Номер 6, страница 202 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 5. Законы термодинамики. Параграф 5.13. Примеры решения задач. Вопросы - номер 6, страница 202.

Условие.

6. Используя различные информационные источники (библиотеки, Интернет и т. д.), подготовьте аналитический доклад «Тепловые двигатели, окружающая среда, здоровье человека».

Решение.

Введение

Тепловые двигатели — устройства, преобразующие тепловую энергию сгорающего топлива в механическую работу. Они лежат в основе современной транспортной системы (автомобили, самолеты, корабли) и энергетики (тепловые и атомные электростанции). Несмотря на их неоценимый вклад в развитие цивилизации, их массовое использование, основанное на сжигании ископаемого топлива, стало причиной глобальных экологических проблем и наносит серьезный вред здоровью человека.

Влияние тепловых двигателей на окружающую среду

Работа подавляющего большинства тепловых двигателей связана со сжиганием углеводородного топлива, что приводит к комплексному негативному воздействию на все компоненты биосферы.

Загрязнение атмосферы. Это наиболее очевидное последствие. В атмосферу выбрасывается огромное количество вредных веществ:
• Парниковые газы: Главным образом, диоксид углерода ($CO_2$), который является основной причиной глобального потепления из-за усиления парникового эффекта. Также в меньших количествах выделяются метан ($CH_4$) и оксид азота(I) ($N_2O$), обладающие еще более сильным парниковым потенциалом.
• Оксиды серы и азота: При сжигании топлива, содержащего серу (уголь, мазут), образуется диоксид серы ($SO_2$). Высокая температура в камере сгорания двигателя приводит к реакции между азотом и кислородом воздуха с образованием оксидов азота ($NO_x$). Эти оксиды, взаимодействуя с атмосферной влагой, образуют кислоты ($H_2SO_4$ и $HNO_3$), которые выпадают на землю в виде кислотных дождей. Кислотные дожди наносят ущерб лесам, водоемам, почве и разрушают строения.
• Твердые частицы (РМ): Неполное сгорание топлива приводит к образованию сажи и других мелкодисперсных частиц. Наиболее опасны частицы размером менее 2,5 микрометра (PM2.5), так как они способны глубоко проникать в дыхательную систему человека.
• Токсичные соединения: В выхлопных газах содержатся угарный газ ($\text{CO}$), летучие органические соединения (например, бензол) и тяжелые металлы, являющиеся крайне токсичными.

Тепловое загрязнение. Согласно второму закону термодинамики, ни один тепловой двигатель не может преобразовать всю полученную теплоту в работу. Значительная часть энергии (для ДВС это более 60-70%) рассеивается в окружающую среду в виде тепла. Сброс нагретой воды с ТЭС и АЭС в водоемы приводит к повышению их температуры, снижению содержания кислорода и гибели водных организмов.

Шумовое загрязнение. Работа двигателей, особенно в крупных городах с интенсивным транспортным потоком, создает постоянный высокий уровень шума, который негативно сказывается как на дикой природе, так и на психофизическом состоянии человека.

Влияние на здоровье человека

Загрязнение окружающей среды, вызванное тепловыми двигателями, напрямую отражается на здоровье населения.

• Заболевания дыхательной системы: Твердые частицы, $NO_x$, $SO_2$ и приземный озон вызывают раздражение дыхательных путей, провоцируют и обостряют хронические заболевания, такие как астма, бронхит, эмфизема, и повышают риск развития рака легких.
• Сердечно-сосудистые заболевания: Мельчайшие частицы PM2.5, попадая в кровоток, вызывают воспалительные процессы в сосудах, что увеличивает риск инфарктов, инсультов и артериальной гипертензии. Угарный газ ($\text{CO}$) блокирует гемоглобин, нарушая транспорт кислорода кровью и создавая дополнительную нагрузку на сердце.
• Онкологические заболевания: Содержащиеся в выхлопных газах вещества, такие как бензол и полициклические ароматические углеводороды, являются доказанными канцерогенами.
• Неврологические и другие расстройства: Шум вызывает стресс, бессонницу, повышенную утомляемость и может приводить к нарушениям слуха. Тяжелые металлы, попадая в организм, могут вызывать поражения нервной системы.

Пути решения проблемы и перспективы

Снижение негативного влияния тепловых двигателей требует комплексных мер на технологическом, законодательном и общественном уровнях.

1. Совершенствование тепловых двигателей: Повышение их коэффициента полезного действия (КПД) позволяет снизить расход топлива и, соответственно, количество выбросов на единицу произведенной работы. Максимальный теоретический КПД для идеального теплового двигателя определяется циклом Карно: $\eta = 1 - \frac{T_{х}}{T_{н}}$, где $T_{н}$ — температура нагревателя, а $T_{х}$ — температура холодильника.
2. Системы очистки выхлопных газов: Обязательное использование каталитических нейтрализаторов в автомобилях, сажевых фильтров на дизельных двигателях и систем очистки на ТЭС позволяет значительно сократить выбросы наиболее вредных веществ.
3. Переход на альтернативные виды топлива: Использование более чистых видов топлива, таких как природный газ, биотопливо или водород, может кардинально снизить вредные выбросы.
4. Развитие альтернативной энергетики и транспорта: Глобальный переход к возобновляемым источникам энергии (солнечной, ветровой) для выработки электричества и массовое внедрение электротранспорта. Электромобили имеют нулевые локальные выбросы, перенося нагрузку на электростанции, которые могут быть оснащены более эффективными системами очистки или работать на чистой энергии.
5. Административные и градостроительные меры: Введение строгих экологических стандартов (например, "Евро-6"), развитие общественного транспорта, создание велосипедной инфраструктуры и пешеходных зон в городах.

Заключение

Тепловые двигатели, будучи двигателем прогресса, одновременно стали источником серьезных угроз для планеты и здоровья человечества. Последствия их использования — от изменения климата до роста хронических заболеваний — требуют немедленных и решительных действий. Будущее зависит от нашей способности перейти от экономики, основанной на сжигании ископаемого топлива, к устойчивой модели развития, использующей чистые и эффективные технологии.

Ответ: Аналитический доклад показывает, что работа тепловых двигателей на ископаемом топливе вызывает серьезные экологические проблемы и наносит вред здоровью человека.
Ключевые аспекты влияния:
• На окружающую среду: Загрязнение атмосферы парниковыми газами ($CO_2$), оксидами серы и азота ($SO_x, NO_x$), твердыми частицами (сажа), что приводит к глобальному потеплению, кислотным дождям и смогу. Также происходит тепловое и шумовое загрязнение.
• На здоровье человека: Рост числа респираторных (астма, бронхит), сердечно-сосудистых (инфаркт, инсульт), онкологических заболеваний и неврологических расстройств.
Основные пути решения:
Для смягчения последствий необходим комплексный подход: повышение КПД двигателей, внедрение систем очистки выхлопов, переход на экологически чистые виды топлива и транспорта (водород, электромобили), развитие возобновляемой энергетики и ужесточение экологических стандартов.