Какое отрицательное воздействие оказывают тепловые машины на экологию
Главные проблемы экологии, связанные с использованием тепловых машин
Содержание:
Тепловой двигатель – агрегат, трансформирующий тепловую энергию (преимущественно сжатого газа) в механическую. Тепло в машине образуется вследствие сжигания топлива в цилиндре либо камере внутреннего сгорания. Рассмотрим экологические проблемы использования тепловых двигателей.
Негативное воздействие
Исходя из второго закона термодинамики, коэффициент полезного действия тепловых двигателей ниже единицы: 0,5-0,85. Иногда часть образуемого при работе мотора тепла используется для обогрева салона автомобилей, зданий, но в основном выбрасывается в атмосферу.
Тепловые двигатели устанавливаются не только в транспортных средствах, они применяются для генерирования электрической энергии на электростанциях: ГЭС, АЭС, ТЭС.
Кроме бессмысленного сжигания природных ресурсов – нефтепродуктов – с тепловыми двигателями связаны и иные проблемы экологии. Сжигание каменного угля и нефтепродуктов (дизельное топливо, бензин, керосин) сопровождается выбросом в атмосферу множества вредных для живых организмов веществ, их соединений:
Среди выделяемых вследствие сжигания топлива автомобилей наиболее изучен ароматический углеводород бензпирен – вещество с сильным канцерогенным воздействием на организм человека и животных.
Сжигание серосодержащих бензинов приводит к образованию серной кислоты, выпадающей в виде кислотных дождей, этилированных – соединения бора, хрома свинца. Все эти вещества ослабляют иммунитет, при постоянном вдыхании, например, при образовании висящего несколько дней над городом смога, могут привести к иммунодефициту. Сами выхлопы отрицательно влияют на дыхательную систему: вызывают раздражение, гайморит, бронхит, способствуют развитию рака лёгких, образованию атеросклеротических бляшек, вызывают деменцию.
Усугубляются проблемы экологии, связанные с использованием тепловых машин, на атомных электростанциях – возникает неразрешимая проблема утилизации и хранения отработанного радиоактивного топлива.
Кроме выбросов миллионов тонн отравляющих веществ тепловые двигатели отбирают из атмосферы кислород, нужный им для окисления топлива.
Добыча, переработка нефтепродуктов, производство самих двигателей, их обслуживание и утилизация также связаны с огромными затратами, дополнительным загрязнением и разрушением окружающей среды. Например, для плавки металла нужна электроэнергия, получаемая благодаря использованию тепловых двигателей на электростанциях. Чего только стоят разливы нефти в Мексиканском заливе.
Экологические проблемы тепловых машин
Использовать тепло для совершения какой-либо механической работы люди научились еще несколько веков назад. Для деятельности тепловых машин практически всегда нужно топливо, которое сгорает и образует выхлоп. Таким образом, происходит загрязнение окружающей среды.
Что такое тепловая машина?
Тепловыми машинами называют двигатели и более простые механизмы, использующие тепловую энергию для выполнения определенных функций. Данный термин очень широк и включает в себя множество самых разных устройств от котла парового отопления до дизельного двигателя магистрального тепловоза.
Механизмы, так или иначе использующие тепло, окружают нас каждый день. Если говорить строго, то даже обычный холодильник попадает под определение тепловой машины, так как работает с теплом. Он переносит его из холодильной камеры на «радиатор», установленный на задней стенке, тем самым незаметно нагревая воздух в комнате. Однако холодильник не создает никаких выбросов, чего не скажешь о большинстве других тепловых механизмов.
Как работает тепловая машина?
Принцип работы механизмов, использующих тепло, различен. Но у большей их части есть одно общее обстоятельство: они сжигают топливо и образуют дым. Он состоит из недогоревших частичек топлива, так как 100% сгорание является невозможным в большинстве условий.
Суть тепловой машины можно легко понять на примере паровоза. Этот локомотив, который уже не встретишь на регулярных железнодорожных рейсах, имеет в своей основе большой бак с водой и топку. В качестве топлива используется уголь, который, сгорая, нагревает воду. Та, в свою очередь, начинает превращаться в пар, толкающий поршни. Система поршней и тяг соединена с колесами и заставляет их вращаться. Таким образом, паровоз является тепловой машиной и без тепла ни смог бы тронуться с места.
