Тепловые двигатели и биосфера
методическая разработка по физике (10 класс) по теме

КОНФЕРЕНЦИЯ.  ТЕМА:  

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И БИОСФЕРА.

Цель:   1. Поднять экологические и энергетические проблемы, связанные с

применением тепловых двигателей. 2.Сформировать понятия:

-Биосфера (земля, почва, вода, атмосфера)

-Необходимость охраны и рациональное использование биосферы и природных ресурсов. -Бережное и рациональное использование невозобновляемых  ресурсов (газа, нефти, угля, торфа).

-Максимальное использование возобновляемых ресурсов энергии. -Методы защиты окружающей среды от загрязнения.

Ход конференции:

«Чтобы заниматься наукой, надо помимо холодной головы иметь горячее сердце и высокую нравственность».

« Нас думать учат города, но чувство времени живое нам дарит звездная вода и одиночество лесное».

Мы сегодня собрались обсудить прошлое, настоящее и будущее тепловых двигателей.

Благо это или беда для нашей планеты?

Одни утверждают, что без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима, а другие утверждают, что такое использование приведет к катастрофе. Послушаем представителей нашей конференции:

1. Директор завода.
2. Инженер завода.
3. Инженер автомобильного транспорта.
4. Представитель ГАИ.
5. Технолог.
6. Экономист.
7. Географ.
   8 . Эколог.

9.        Химик.

1. Биолог.
2. Врач.
3. Юрист.
4. Работник АЭС.

Послушав выступления, мы пришли к выводу, что необходимо создание   новых технологий и создание   техники работающей на других видах топлива - возобновляемых энергетических ресурсах, или создавать технологии, резко уменьшающие потребление невозобновляемых ресурсов. Знаете ли вы, что на Земле существуют безвредные источники энергии:

Альтернативные. Это   - подземное тепло,солнечная энергия, энергия ветра, энергия воды, энергия приливов. 14.Послушаем   представителя института ветра.

1. Представитель гидроинститута.
2. Представитель института энергии Земли.
3. Представитель института энергии моря.
4. Представитель института энергии солнца.

Вопросы:  

 1.Почему   большая доля загрязнения окружающей среды от тепловых двигателей?

1. Какими преимуществами обладает газобаллонный автомобиль ?

3.Почему основными направлениями развития народного
хозяйства планируется производство малотоннажных
газовых автомобилей с эффективными источниками тока для внутригородских перевозок?

Вывод:   Мы увидели все беды от необдуманного использования топлива в тепловых двигателях.

Знаем теперь, что надо делать, чтобы спасти атмосферу Земли и улучшить экологию.

Каждый из вас должен принять участие в оздоровлении экологии окружающей среды.

«ГРИНПИС» считает, что Мир сможет полностью отказаться от ископаемого топлива и перейти в «солнечную эру» к 2100 году.

Директор завода

  КПД первых паровых машин был менее 1%, Если бы такие машины были на кораблях Колумба, он не доплыл бы на них до Америки, если бы даже до верху заполнил их углем.

  В настоящее время КПД серийных карбюраторных двигателей 25% (у лучших образцов 35%).

      КПД Дизельных двигателей 30% (у лучших образцов до 45%).

Мы решаем вопрос об увеличении выпуска двигателей.

Тепловые двигатели используются на:

-        тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Более 80%  всей электроэнергии в стране вырабатываются на тепловых электростанциях

Тепловые двигатели /паровые турбины/:

-        устанавливаются на всех атомных электростанциях,

где для получения пара высокой температуры используют энергию атомных ядер.

На всех основных видах современного транспорта:

-        преимущественно используют тепловые двигатели.

В автомобильном транспорте применяют:

1. поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним
   образованием горючей смеси /карбюраторные/;
2. двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндра /дизели/.

На тракторах, незаменимых в сельском хозяйстве, устанавливаются

-        дизели.

На железнодорожном транспорте до середины XX века основным двигателем была - паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы получают энергию от тепловых двигателей электростанции.

На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные паровые турбины для крупных судов.

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах - турбореактивные и реактивные двигатели.

Реактивные двигатели применяются и в космических ракетах.

Инженер завода

Максимальное значение КЦЦ тепловых двигателей идеальных машин может быть 80% но действительно же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь:

-для турбин около 40%;

- у дизельных - около 44%.

Повышение КПД - это важнейшая техническая задача,

1.        Усилия направлены на повышение КПП за счет

уменьшения трения частей двигателей, и устранения потерь топлива в следствие его неполного сгорания.

