Экологическая конференция на тему "Тепловые машины".
творческая работа учащихся по физике (8 класс) на тему

Экологическая конференция

«ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА».

Ученики 8-«А» класса МОУ Северной средней общеобразовательной школы (учитель Солнцева Г.А.)

                                                       2011 год

Цели конференции:

1. Провести анализ положительного и отрицательного действия тепловых машин на жизнь человека и окружающую среду;
2. Развивать интерес к цифровой информации, описывающей состояние окружающей среды;
3. Содействовать воспитанию экологического сознания.

Вопросы конференции:

1. Создание тепловых двигателей, общий принцип действия;
2. Положительная роль тепловых машин ;
3. Отрицательная роль тепловых машин .

Задание: выявить влияние автотранспорта на:

• Экосистемы, находящиеся в черте посёлка;
• Рост заболеваемости жителей посёлка, испытывающих неблагоприятное состояние окружающей среды на себе.

Практическое задание:

• вычислить количество токсичных продуктов, образующих при работе транспорта;
• охарактеризовать их действие на живые организмы и окружающую среду.

4. Какими транспортными средствами лучше всего пользоваться с экологической точки зрения и почему?
5. Как ваши знания по электричеству могут помочь в решении проблемы?
6. Что можно сказать о местной экологической ситуации и что нужно сделать, чтобы сохранить нашу природу?

Х О Д     К О Н Ф Е Р Е Н Ц И И.

Слово «экология» в переводе с греческого означает «наука о доме, жилище». Поэтому не случайно этим словом называют ныне науку об отношениях растительных и животных организмов, в том числе людей, с окружающей средой – тем домом, в котором живёт человечество.

Чтобы жить в нём без страха за своё будущее, за своё здоровье, радоваться красотам природы, нужно беречь этот дом, иначе вообще можно погибнуть.

Человек – часть природы, и её разрушение грозит ему множеством бед. У Земли много проблем, и одна из них - тепловые машины. Поэтому на конференции мы и остановимся на положительной и отрицательной роли тепловых машин в жизни человека, и попытаемся наметить выход из сложившейся экологической обстановки.

I.ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА.

А началось всё в XVII веке, когда простое предложение о замене пробирки поршнем позволило сделать вывод о возможности поставить пар на службу человеку.

В XVII веке наблюдается развитие производств, требующих совершенствования техники. Был нужен такой источник энергии, который не был бы «привязан» к одному месту, как энергия падающей воды, не зависел бы от погоды, как энергия ветра. И такой вид энергии нашли – тепло, а именно энергия водяного пара.

Французский физик Дени Папен вместе с немецким учёным Бюйгесом работал с 1682 года над созданием машины, в которой поршень внутри трубки поднимался бы при помощи взрыва порохового заряда, помещённого под цилиндром. После длительных экспериментов в 1690 году они нашли идеально работающее тело – воду.

История создания паровых двигателей. В 1698 году англичанин Томас Севери изобрёл паровой насос для откачки воды из шахт. А в 1705 году, познакомившись с работами Папена, слесарь Томас Ньюкомен получил патент на изобретённую им тепловую машину. Она была первой машиной, которая с успехом применялась для подъёма воды из шахт.. Понадобилось более 50 лет, прежде чем появился первый паровой двигатель непрерывного действия. Его создал наш соотечественник Иван Иванович Ползунов (в 1766 году) – русский учёный, механик.

Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт.

В 1814 году англичанин Джордж Стеферсон создал паровоз, который двигал состав весом 30,5 т со скоростью 6 км/ч. В России отец и сын Черепановы, крепостные мастера уральского завода, тоже построили паровоз (в 1834 году). Он вёз состав весов 32 т со скоростью 13016 км/ч. В конце XIX века коренным образом изменился паровой двигатель. Изобретатели решили использовать не давление пара, а скорость его движения. Так была создана в 1884 году англичанином Парсоном первая многоступенчатая паровая машина.