В процессе сгорания угля в паровозной топке образуется угольный дым. Он выбрасывается через трубу в открытый воздух, оседая на кузове паровоза, листьях деревьев, зданиях вдоль железнодорожного пути и т.д.
Негативное влияние на экологию
Тепловые машины наносят вред окружающей среде из-за их огромного количества, а также из-за применения химических видов топлива. Рассмотренный ранее паровоз, вряд ли мог загрязнить окружающую среду, если бы был один. Но парк паровозов в странах мира был огромен, и они вносили немалую лепту в создание дымных смогов над крупными городами. И это при том, что дым представлял собой мельчайшую угольную пыль.
Дым от современного транспорта имеет гораздо более «интересный» состав. Дизельное топливо, бензин, керосин, мазут и другие нефтяные производные являются химическими веществами, которые в процессе сгорания дополнительно модифицируются, представляя серьезную опасность для здоровья человека. Крайне негативно влияют они и на живую природу. Более того, постоянные выбросы горячих выхлопных газов и дыма от промышленных предприятий усиливают парниковый эффект, грозящий глобальным потеплением.
Методы борьбы с влиянием тепловых машин
Уменьшить негативное влияние на окружающую среду от тепловых механизмов можно путем их доработки и более рационального использования. В настоящее время по всему миру активно внедряются энергосберегающие технологии, которые, в свою очередь, приводят к уменьшению выбросов в атмосферу даже при производстве электрической энергии.
Вторым шагом является разработка новых систем фильтрации, а также вторичное использование отработанного дыма или выхлопных газов. Системы замкнутого цикла позволяют увеличить количество полезной работы одновременно с уменьшением выброса вредных веществ в атмосферу.
Экологические проблемы использования тепловых двигателей
Сохранение земли – важная задача, ведь прогресс ведет к неизбежным изменениям и загрязнению окружающей среды. Одна из проблем, которая сильно влияет на загрязнение это применение тепловых машин.
История создания и принцип действия
Тепловой двигатель – устройство, превращающее тепловую энергию в механическую. Древнегреческий учёный Герон Александрийский ещё в первом веке до н. э. описал в трактате «Пневматика» паровую турбину, которую назвал шаром Эола. Во втором веке появились первые примитивные устройства в Риме. Реактивный двигатель известен человечеству с далёких времён. Он применялся для образования реактивных снарядов и фейерверков в Китае и других азиатских государствах в XIII веке. Современные тепловые двигатели начали появляться в конце XVIII века. И. Ползунов — изобретатель из Алтая в 1764 году предложил проект первого аппарата в мире, который использовал горячий пар для превращения теплоты в механическую энергию. Испытания установки были успешно завершены в конце 1765 года. Машина была работоспособной, но широкого применения не получила. Патентное право на паровой агрегат не был оформлен. Сегодня изобретателем первой паровой установки считается Джеймс Уатт – изобретатель из Англии.
Для работы двигателя нужна разность давлений по обе стороны поршня двигателя. Она создаётся при нагревании рабочего тела (сгорание топлива). После повышения температуры на сотни градусов, газ, обладая достаточной внутренней энергией, расширяется и совершает работу. Пока не охладится до температуры окружающей среды.
Виды тепловых двигателей:
Э. Ленуар в 1860 году создал первый ДВС. Четырёхтактный двигатель применяют в автомобилях.
В чём экологические проблемы использования тепловых машин
Проблема №1 заключается в нагревании окружающей среды, атмосферы. Вследствие чего наблюдается глобальное потепление и таяние ледников. Влияние на экологию:
Как происходит загрязнение
При работе теплового двигателя сжигаются нефть и уголь с выбросом серных и азотных соединений. Постоянное выделение теплоты в атмосферу приводит к увеличению средней температуры на Земле. С использованием тепловых машин вырос объём углекислого газа в воздухе — это может создать «парниковый эффект». Ежегодное повышение температуры на планете в дальнейшем приведёт к полной перемене климата (как считают учёные).