1. Предлагаются новые электростанции МГД - станций,
   газотурбинная.
2. В новых электростанциях предлагается заменить воду на калий /бинарная ТЭС/.

В тринарной ТЭС используется цикл - "Калий - дифенил -вода", тоштивно-угольная пыль, а конструкционным материалом выбран "Никоний 800Н" /Хромо-Никелевый сплав/.

Но они опасны, т.к. вода может проникнуть в калий.

Новые станции; - МГД - станции;

газотурбинные, бинарные; тринарные.

Инженер автомобильного транспорта

Во многих городах земного шара наблюдается   сильное загрязнение воздуха выхлопными газами из-за бурного развития автомобильного транспорта.

1. Численность автомашин в крупных городах быстро
   увеличивается, а следовательно растет выброс вредных
   веществ в атмосферу.
2. Автомобиль - движущийся источник загрязнения.

3.Автомобильные газы поступают в приземной слой воздуха, где их рассеивание затруднено.

4.Современные методы защиты не в состоянии обеспечить

желаемую степень чистоты воздуха.

Сейчас создаются автоматические системы управления движением наземного транспорта, чтобы на напряженных магистралях не скапливались выхлопные газы в чрезмерно больших концентрациях.Ведется работа по снижению их токсичности и переходу автотранспорта на более "эколо-гичные" двигатели.

1. На газообразном топливе - сжиженном газе /водороде и др/.
2. Роторные ДВС.

1. . Газотурбинные двигатели.
2. . Аккумуляторные.

Применение электромобиля на водороде - это мечта будущего. В нашей стране созданы автомобили на водороде и самолеты на водорода. Водород сжижен и подается в цилиндре двигателя через особый насос и форсунку под высоким давлением.

Будущее за дешевым способом получения водорода с использованием солнечной энергии.

Географ

Большинство видов топлива - это ценные невозобновляемые природные ресурсы: уголь, нефть, газ.

Если современные темпы использования этих ресурсов сохраняется, то они будут полностью исчерпаны за два столетия.

А неполнота сгорания топлива в тепловых двигателях введет к сильному загрязнению атмосферы.

В мире насчитывается 500 миллионов средств передвижения, которые ежегодно выбрасывают в атмосферу 550 миллион тонн углерода, а численность транспортных средств увеличивается.

Самыми неблагополучными для здоровья жителей является промышленные центры: Череповец, Уфа, Тольятти, Кемерово, Нижний Тагил, Норильск.

В некоторых городах содержание свинца, окиси углерода и др. вредных веществ в воздухе превышает ПДК в 12-15 раз.

Врач

Выхлопные газы оказывают воздействие на вое живое.

Газы через дыхательные органы проникают в кровь, а с ней в организм, изменяя жизненные процессы.

Поскольку эти газы активно реагируют с гемоглобином крови и связывают его, то поглощение их в больших количествах вызывает острое отравление, отек легких, удушье, разрушают нервную систему,

Ядовитый туман - СМОГ - смесь газов сгорания вызывает у человека астму, сердечные заболевания, мигрени, рак. Соединения азота вызывают синюшность, авитаминоз.

Сегодня в промышленности атомная энергетика допускает загрязнение биосферы радиоактивными отходами, радиация разрушает живые клетки организма, вызывает мутации, генетические уродства, вызывает рак.

Рак вызывают и ядохимикаты.

Например: в озере Балхаш рыба судак полностью поражена раком. Больная рыба вызывает раковые заболевания у человека, потребляющего рыбу в пищу.

Разводить рыбу в ядовитых озерах - это преступление.

                                     Представитель ГАИ

Большое влияние на состав выхлопных газов оказывает техническое состояние двигателя.

Дефектом поршневых колец, гильз цилиндров, загрязнение свечой зажигания и другие неисправности могут быть причиной повышения токсичности выхлопных газов.

Многие автомобили , особенно  устаревшие чадящие иномарки, не отвечают современным требованиям экологии.

Автомобиль будет безвредным, если:

-использовать не этилированном горючее оно дешевле,
меньше аортит части машины, меньше расход машинного масла;

-совершенствовать технологию и переходить на такое горючее; как газ, спирт, водород при горении которого образуется только вода;

-использовать каталитические очистители;

-правильно регулировать двигатель;

-ездить медленно,

-хорошо накачивать шины.

Представитель АЭС

Наши атомные электростанции дозволяют сберечь огромное количество полезных ископаемых, а значит, уменьшить загрязнение.

Существующие АЭС ежегодно предотвращают выброс в атмосферу миллиона тонн углекислого газа и значительно снижают количество кислотных дождей.

