO_2$, $H_2O$ и $N_2$.
   • В дизельных ДВС применяются окислительные нейтрализаторы (для $CO$ и $HC$), сажевые фильтры (DPF) для улавливания твердых частиц и системы селективного каталитического восстановления (SCR) с впрыском реагента (мочевины, AdBlue) для нейтрализации $NO_x$.
   Сравнение: В странах с жесткими нормами данные системы обязательны и их исправность строго контролируется. В России, несмотря на обязательное оснащение новых автомобилей этими системами, распространена практика их удаления («вырезать катализатор/сажевый фильтр») владельцами для экономии на ремонте или тюнинга, при этом государственный технический осмотр не всегда эффективно выявляет такие нарушения.

3. Система рециркуляции отработавших газов (EGR). Эта система возвращает часть выхлопных газов во впускной коллектор для снижения температуры сгорания и, как следствие, уменьшения образования оксидов азота ($NO_x$). Технология широко используется как в России, так и за рубежом. Однако, как и в случае с катализаторами, в России системы EGR нередко программно отключают или физически удаляют, тогда как в странах ЕС или США это является незаконным и карается крупными штрафами.

4. Улучшение конструкции двигателей и качество топлива. Повышение эффективности сгорания за счет систем прямого впрыска, турбонаддува, изменения фаз газораспределения напрямую снижает выбросы. Качество топлива также играет решающую роль: низкое содержание серы обязательно для долговечной работы катализаторов и сажевых фильтров. Сравнение: Ведущие мировые автопроизводители постоянно внедряют передовые технологии. Российский автопром также использует современные решения, часто в сотрудничестве с зарубежными компаниями, но с некоторым отставанием. В России официально действует стандарт топлива «Евро-5», однако его фактическое качество на АЗС, особенно в регионах, может быть нестабильным, что негативно сказывается на работе систем очистки выхлопа. В ЕС и США качество топлива находится под более строгим контролем.

Ответ: В России и других странах используются принципиально одни и те же методы снижения токсичности отработанных газов: каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры, системы EGR и совершенствование конструкции ДВС. Ключевое различие заключается в строгости законодательства (в России «Евро-5» против «Евро-6d» в ЕС), эффективности контроля за его соблюдением и распространенной в России практике удаления или отключения экологических систем автовладельцами.

Каковы перспективы решения данной проблемы? Выделите исследования, которые проводятся российскими и зарубежными учёными.

Перспективы решения проблемы токсичности выхлопных газов связаны как с дальнейшим усовершенствованием ДВС, так и с переходом на альтернативные источники энергии.

Основные направления развития и исследований:

1. Электрификация транспорта. Полный отказ от ДВС в пользу электромобилей (BEV) и гибридов (PHEV, HEV) является главным мировым трендом. Это позволяет полностью устранить локальные выбросы (tailpipe emissions).

   • Зарубежные исследования: Ученые и компании (Tesla, CATL, MIT, Stanford) работают над созданием батарей нового поколения (твердотельных, натрий-ионных) с большей энергоемкостью, скоростью зарядки, долговечностью и меньшей стоимостью.
   • Российские исследования: Ведутся работы по созданию отечественных аккумуляторных ячеек и систем управления батареями. Например, в МГУ им. М.В. Ломоносова и в «Сколтехе» исследуют новые материалы для анодов и катодов. Компания «Росатом» развивает направление производства литий-ионных аккумуляторов.

2. Водородная энергетика. Транспорт на водородных топливных элементах (FCEV) выделяет в атмосферу только водяной пар.

   • Зарубежные исследования: Компании Toyota, Hyundai, Bosch лидируют в разработке топливных элементов и систем хранения водорода. В ЕС активно инвестируют в технологии производства «зеленого» водорода методом электролиза с использованием возобновляемых источников энергии.
   • Российские исследования: Россия, обладая огромными запасами природного газа и мощностями АЭС, делает ставку на производство «голубого» (из метана с улавливанием $CO_2$) и «желтого» (с помощью энергии АЭС) водорода. Профильные исследования ведутся в ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН, Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (разработка катализаторов для производства и очистки водорода), а также в госкорпорациях «Росатом» и «Газпром».

3. Синтетические и альтернативные виды топлива. Развитие топлив, которые могут использоваться в существующих ДВС, но имеют меньший углеродный след.

   • Зарубежные исследования: В Германии (Porsche, Siemens Energy) активно развивают технологию e-fuels — синтетического топлива, производимого из воды и $CO_2$ с использованием возобновляемой энергии. Также продолжаются исследования биотоплива второго и третьего поколений.
   • Российские исследования: Основной фокус в России направлен на расширение использования природного газа (метана) в качестве моторного топлива (газомоторное топливо), так как его сгорание производит меньше вредных веществ по сравнению с бензином. Исследования в этой области ведут профильные вузы, такие как РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.

4. Совершенствование систем нейтрализации. Разработка более эффективных, дешевых и долговечных катализаторов.

   • Зарубежные исследования: Ведутся работы по снижению содержания драгоценных металлов (платины, палладия, родия) в катализаторах, например, с использованием технологии одноатомных катализаторов.
   • Российские исследования: Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН в Новосибирске является одним из мировых лидеров в этой области. Ученые института разрабатывают новые поколения каталитических систем, устойчивых к отравлению и работающих при более низких температурах.

Ответ: Перспективы решения проблемы токсичности выхлопных газов лежат в глобальном переходе на электротранспорт и водородную энергетику, а также в использовании более чистых видов топлива (природный газ, синтетическое топливо) в краткосрочной и среднесрочной перспективе. И российские, и зарубежные ученые активно работают во всех этих направлениях. Зарубежные исследования в большей степени сфокусированы на батареях и «зеленом» водороде, в то время как российские имеют сильные компетенции в области катализа, водородных технологий на базе ископаемого сырья и АЭС, а также в расширении использования природного газа.