Негативное влияние на экологию
Вред, связанный с применением тепловых двигателей давно доказан. Они издавна загрязняли окружающий воздух. Дополнительный отрицательный эффект был связан с составом дыма. Мелкодисперсная угольная пыль попадала в лёгкие человека. Химический состав выбросов современного транспорта ещё хуже. Поэтому наблюдаются болезни лёгких: аллергические, обструктивные изменения; онкологические заболевания.
Экологические проблемы использования тепловых двигателей:
Заключение
Проблемы, связанные с отрицательным воздействием тепловых машин на окружающую атмосферу, никто не отрицает и человечество всё больше внимания обращает на них. Постепенно люди начинают использовать электроавтомобили, больше электровозов, отказываясь от тепловых двигателей.
Экологические проблемы использования тепловых двигателей, способы решения:
Экологические проблемы использования тепловых машин и пути их решения
Экологические проблемы использования тепловых двигателей в последнее время стоят очень остро для разных стран мира. Прежде чем определить эффективные пути решения, нужно понять, что такое тепловые двигатели и как именно они пагубно отражаются на экологии.
Что такое тепловая машина
Тепловые машины — двигатели и более простые устройства, которые для выполнения определенных функций используют тепловую энергию. Этот термин довольно широк и включает в себя много разных механизмов.
Приборы, использующие тепло, постоянно окружают человека. Если кратко объяснить, то и холодильник можно отнести к подобным агрегатам. В нем тепло из холодильной камеры переносится в радиатор на задней стенке, чем незаметно греет в помещении воздух. Но холодильник не создает никаких вредных выбросов, в отличие от других тепловых машин.
Как работает тепловой двигатель
Основывается работа теплового двигателя на способности веществ расширяться при повышении температуры. Как рабочее тело используется в тепловом механизме газ, нагреваемый за счет сжигания топлива.
Все агрегаты функционируют циклически. Для запуска такой системы температура нагревателя должна значительно превышать Т окружающей среды. При обратном ходе поршня температура газа понижается за счет холодильника.
Охладителем может выступать атмосфера или жидкость.
Работа двигателя — разность подведенного и отведенного тепла. КПД приравнивают к отношению работы к теплу, которое подведено к системе.
Экологические проблемы использования тепловых машин
Роль тепловых двигателей в экологии Земли довольно существенная. Так, при использовании этих агрегатов наблюдаются некоторые проблемы для окружающей среды.
Нагревание атмосферы
Из-за этого происходит глобальное потепление и таяние ледников. Воздействие на экологию следующие:
Из этого следует, что влияние тепловых двигателей на экологию бесспорно. И его нельзя назвать позитивным.
Последствия для экологии
Один из основных источников окружающей среды — тепловые машины. Экологические проблемы при использовании этих агрегатов носят комплексный характер — из-за токсических выбросов происходит загрязнение земли, воды и воздуха.
Ситуация с химическим составом выбросов автомобилей еще хуже. По этой причине у людей наблюдаются такие болезни, как злокачественные образования, обструктивные изменения и подобные. Тепловые двигатели и экология несовместимы, поскольку эти агрегаты вызывают кислотные дожди, разрушение озонового слоя и не только.
Влияние на живые организмы
Тепловые машины и экология, то как влияют эти механизмы на живые организмы — интересует все большее число людей на планете. Самыми опасными элементами из всего, что выделяется в окружающую среду, являются соединения свинца, фенола, азота и углеводорода.
Свинец, входящий в состав топлива для дизеля — сильный канцероген. Такие же свойства у хрома, брома, а также их соединений.
Из-за выбросов тепловых машин происходит угнетение иммунной системы человека, что провоцирует дыхательные и сердечно-сосудистые болезни. Соединения серы и азота, при реакции с влагой в воздухе, образуют токсичные кислоты. Именно они являются причиной кислотных дождей, которые пагубно отражаются на растительности и состоянии грунта.
Пути их решения
Решение проблем с пагубным воздействием тепловых механизмом включает:
Каменный уголь заменить можно и водородом, но технология его получения и использования до конца не разработана.