Но в последнее время , всё чаще стали раздаваться голоса против использования атомных станций, Это из-за участившихся аварии.

Так аварии на Трехмильном острове США в 1979 году и на Украине в Чернобыле 1986 году всколыхнули весь мир.

Радиация - смерть без света, вкуса и запаха.

Радиоактивные отходы жидкие и твердые необходимо изолировать на 100000 лет.

При расщеплении 1 тонны горючего образуется 400 литров отходов. Захоронение производят в глубоких геологических горизонтах. Жидкие отходы превращают в инертные твердые вещества. Хранение слабо и среднеактивных отходов производят в старых рудниках, соляных копях.

Захоронение в море приостановлено в 1984 году, так как контейнеры разрушаются через несколько десятилетий. Захоронение радиоактивных отходов - есть нерешенная проблема, и мы оставляем ее нашим потомкам.

Чернобыльская катастрофа 1986 года причинила ущерб на сумму 250мил. долларов. Кусочек плутония с апельсин может разрушить город.

Стоит ли выгоды такие жертвы? Решать проблему топлива за счет атома надо так, чтобы не приносить вреда людям и природе, а в дальнейшем совсем отказаться от него.

Экономист

Человечество потребляет огромное количество энергии в условных единицах топлива.

Одна условная единица - это количество энергии, выделяемое при сгорании одного миллиона тонн нефти.

За год человечество использует 9 тысяч единил /т.е. ежегодно мы сжигаем 9 миллиардов тонн нефти. 78% от этого составляют природные ископаемые т.е. невозобновляемые ресурсы, среди них истинной нефти - 34%, угля 25%, природного газа 19%. 5% энергии мы получаем от АЭС. 6% от гидроэлектростанции. 11% ОТ других источников энергии.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Солнечная энергия - это альтернативная электростанция "Институт солнца1' представляет вам такое устройство, как солнечные панели, которые могут обеспечить теплом и горячей водой чуть ли не все население планеты.

Причем загрязнение уменьшилось бы на 75%.

В тех странах, где солнечно круглый  год, можно построить солнечные станции, которые вырабатывали бы электроэнергию из солнечного света.

Запасы солнечной энергии безграничны.

Первые солнечные батареи были созданы во Франции в конце XIX века - автор Мушо О.

Главное достоинство солнечной энергии - ее экологическая чистота.

Фотоэлектрическая энергия пригодна для:

1. космических станций,
2. для работы часов.
3. для работы телевизоров.
4. для работы микрокалькуляторов.
5. для радиоприемников.
6. для обогрева домов.

И «Солнцемобили» с батареями, установленными на крышах салонов побежали со скоростью 100 км/ час.

В южной части США, Испании, Индии, Саудовской Аравии действуют солнечные электростанции.

В Калифорнии производят 357 МВат электроэнергии, снабжая целый город в 17 000 домов.

Эколог

Тепловые двигатели совершают работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней и лопаток турбины.

Это разность давлений создается с помощью разности температур.

   Тепловой двигатель не может работать без холодильника , роль которого обычно играет атмосфера.

    При сгорании топлива образуются токсичные соединения СО, С02, кроме того идут сложные фотохимические реакции с образованием новых продуктов, которые оказывают на организм человека раздражающее и общетоксичное действие к таким "вторичным" продуктам относятся азон, органические пероксиды, пероксиацилнитраты, свободные радикалы.

Из рекламы видно, что природный газ - это "экологически чистое" топливо. Но это же метан, во много раз более мощный "парниковый газ". Газ может лишь быть мостиком при переходе от ископаемого топлива к другим источникам энергии. К электростанциям на чистых возобновляемых ресурсах энергии.

Химик

Сегодня трудно найти человека, который не слышал бы термин "кислотный дождь".

Убивающие дожди не знают границ, кислотными бывают даже снег и туман. Сернистый газ и серная кислота разрушают в листьях хлорофилл - вещество, необходимое для фотосинтеза. В радиусе 10 км во круг заводов гибнут леса от азота, фосфора, серы и калия. Подсчитано, что 90% всей форели в озерах южной Норвегии вымирает.

80% почв Восточной Канады становятся кислотными, в более чем 200 озерах США исчезла рыба. Лондон в 1952 году задыхался от выхлопных газов, а через 20 лет воздух стал чище. Жители отказались от тех видов топлива, которые задымляют атмосферу. Отопление зданий перевели на природный газ, электричество, мало сернистый мазут.

Щелочь - враг кислоты. Как нейтрализовать кислоту? Вот реакция пищевой соды с серной кислотой

Обычно 4 тонны известняка на гектар достаточно, чтобы в озере появились животные и растения /это необходимо делать через 3 года постоянно/.

