Номер 1, страница 90 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 2. Изменение агрегатных состояний вещества. Параграф 23. Тепловые машины и экология. Темы докладов - номер 1, страница 90.

Условие.

1. Экологически чистые тепловые двигатели.

Решение.

Экологически чистые тепловые двигатели — это устройства, которые преобразуют тепловую энергию в механическую работу с минимальным или нулевым вредным воздействием на окружающую среду. Традиционные тепловые двигатели, такие как двигатели внутреннего сгорания (ДВС), сжигают ископаемое топливо, что приводит к выбросам парниковых газов (в основном $CO_2$), оксидов азота ($NO_x$), оксидов серы ($SO_x$), угарного газа ($\text{CO}$) и твердых частиц, которые загрязняют атмосферу, способствуют глобальному потеплению и кислотным дождям.

Концепция экологической чистоты теплового двигателя связана в первую очередь с источником тепла и продуктами его работы. Идеальный экологически чистый двигатель не производит вредных выбросов в месте эксплуатации. Однако для полной оценки экологичности необходимо учитывать весь жизненный цикл, включая производство двигателя и добычу/производство топлива или источника тепла.

Рассмотрим основные типы тепловых двигателей, которые можно считать экологически чистыми.

Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга — это двигатель внешнего сгорания. В отличие от ДВС, где сгорание топлива происходит внутри цилиндров, у двигателя Стирлинга источник тепла находится снаружи. Рабочее тело (обычно газ, такой как воздух, гелий или водород) находится в герметичном объеме и не расходуется в процессе работы.
Принцип работы: Газ в одной части двигателя нагревается внешним источником, расширяется и толкает рабочий поршень. Затем газ перемещается в холодную часть двигателя, где охлаждается, сжимается и вытесняющий поршень возвращает его в горячую часть, замыкая цикл.
Экологичность: Ключевое преимущество — универсальность источника тепла. Это может быть солнечная энергия, геотермальная энергия, тепло от сжигания биомассы, древесины или даже отходы промышленного тепла. При использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как концентрированная солнечная энергия, двигатель Стирлинга не производит абсолютно никаких выбросов. Если же топливо сжигается, процесс горения можно организовать так, чтобы он был максимально полным и проходил при более низких температурах, что резко снижает выбросы $NO_x$ и $\text{CO}$ по сравнению с ДВС.
Теоретический КПД двигателя Стирлинга может достигать КПД идеального цикла Карно: $\eta = 1 - \frac{T_Х}{T_Н}$, где $T_Х$ — абсолютная температура холодильника, а $T_Н$ — абсолютная температура нагревателя.
Применение: Используются в качестве автономных источников энергии, в системах когенерации (одновременное производство тепла и электроэнергии), в криогенной технике и космических аппаратах.

Паровые машины и турбины на чистых источниках энергии

Классические паровые двигатели и турбины, работающие на сжигании угля или мазута, являются одними из основных источников загрязнения. Однако сам по себе паровой цикл (цикл Ренкина) является лишь способом преобразования тепла в работу. Если для получения пара использовать экологически чистый источник тепла, то и вся установка становится экологически чистой.
Источники тепла:
1. Концентрированная солнечная энергия (CSP): Солнечные лучи с помощью системы зеркал фокусируются на приемнике, где нагревают теплоноситель (например, расплав солей), который, в свою очередь, используется для генерации пара, вращающего турбину.
2. Геотермальная энергия: Используется тепло земных недр. Горячая вода или пар из скважин подается непосредственно на лопатки турбины.
3. Биомасса: Сжигание древесных отходов, соломы и другого биологического сырья. Считается углеродно-нейтральным, так как при росте биомассы из атмосферы поглощается столько же $CO_2$, сколько выделяется при ее сжигании.
4. Атомная энергия: АЭС не производят выбросов парниковых газов, но имеют проблемы с утилизацией радиоактивных отходов и несут потенциальные риски аварий.
Экологичность: При использовании солнечной или геотермальной энергии выбросы вредных веществ в атмосферу на этапе эксплуатации равны нулю.

Двигатели, работающие на водороде

Водород можно использовать в качестве топлива в модифицированных двигателях внутреннего сгорания.
Принцип работы: Сгорание водорода в кислороде (или воздухе) производит в основном воду: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + энергия$.
Экологичность: Основным продуктом сгорания является водяной пар, что делает такой двигатель очень привлекательным с точки зрения экологии. Однако есть нюанс: при высоких температурах в камере сгорания атмосферный азот (составляющий ~78% воздуха) может вступать в реакцию с кислородом, образуя вредные оксиды азота ($NO_x$). Тем не менее, количество этих выбросов значительно меньше, чем у бензиновых или дизельных ДВС, и их можно дополнительно снизить с помощью специальных технологий.
Полная экологичность "водородной энергетики" зависит от способа производства самого водорода. "Зеленый" водород получают электролизом воды с использованием электроэнергии от ВИЭ, и он является полностью чистым. "Серый" водород производят из природного газа, что сопровождается выбросами $CO_2$.

Термоакустические двигатели

Это относительно новый тип двигателей, который преобразует тепловую энергию в механическую работу через высокоамплитудные звуковые волны.
Принцип работы: В резонаторе, заполненном газом, создается большой градиент температур. Это приводит к возникновению и усилению звуковой волны. Энергию этой звуковой волны затем можно преобразовать в электричество, например, с помощью линейного генератора.
Экологичность: Как и двигатель Стирлинга, термоакустический двигатель может работать от любого источника тепла. В нем нет движущихся частей в основной части, что повышает надежность и снижает потребность в смазке. Рабочим телом служат инертные газы.
Применение: Пока находятся в основном на стадии исследований и прототипов, но имеют перспективы в системах утилизации тепла и в космосе.

Ответ:
Экологически чистые тепловые двигатели — это устройства, минимизирующие или исключающие вредные выбросы в окружающую среду. Их экологичность определяется главным образом источником тепла и принципом работы. Ключевыми примерами являются:
1. Двигатель Стирлинга, который может использовать любой внешний источник тепла, включая возобновляемые (солнце, биомасса), и отличается низким уровнем выбросов даже при сжигании топлива.
2. Паровые турбины, работающие за счет тепла от геотермальных источников, концентрированной солнечной энергии или атомных реакторов, которые не производят выбросов $CO_2$ в процессе эксплуатации.
3. Водородные двигатели, продуктом сгорания которых является преимущественно вода, хотя они могут производить некоторое количество оксидов азота. Их полная экологичность зависит от способа производства водорода.
4. Термоакустические двигатели, перспективная технология без движущихся частей, способная работать от различных источников тепла.
Выбор и развитие таких двигателей являются важным направлением в борьбе с загрязнением воздуха и изменением климата.