Необходимо понимать, что природу нужно беречь, в противном случае это чревато печальными последствиями. Проблемы в экологии, которые связаны с использованием тепловых двигателей, постоянно увеличиваются, поэтому необходимо их заменить, т. к. довольно плохо сочетаются подобные механизмы с охраной окружающей среды. Но для этого требуется большие затраты и немало времени.
Экологические проблемы использования тепловых двигателей
Что такое тепловая машина
Тепловая машина (ТМ) – тип двигателя, преобразующий тепло в полезную работу. Он состоит из трех элементов:
К тепловым машинам относятся все бензиновые и дизельные автомобильные моторы, паровые турбины и котлы, реактивные и ракетные двигатели.
Тепловые двигатели (ТД) распространены повсеместно: на транспорте, в энергетике, промышленности. Изобретение паровой машины привело к индустриальной революции XVIII-XIX столетий, радикально изменило облик нашего мира.
Негативное действие тепловых механизмов
Тепловые машины наносят непоправимый вред экологии. Результатом сжигания нефти, угля становится выделение опасных для человечества, флоры, фауны азотных и серных соединений. Также тепловые процессы связаны с использованием атмосферного кислорода, что ведет к снижению его уровня в воздухе.
К тому же топливо для производства тепла не способно полностью сгорать, из-за чего выбрасываются частицы сажи, золы, которой дышат люди. Отходы ТЭС, двигателей внутреннего сгорания в виде хлора, угарного газа, сернистых соединений после выхлопа в атмосферу могут осаждаться в почву. Моторы авто выбрасывают в большом количестве свинец.
Атомные электростанции имеют свои проблемы, влияющие на экологию. Здесь важно в результате деятельности тепловых машин правильно утилизировать радиоактивные отходы.
Экологическая проблема, связанная с применением тепловых машин, связана не только с выбросами выхлопов и загрязнением среды. Результатом использования тепла становится нагревание воздушного пространства. Негативным итогом теплового загрязнения становится и повышение количества углекислого газа в атмосфере, что провоцирует «парниковый эффект». Это ведет к глобальному потеплению, таянию льдов, повышению уровня Мирового океана.
Как работает тепловой двигатель
Работа теплового двигателя основана на способности веществ расширяться при повышении температуры. В качестве рабочего тела в ТД используется газ, который нагревается за счет сжигания топлива.
Все ТМ работают циклически. Чтобы запустить подобную систему, температура нагревателя должна быть существенно выше, чем окружающей среды. При обратном ходе поршня температура газа понижается за счет холодильника. Им может служить охлаждающая жидкость или атмосфера.
Работа двигателя равна разности подведенного и отведенного тепла. Коэффициент полезного действия – это отношение работы к теплу, подведенному к системе. Принцип действия тепловых машин основан на 1-м и 2-м законе термодинамики.
Четырехтактный цикл.
В четырехтактном цикле впускной клапан открывается, когда поршень находится в верхней точке цилиндра, и свежая порция топлива и воздуха засасывается в цилиндр поршнем, опускающимся вниз и создающим разрежение. Когда поршень достигает нижней точки, впускной клапан закрывается, а поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. Когда поршень достигает верхней точки, смесь воспламеняется, и образующиеся горячие газы, расширяясь, толкают поршень вниз. Когда поршень оказывается в нижней точке, открывается выпускной клапан, а на следующем такте поднимающийся поршень выталкивает отработанные газы, освобождая цилиндр для новой порции топливовоздушной смеси. Весь процесс совершается за четыре хода поршня (вверх или вниз), т.е. за два оборота коленчатого вала. Во время рабочего хода маховик запасает энергию, чтобы поршень мог совершить три других хода до следующего рабочего. Первый двигатель с этим циклом построил в 1876 в Германии Н.Отто.
Вредные вещества
Для работы тепловых двигателей чаще всего применяется ископаемое топливо или продукты его переработки: уголь, газ, мазут, бензин, керосин и др. Они никогда не сгорает на 100%, и остатки загрязняют окружающую среду.