В Швеции школьники разложили на льду озера 9 тонн извести и

спасли озеро.

                  Биолог

Большой вред приносят выхлопные газы растениям, В результате диффузии и поглощения клеточным соком они попадают внутрь клеток и нарушают их нормальную жизнедеятельность. Кроме этого под влиянием ядовитых газов «подавляется» фотосинтез и нарушается водообмен. Например: при остром поражении сернистым газом (концентрация 210" кг/м3). У большинства растений через два часа буреют и гибнут листья.

Ежегодно в процессе фотосинтеза растения поглощают около 200 миллиардов тонн углекислого газа! Если всю эту массу вещества обратить в чистую энергию, ее будет больше в 10 раз, чем потребляет все человечество за год.

Биоэнергетика - отрасль, которая обогащает тебя.

Биотопливо - это отходы со свалок, сточные воды, отходы животноводства.

В Пуэрто - Рико, латиноамериканской стране, действует самая большая в мире установка. Каждый день проходит 14 тонн отходов, дающих 42,5 кубометров биогаза.

        Юрист

Результатом активного воздействия человека на природу является ее загрязнение, засорение, истощение.

Закон встал на защиту природы. Охрана природы это дело всего народа.

1. Большинство государств подписало соглашение об ограничении выбросов
   двуокиси серы в атмосферу.
2. В 1972 году опубликовано природоохранная программа ООН.
3. С 1981 года вступил в силу закон об охране атмосферного воздуха.
4. А каждый должен выполнять правило частоты (см. «Тревоги пятого
   океана»).

Двигатели будущего

Институт ветра предлагает шире использовать энергию ветра. Сейчас во всем мире насчитывается около 20000 ветряных мельниц, геннерирущих электричество.

Большинство из них находится в США и Дании. Всерьез заинтересовались в Великобритании. Там создана программа строительства "ветряков" на море.

Они не причинят природе никакого вреда, но способны снабжать электроэнергией все страну.

В Калифорнии 1600 ветряных турбин дают такое количество, которое достаточно для освещения всех домов в городе размером С Сан - Франциска.

Полвека назад в 1937 году Кондратюк Ю.В.. в Московской области начал разрабатывать ветродвигатель мощностью 1 МВт, который и по сей день никто не применил.

Похоже, что опять придется догонять ветроэнергетиков запада.

Гидроинститут предлагает использовать энергию воды на гидроэлектростанциях. Энергию падающей воды они преобразуют в электрическую. Но большие платины приносят больше вреда чем пользы.

Сейчас строят исскуственные платины из-за которых часто бывают затоплены плодородные земли выше по течению, страдают люди гибнет рыба, идущая в верховья рек на нерест.

Энергетика должка быть экономной, а поэтому есть проекты таких платин, которые строят в отводных каналах.

Мы ждем от ученых грамотных решений этой проблемы.

Диаграмма

Из диаграммы видно, что большая часть энергии "съедается" Северной Америкой, Восточной Европой и Россией, Западной Европой.

Важно экономить энергоресурсы применяя энергосберегающие технологии, а так же экономить электроэнергию в быту.

1. Использовать низковольтные лампочки.
2. Подключать к ТЭС систему отопления квартир, магазинов.
3. Надо строить дома с применением теплоизоляционных
   материалов.

На много безопаснее использовать энергию воды в районе морских приливов и отливов

Морские волны, штормовые волы несут огромную энергию, так в акватория Баренцева моря достигает 29 кВт на метр фронта волны, а суммарная мощность водной стихши у берегов нашей страны составляет 275 млн. кВт,

У берегов Габридских островов наблюдаются высокие волны. Их энергию шотландские гидротехники используют, преобразуя  в электрическую, через железобетонную ловушку высотой 34 м. В Китае действует более 60000 таких малых электростанций. Не следует пренебрегать геотермальной энергией. Это энергия бьющих из под земли горячих источников. В Исландии их используют для отопления домов и промышленных предприятий. Там где вода источников достаточно горяча, ее можно применять и для производства электроэнергии.

Сегодня геотермальные станции существуют уже в 18 странах мира.   Есть они в России на Камчатке.  ГЕОТЭГ мощностью 5 МВт, и запланировано 100 МВт.

В Калифорнии путем глубокого бурения и выкачивания подземных горячих вод или путем прокачивания воды сквозь горные породы на 8 км получают геотермальную энергию»

Более 20 стран используют энергию природного пара. Филиппины производят Ф/17 часть своего электричества, использую этот метод.