Номер 8, страница 53 - гдз по физике 8 класс учебник Изергин

Глава I. Тепловые явления. Параграф 8. Тепловые двигатели - номер 8, страница 53.

Условие.

8*. Используя материалы Интернета, подготовьте презентацию по одной из тем: «Использование тепловых двигателей», «Проблема загрязнения окружающей среды продуктами сгорания», «Электромобили», «Транспорт будущего».

Решение.

«Использование тепловых двигателей»

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Принцип их действия основан на расширении рабочего тела (газа или пара) при нагревании. Тепловые двигатели являются основой современного транспорта и энергетики.

Основные типы:

1. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС): Топливо сгорает непосредственно в рабочей камере двигателя. К ним относятся бензиновые и дизельные двигатели, широко используемые в автомобилях, а также газотурбинные двигатели в самолетах и на электростанциях.

2. Двигатели внешнего сгорания: Топливо сгорает вне двигателя, а тепло передается рабочему телу через стенку. Примеры — паровая машина, паровая турбина (используются на ТЭС и АЭС) и двигатель Стирлинга.

Применение:

• Транспорт: автомобили, поезда, корабли, самолеты.

• Энергетика: тепловые и атомные электростанции для выработки электроэнергии.

• Промышленность: приводы станков, компрессоров, насосов.

Эффективность и проблемы:

Коэффициент полезного действия (КПД) реальных тепловых двигателей ограничен и обычно составляет 20–40% для ДВС и до 60% для мощных паровых турбин. Теоретический предел эффективности для любого теплового двигателя определяется циклом Карно: $ \eta_{max} = 1 - \frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}} $, где $\text{T}$ — абсолютная температура. Главной проблемой является выброс в атмосферу продуктов сгорания, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Ответ: Тепловые двигатели, преобразующие тепло в работу, делятся на двигатели внутреннего и внешнего сгорания. Они являются основой транспорта и энергетики, однако их КПД ограничен, а работа сопровождается вредными выбросами.

«Проблема загрязнения окружающей среды продуктами сгорания»

Сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа) в тепловых двигателях является главным источником антропогенного загрязнения атмосферы. Продукты сгорания наносят серьезный вред окружающей среде и здоровью человека.

Основные загрязнители и их воздействие:

• Углекислый газ ($CO_2$): Не является токсичным, но относится к основным парниковым газам. Его накопление в атмосфере приводит к глобальному потеплению, изменению климата, таянию ледников и увеличению числа экстремальных погодных явлений.

• Оксиды серы ($SO_2$) и азота ($NO_x$): При взаимодействии с атмосферной влагой образуют кислоты, выпадающие на землю в виде кислотных дождей. Кислотные дожди наносят ущерб лесам, водоемам, почве и разрушают здания.

• Угарный газ ($\text{CO}$): Крайне токсичный газ без цвета и запаха. При вдыхании блокирует перенос кислорода кровью, вызывая кислородное голодание тканей.

• Твердые частицы (сажа): Мельчайшие частицы, которые проникают глубоко в дыхательные пути, вызывая респираторные и сердечно-сосудистые заболевания.

Пути решения проблемы:

• Переход на возобновляемые источники энергии (солнечная, ветровая, гидроэнергетика).

• Повышение энергоэффективности и снижение потребления энергии.

• Использование систем очистки выбросов (каталитические нейтрализаторы в автомобилях, фильтры на промышленных предприятиях).

• Развитие электротранспорта и общественного транспорта.

Ответ: Сжигание ископаемого топлива приводит к выбросам вредных веществ ($CO_2$, $SO_2$, $NO_x$, $\text{CO}$, сажа), которые вызывают глобальное потепление, кислотные дожди, смог и наносят вред здоровью. Решение проблемы заключается в переходе на чистые источники энергии и технологии.

«Электромобили»

Электромобиль — это транспортное средство, приводимое в движение одним или несколькими электродвигателями, которые питаются от автономного источника электроэнергии (аккумуляторов, топливных элементов).

Преимущества:

• Экологичность: Отсутствие выхлопных газов в месте эксплуатации, что значительно улучшает качество воздуха в городах. Общий экологический след зависит от способа выработки электроэнергии.

• Экономичность в эксплуатации: Стоимость электроэнергии на километр пробега ниже стоимости бензина. Конструкция проще, чем у автомобиля с ДВС, что снижает затраты на техническое обслуживание.

• Высокая производительность: Электродвигатель обеспечивает максимальный крутящий момент практически с нулевых оборотов, что дает быстрое и плавное ускорение. Работает почти бесшумно.

Недостатки и проблемы:

• Высокая начальная стоимость: Электромобили пока дороже своих бензиновых аналогов, в основном из-за высокой цены аккумуляторной батареи.

• Ограниченный запас хода и длительная зарядка: Хотя запас хода современных моделей постоянно растет, он все еще уступает автомобилям с ДВС. Полная зарядка от бытовой сети занимает несколько часов.

• Инфраструктура: Недостаточное количество общедоступных, особенно скоростных, зарядных станций.

• Аккумуляторы: Производство и утилизация аккумуляторов связаны с экологическими проблемами (добыча лития, кобальта) и требуют разработки эффективных технологий переработки.

Перспективы: Развитие технологий аккумуляторов (например, твердотельных), расширение зарядной инфраструктуры и снижение стоимости сделают электромобили доминирующим видом транспорта в будущем.

Ответ: Электромобили предлагают экологичную, тихую и экономичную альтернативу автомобилям с ДВС, но сталкиваются с проблемами высокой цены, ограниченного запаса хода и недостатка инфраструктуры. Их будущее зависит от совершенствования технологий аккумуляторов.

«Транспорт будущего»

Транспорт будущего развивается по нескольким ключевым направлениям, направленным на повышение его эффективности, безопасности и экологичности. Концепцию будущего транспорта часто описывают акронимом CASE: Connected (Подключенный), Autonomous (Автономный), Shared (Совместного использования), Electric (Электрический).

Основные направления развития:

1. Электрификация: Массовый переход от двигателей внутреннего сгорания к электрическим силовым установкам во всех видах транспорта — от личных автомобилей и автобусов до грузовиков и даже самолетов.

2. Автономное вождение: Развитие беспилотных транспортных средств, которые смогут передвигаться без участия человека. Это обещает кардинально повысить безопасность (исключив человеческий фактор), оптимизировать трафик и освободить время пассажиров.

3. Совместное использование (Shared Mobility): Переход от модели личного владения автомобилем к модели "мобильность как услуга" (Mobility as a Service, MaaS). Развитие каршеринга, райдшеринга и интеграция различных видов общественного транспорта в единые цифровые платформы.

4. Подключенность (Connectivity): Взаимодействие транспортных средств друг с другом (V2V) и с дорожной инфраструктурой (V2I). Это позволяет обмениваться данными о дорожной обстановке в реальном времени, предотвращать аварии и избегать пробок.

5. Новые виды транспорта:

• Hyperloop: Проект вакуумного поезда, способного перемещать капсулы с пассажирами на скоростях свыше 1000 км/ч.

• Городская воздушная мобильность (UAM): Развитие электрических летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой (eVTOL), или "летающих такси", для перемещения в пределах мегаполисов.

Ответ: Транспорт будущего будет электрическим, автономным, подключенным к сети и в значительной степени ориентированным на совместное использование. Ожидается появление принципиально новых видов транспорта, таких как вакуумные поезда и городские аэротакси, что изменит наши представления о мобильности.