Не меньший вред наносят продукты сгорания. При работе ТМ выделяются следующие виды вредных веществ:
Атомные электростанции – также тепловые машины, в которых для нагревания рабочего тела используются ядерные реакции. Их эксплуатация связана с опасностью загрязнения окружающей среды радиоактивными материалами.
История создания и принцип действия
Тепловой двигатель – устройство, превращающее тепловую энергию в механическую. Древнегреческий учёный Герон Александрийский ещё в первом веке до н. э. описал в трактате «Пневматика» паровую турбину, которую назвал шаром Эола. Во втором веке появились первые примитивные устройства в Риме. Реактивный двигатель известен человечеству с далёких времён. Он применялся для образования реактивных снарядов и фейерверков в Китае и других азиатских государствах в XIII веке. Современные тепловые двигатели начали появляться в конце XVIII века. И. Ползунов — изобретатель из Алтая в 1764 году предложил проект первого аппарата в мире, который использовал горячий пар для превращения теплоты в механическую энергию. Испытания установки были успешно завершены в конце 1765 года. Машина была работоспособной, но широкого применения не получила. Патентное право на паровой агрегат не был оформлен. Сегодня изобретателем первой паровой установки считается Джеймс Уатт – изобретатель из Англии.
Для работы двигателя нужна разность давлений по обе стороны поршня двигателя. Она создаётся при нагревании рабочего тела (сгорание топлива). После повышения температуры на сотни градусов, газ, обладая достаточной внутренней энергией, расширяется и совершает работу. Пока не охладится до температуры окружающей среды.
Виды загрязнений
Выбросы токсичных веществ – главный негативный фактор воздействия тепловых машин на окружающую среду.
В процессе сжигания топлива расходуется много кислорода, что приводит к уменьшению его количества в воздухе. В странах с развитой промышленностью двигатели и турбины потребляют кислорода больше, чем его успевают выделять растения.
Тепловое загрязнение
При работе любого двигателя внешнего или внутреннего сгорания выделяется много тепла, что приводит к «тепловому загрязнению».
За 2008 год все ТМ выработали примерно 125 ПВт/ч энергии. Учитывая их небольшой КПД, примерно столько же энергии рассеялось в виде тепла в атмосфере. Хотя это количество и не кажется слишком большим, но оно способно нарушить хрупкий температурный баланс атмосферы, запустив необратимые изменения.
Последствия для экологии
Тепловые машины – один из главных источников загрязнения окружающей среды. Экологические проблемы при использовании ТД носят комплексный характер – токсичные выбросы отравляют воздух, почву и воду.
В мире эксплуатируется около 1 млрд автомобилей, на них приходится более половины ядовитых веществ, которые выбрасываются в атмосферу.
В 2021 году в атмосферу было выброшено 33,9 млрд тонн углекислого газа, что на 2% больше, чем годом ранее. Он считается одной из главных причин парникового эффекта и изменения климата.
Выхлопные газы автомобилей – основной источник токсичного смога в крупнейших городах мира. Концентрация вредных веществ в воздухе мегаполисов может превышать норму в десятки раз.
Токсические вещества из атмосферы попадают в почву или воду. Они меняют их химический состав, что самым негативным образом сказывается на живых организмах.
Влияние на живые организмы
Ядовитые выбросы, образующиеся при работе тепловых машин, разрушительно действуют на все живые организмы. Наиболее опасными считаются соединения свинца, азота, фенолы, углеводороды.
Например, свинец, который добавляют в моторное топливо, является сильнейшим канцерогеном. Аналогичными свойствами обладает хром, бром и их соединения.
Выбросы тепловых двигателей угнетают иммунную систему человека, приводят к дыхательным и сердечно-сосудистым заболеваниям.
Соединения азота и серы, вступая в реакции с влагой воздуха, образуют ядовитые кислоты. Именно они – причина кислотных дождей, которые убийственно действуют на почву и растительность.
Достоинства и недостатки.
