Творческое задание, страница 114 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

Подготовьте сообщение на тему: «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды».

Роль тепловых двигателей и постановка проблемы

Тепловые двигатели — это устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую работу. С момента их изобретения они стали основой технологического прогресса и неотъемлемой частью современной цивилизации. Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение автомобили, корабли, самолеты и тепловозы. Паровые и газовые турбины на тепловых электростанциях (ТЭС) вырабатывают большую часть потребляемой в мире электроэнергии. Без них невозможно представить современную промышленность, транспорт и энергетику.

Однако работа практически всех тепловых двигателей основана на сжигании органического топлива — угля, нефти, природного газа. Этот процесс сопровождается выделением в окружающую среду огромного количества вредных веществ и избыточного тепла, что ставит перед человечеством острую экологическую проблему. Таким образом, тепловые двигатели, являясь двигателем прогресса, одновременно выступают одним из главных источников загрязнения планеты.

Ответ: Тепловые двигатели играют ключевую роль в транспорте и энергетике, но их работа, основанная на сжигании ископаемого топлива, является основной причиной серьезных экологических проблем, требующих незамедлительного решения.

Основные виды негативного воздействия на окружающую среду

Работа тепловых двигателей оказывает комплексное негативное влияние на окружающую среду, которое можно разделить на несколько основных видов:
1. Загрязнение атмосферы. При сжигании топлива в атмосферу выбрасываются вредные вещества:
- Углекислый газ ($CO_2$): не является токсичным, но относится к парниковым газам. Его накопление в атмосфере приводит к глобальному потеплению и изменению климата.
- Оксиды серы ($SO_x$) и азота ($NO_x$): являются причиной кислотных дождей, которые наносят вред растительности, водоемам и разрушают здания. Оксиды азота также участвуют в образовании смога.
- Угарный газ ($CO$): образуется при неполном сгорании топлива. Это ядовитый газ, опасный для здоровья человека и животных.
- Твердые частицы (сажа): мелкие частицы несгоревшего углерода, которые загрязняют воздух и при вдыхании могут вызывать заболевания дыхательной системы.
- Углеводороды: несгоревшие или частично сгоревшие компоненты топлива, которые являются токсичными и способствуют образованию фотохимического смога.
2. Тепловое загрязнение. Любой тепловой двигатель имеет КПД значительно меньше 100%, а значит, большая часть теплоты от сгорания топлива ($Q_{холодильника}$) выбрасывается в окружающую среду. Это приводит к локальному повышению температуры воздуха и воды (в случае использования ее для охлаждения на ТЭС), что негативно сказывается на водных экосистемах и местном климате.
3. Шумовое загрязнение. Работа мощных двигателей, особенно в транспортных средствах (самолеты, поезда) и на промышленных объектах, создает высокий уровень шума, который является стрессовым фактором для людей и животных.

Ответ: Основными видами негативного воздействия тепловых двигателей являются: химическое загрязнение атмосферы парниковыми и токсичными газами, твердыми частицами; тепловое загрязнение, нарушающее экологический баланс; и шумовое загрязнение.

Пути снижения вредного воздействия тепловых двигателей

Для решения экологических проблем, связанных с использованием тепловых двигателей, разрабатываются и внедряются комплексные меры по нескольким направлениям:
1. Повышение коэффициента полезного действия (КПД). Теоретический максимальный КПД идеального теплового двигателя ограничен циклом Карно: $\eta_{max} = 1 - \frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}}$. Чем выше КПД реального двигателя, тем меньше топлива требуется для совершения той же работы и, следовательно, тем меньше объем вредных выбросов. Пути повышения КПД включают совершенствование конструкции двигателей, использование новых материалов, снижение потерь на трение, применение турбонаддува и гибридных систем.
2. Очистка выхлопных газов. Современные автомобили оснащаются каталитическими нейтрализаторами, которые превращают токсичные оксиды азота, угарный газ и углеводороды в безвредные азот, углекислый газ и воду. Для дизельных двигателей применяются сажевые фильтры. На тепловых электростанциях устанавливают специальные системы (скрубберы) для улавливания оксидов серы.
3. Использование более чистых видов топлива. Перевод транспорта и ТЭС с угля и мазута на природный газ значительно снижает выбросы серы и твердых частиц. Перспективными являются биотопливо (получаемое из растительного сырья) и водород, при сгорании которого образуется только вода.
4. Переход к альтернативным источникам энергии. Наиболее радикальным решением является постепенный отказ от тепловых двигателей в пользу экологически чистых технологий. Это включает в себя развитие электротранспорта (при условии, что электроэнергия вырабатывается на возобновляемых источниках — ГЭС, ВЭС, СЭС) и использование водородных топливных элементов, которые производят энергию без сжигания топлива.

Ответ: Ключевые пути снижения вреда от тепловых двигателей включают: повышение их КПД, внедрение систем очистки выхлопных газов, переход на экологически чистые виды топлива и постепенная замена тепловых двигателей на альтернативные технологии, такие как электропривод и водородные топливные элементы.