История создания двигателя внутреннего сгорания. На определённом этапе развития техники стало очевидным, что пользоваться теплом огня непосредственно для производства работы лучше, чем затрачивать его на получение пара, а затем использовать тепло пара. Но с самых же первых опытов возникли большие препятствия. Достаточно упомянуть разработки Ж.Готфейля (1678-1682) и Х.Гюйгенса (1681). Оба учёных предлагали так называемый атмосферный двигатель, у которого поршень поднимался взрывом пороха вверх и фиксировался.

Разработки Папена, Севери, Ползунова, Уатта и других привели к тому, что к концу XVII столетия паровая машина стала универсальным двигателем, и казалось, замены пару нет.

Решение задачи использования продуктов сгорания заключалось в поиске соответствующего горючего. Очевидно, таких попыток заменить пар было немало, но история сохранила лишь некоторые из них, да и то в очень неполном объёме. Например, работа братьев Ньепсов. (Известны благодаря своему вкладу в развитие фотографии). Идея замены дефицитного во Франции угля иным топливом витала в воздухе. Братья занимались поисками такого топлива, продукты сгорания которого можно было бы использовать в качестве рабочего тела, подобно пару. В качестве такого они применили ликоподий – семена спорового растения-плауна.

На всемирной выставке в Париже в 1867 г.  немецкий коммерсант Отто представил новый газовый двигатель, созданный в содружестве с инженером Лангеном.

Успешные опыты по замене светильного газа другими продуктами газификации вызывали желание попробовать применить пары жидкого топлива. Ещё в 1873 г. Американец Брайтон пытался использовать керосин. Но керосин плохо испаряется, и Брайтон перешёл на бензин. Он же изобрёл для своего двигателя первый испарительный карбюратор. Важно, что горение у Брайтона происходило при постоянном давлении.

Первый бензиновый двигатель был построен в России в 1884 г. Моряком русского флота Костовичем для дирижабля.

Совершенствование двигателей шло в тесном взаимодействии с совершенствованием производства.

Автором одного из самых крупных изобретений является Рудольф Дизель. По замыслу Дизеля, если воздух сжать до давления не ниже 33-35 атмосфер и повысить вследствие этого его температуру до 500-700 С, то топливо, вводимое туда, будет воспламеняться от соприкосновения с горячим воздухом. Но Дизель предлагал не просто постепенное сгорание, он имел в виду регулируемое сгорание с обеспечением постоянства температуры и давления. В результате многолетней работы был создан новый высококачественный двигатель, носящий его имя. Первый же двигатель с воспламенением впрыскиваемого топлива от сжатия воздуха, построенный на заводе Нобеля, получил название «дизель», прочно закрепившееся за двигателями такого типа.

Конструкция дизелей претерпела существенные изменения. В 30-х годах XX века появляются мощные авиационные ДВС конструкторов Микулина и Чаромского. Во время Великой Отечественной войны применялся авиационный дизель большой мощности АЧ-30 конструкции Чаромского.

История создания реактивных двигателей, которая не так продолжительна, как история паровых турбин и ДВС. Своё начало она берёт в нашем столетии. Это один из самых прогрессивных и перспективных видов тепловых машин.

В разгар первой мировой войны А.И. Тихомиров посылает прошение о предоставлении ему привилегии на разработку самодвижущихся в воде и на воздухе мин, в которых использовались ракетные двигатели.

Под руководством Валентина Петровича Глушко создаётся целая серия ОРМ. Первый – с цилиндрическим соплом, с водяным охлаждением и тягой до 20 кгс. В ОРМ-3 и ОРМ-5 двигатели охлаждались одним из компонентов топлива. В качестве окислителей использовались: жидкий кислород, азотный тетроксид, азотная кислота, а в качестве горючего – бензин, керосин.

В 1931 году Ф.А Цандер совершенствовал свой ОР-1 .Валентин Петрович Глушко был разработчиком электрореактивных двигателей. Он удостоверился, что они понадобятся только на следующем этапе освоения космоса, а чтобы проникнуть в космос, потребуются жидкостные реактивные двигатели, о которых писал К.Э.Циолковский. В 1930 году началась разработка ЖРД (цилиндрическое сопло, с водяным охлаждением и тягой до 20 кгс). В марте 1933 года бригада Цандера провела испытания ОР-2.