Очевидным преимуществом двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным является то, что в нем вдвое чаще совершается рабочий ход, конструкция получается проще и легче (не требуется клапанный механизм, а маховик может иметь меньшую массу, поскольку он должен провернуть двигатель только на полоборота, а не на полтора, как в четырехтактном). Однако в двухтактный двигатель приходится подавать больше топливной смеси, чем в четырехтактный той же мощности, поскольку пространство его рабочего цилиндра не полностью освобождается от продуктов сгорания. Кроме того, укорачивается рабочий ход, в конце которого газы уже покидают рабочий цилиндр. Еще одним недостатком двухтактного двигателя являются проблемы со смазкой. В четырехтактном двигателе картер частично заполнен маслом, которое при вращении коленвала разбрызгивается на стенки цилиндра и создает смазку между ними и поршнем; в двухтактном двигателе топливная смесь захватывает брызги масла, проходя в картер и далее в рабочий цилиндр, и они уносятся с отработанными газами, уменьшая смазку цилиндра. Эта проблема решается добавлением масла в топливную смесь, что приводит к загрязнению выхлопа и ухудшению работы двигателя из-за нагара. Анализ достоинств и недостатков показывает, что сравнительно небольшие двигатели, для которых легкость, компактность и простота важнее проблем смазки и загрязненного выхлопа, предпочтительнее делать двухтактными. Такие двигатели применяются в газонокосилках, небольших мотоциклах и в моделях самолетов. Четырехтактные двигатели чаще делают в виде мощных установок с несколькими рабочими цилиндрами.
Пути решения проблемы
Можно утверждать, что ТД породили современное индустриальное общество. При этом необходимость их замены с каждым днем становится все более очевидной. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды плохо сочетаются друг с другом.
Автобус на электрической тяге
Альтернативы для этого уже есть: тепловые электростанции можно заменить солнечными панелями, а автомобили с ДВС – электрокарами.
Такой переход потребует много времени и еще больше ресурсов, но результат оправдает эти затраты.
Теплоэнергетика
Предприятия теплоэнергетики следует вынести за границы населенных пунктов. От этого они не будут выделять в атмосферу меньше вредных веществ, но их концентрация в городах станет меньше.
Следует отказаться от наиболее «грязного» вида ископаемого топлива – каменного угля. Природный газ дает меньше выбросов сажи и других вредных веществ. Хорошей альтернативой является водород, однако технологии его получения и использования пока не отработаны.
Выбросы автомобилей
Вполне реально уменьшить вред, который окружающей среде и здоровью людей наносят автомобили с ДВС. Эффективным методом является жесткий контроль качества моторного топлива. Уже сегодня во многих странах запрещена продажа бензина с добавками свинца.
Существуют стандарты по количеству вредных веществ в выхлопных газах самих автомобилей. Они зависят от конструкции двигателя и системы зажигания, наличия нейтрализаторов.
Хорошим решением является перевод транспорта на различные виды природных газов.
Уменьшить загазованность в населенных пунктах позволяет правильная организация дорожного движения. Установлено, что большая часть выбросов происходит во время нахождения машин в «пробках».
Альтернативная энергетика
«Зеленая» энергетика – мощный тренд последнего десятилетия. К ней обычно относят ветроэнергетику, солнечные панели, биогаз, приливные электростанции. Они известны человечеству давно, но только сейчас становятся экономически выгодными.
Доля «зеленой» энергии в мировой генерации с каждым годом увеличивается.
Двухтактный цикл.
В двухтактном цикле свежая порция топливной смеси подается в цилиндр, когда поршень находится в нижней точке; затем смесь сжимается при движении поршня вверх и воспламеняется в конце хода сжатия, как и в четырехтактном цикле. В конце рабочего хода вниз отработанные газы выталкиваются из цилиндра свежей порцией смеси. Таким образом, в двухтактном цикле на каждом обороте вала совершается рабочий ход. Когда при ходе сжатия поршень поднимается, вследствие создающегося под ним разрежения в картер засасывается очередная порция топливной смеси. Во время рабочего хода эта смесь сжимается, пока клапаны не откроют доступ свежей смеси в рабочий цилиндр, а отработанным газам – в атмосферу. Можно обойтись и без клапанов, если правильно рассчитать форму поршня и расположение впускных и выпускных отверстий.