10 класс
§ 52. Экологические проблемы использования тепловых машин
Применение тепловых двигателей.
Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях. Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.
На всех основных видах современного транспорта преимущественно устанавливают тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (инжекторные двигатели и дизели). Эти же двигатели устанавливаются на тракторах.
На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы получают энергию от тепловых двигателей электростанций. На водном транспорте находят применение как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.
В авиации на лёгких самолётах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах. — турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.
Тепловые двигатели и охрана природы.
Рост промышленности и энергетических мощностей приводит к тому, что выделяемое количество теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. В результате может повыситься средняя температура на Земле. Сейчас мощность двигателей составляет примерно 1010 кВт. Когда эта мощность достигнет 3 ∙ 1012 кВт, то средняя температура атмосферы Земли увеличится примерно на 1 °C. Дальнейшее возрастание температуры может привести к ускоренному таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана.
Но этим далеко не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растёт выброс в атмосферу микроскопических частиц — сажи, пепла, измельчённого топлива. Они изменяют оптические свойства атмосферы, соотношение между поглощённой и отражённой солнечной энергией, увеличивают «парниковый эффект». Он обусловлен повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Углекислый газ задерживает тепловое излучение Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. В атмосфере Земли формируются гигантские зоны загрязнения. Они стали причиной устойчивого выпадения кислотных осадков в районах промышленных зон или возникновения смога — ядовитого тумана (рис. 7.25). Смог резко ухудшает здоровье людей, ведёт к обострению лёгочных и сердечных заболеваний.
При сжигании топлива в атмосферу выбрасываются токсические продукты горения: оксиды серы, азота, металлов, угарный газ (СО), канцерогенные вещества — продукты неполного сгорания органических топлив. Они оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растёт, а очистка отработанных газов затруднена.
Всё это ставит ряд серьёзных проблем перед обществом. Наряду с важнейшей задачей повышения КПД тепловых двигателей требуется проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ, добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях.
Для того чтобы минимизировать вредные воздействия на окружающую среду, осуществляется перевод автомобильных двигателей на сжиженный газ в качестве топлива. Обсуждается также возможность применения в качестве топлива водорода, в результате сгорания которого образуется вода; разрабатываются конструкции электромобилей.
Кроме того, ведутся активные исследования по созданию двигателей, использующих энергию горячих подземных (геотермальных) источников самой природы, энергию ветра, морских приливов и др.
Другое направление прилагаемых усилий — это увеличение эффективности использования энергии, её экономия на производстве и в быту. Нельзя оставлять не выключенными электроприборы, допускать бесполезные потери топлива при обогревании помещений. Решение перечисленных проблем жизненно важно для человека.
Вопросы:
1. Где в настоящее время используют тепловые машины?
2. Какие вредные вещества выбрасываются в атмосферу при работе тепловых двигателей?
3. Как образуется «парниковый эффект»?
4. Какие меры предпринимаются для решения экологических проблем, вызванных работой тепловых двигателей?
Это любопытно...
Из истории развития физики и техники
Французский изобретатель Дени Папен (1647—1712) в 1690 г. разработал проект одного из первых паровых двигателей. Вода в цилиндре такого двигателя при нагревании превращалась в пар и перемещала поршень вверх. Через специальный клапан пар выталкивал воздух, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство. При этом внешнее давление перемещало поршень вниз. Опускаясь, поршень тянул за собой верёвку с грузом.
Совершенствование пароатмосферных машин продолжил английский механик и изобретатель Томас Севери (1650—1710). В 1698 г. он изобрёл паровой насос для откачки воды из шахт, который работал без поршня. Всасывание воды происходило путём конденсации пара и создания разреженного пространства над уровнем воды в сосуде. Севери отделил котёл от сосуда, где происходила конденсация.
Впервые паровая машина Севери начала работать в России. Она была заказана в Англии для Петра Первого. Паровая машина качала воду из Фонтанки для фонтанов в Летнем саду в Санкт-Петербурге.
В 1705 г. английский изобретатель Томас Ньюкомен (1663—1729) получил патент на разработанную им тепловую машину. Рассмотрим принцип её действия (рис. 7.26).
Пар из котла 1 поступает в цилиндр 2 и поднимает поршень 3, который уравновешивается грузом 4. В результате вспрыскивания в цилиндр холодной воды из резервуара 5 пар конденсируется, и поршень опускается. Охлаждающая вода и сконденсированный пар выпускаются из цилиндра по трубе 6, а излишний пар из котла — через предохранительный клапан 7. Машина Ньюкомена использовалась в Европе более 50 лет.
Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком Иваном Ивановичем Ползуновым (1728—1766) под Барнаулом. В ней было использовано автоматическое регулирование впуска и выпуска пара. Машина имела два цилиндра с поршнями, соединёнными цепями с балансирами. Последние приводили в действие мехи, которые накачивали воздух в плавильные печи. После этого Ползунов сконструировал мощный тепловой двигатель на 15 плавильных печей. Это была уже настоящая теплосиловая станция.
В 1769 г. шотландский механик и изобретатель Джеймс Уатт (1736—1819) запатентовал ряд усовершенствований к вакуумному двигателю Ньюкомена. Уатт добавил отдельную ёмкость для охлаждения пара (конденсатор), поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение приводимого колеса. Интересным решением Уатта был изобретённый им регулятор (регулятор Уатта), который позволял автоматизировать процессы подачи пара и добиться постоянной частоты вращения двигателя. К 1782 г. паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.