В 1954 году М.К. Тихонравов с С.П. Коряевым предложили создание искусственных спутников Земли.

II. ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ  РОЛЬ  ТЕПЛОВЫХ  МАШИН.

Каким же образом были реализованы проекты ТД (тепловых двигателей), предложенные учёными?

Огромное значение имели паровые двигатели до середины XX века, так как были основными на железной дороге. Сегодня там  большее распространение получили дизельные двигатели, то есть ДВС. Мощные паровые турбины используются и на водном транспорте, и на всех АЭС, где для получения пара высокой температуры используют энергию атомных ядер. Паровые турбины установлены и на ТЭЦ, которые вырабатывают более 80% энергии для страны. Именно паровые турбины приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

С момента их изобретения тепловые двигатели стали играть большую роль в жизни и деятельности человека. Так, ДВС широко используются в автомобильном транспорте: их устанавливают на автомашинах, мотоциклах, мопедах, грузовых автомобилях. Кроме автотранспорта, ДВС используют на железнодорожном транспорте, в лёгкой авиации, в бензопилах, газонокосилках, на различном сельскохозяйственном оборудовании, тракторах, комбайнах. Этот вид двигателей хорош своей сравнительно высокой мощностью при относительно небольших размерах.

И, наконец, перейдём к третьему типу тепловых двигателей, реактивных. Преимуществом РД перед паровыми и ДВС является высокий КПД, до 60%. Следовательно, РД целесообразно устанавливать на авиационном и космическом транспорте.

Для космического транспорта также используют реактивные двигатели. Они позволяют развить высокую скорость, чтобы многотонный космический корабль смог преодолеть гравитационные силы Земли и выйти на околоземную орбиту.

Таким образом, тепловые двигатели играют положительную роль в жизни и развитии человека, находят широкое применение в транспорте, торговле, выработке электроэнергии, исследовании космоса и планет.

III. ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ  РОЛЬ  ТЕПЛОВЫХ  МАШИН.

Открытием ТМ приходится на индустриальный период в истории взаимодействия общества и природы и является кульминацией техногенной эпохи. Этот период охватывает время с XVII до середины XX века. Для улучшения своего благосостояния человек изобретает не только машины. Качественно изменяется химическое воздействие человека на биосферу вследствие синтеза новых веществ, рассеивания загрязнений на огромные территории. Многократно превышается выработка тепла за счёт сжигания горючего.

Мы видим, что кроме положительного эффекта от использования ТМ проблема имеет и другую сторону.

Учёные, делая открытия, не задумывались об их последствиях для окружающей среды. На первых порах экосистемы биосферы, благодаря естественным процессам саморегуляции, в основном справлялись с этими воздействиями, но по мере возрастания масштабов и темпов производственной деятельности возможности восстановления экосистем оказались исчерпаны. Стали наблюдаться заметные изменения в биологических, химических, физических показателях биосферы.

Человек долго использовал двигатель внутреннего сгорания, не зная о его отрицательном воздействии на человека, животных, растения. Лишь в последнее время это отрицательное воздействие заметили и начали с ним бороться. Основными загрязнителями атмосферы являются машины, особенно грузовики.

Теперь конкретно рассмотрим их воздействие. Углекислый газ, угарный газ, оксиды серы, оксиды азота являются «парниковыми» газами, то есть вызывают парниковый эффект, выражающийся в повышении температуры у поверхности Земли. Его механизм заключается в образовании особого слоя в атмосфере, который отражает тепловые лучи, идущие от Земли, не давая им уходить в космическое пространство. Это может привести к таянию льда в полярных областях и, как следствие, к повышению уровня Мирового океана. Но надо сказать, что тепловой эффект почти компенсируется ледниковым эффектом. Последний вызывается слоем пылевых частиц, которые отражают тепловые лучи, идущие от Солнца, обратно в космос.

Свинец является тератогеном, вызывает у грудных детей нарушение ЦНС, костной системы, слуха, зрения – и в дальнейшем смерть. У взрослых он вызывает нарушение кровеносной системы.

Также ДВС поглощают кислород, уменьшая его концентрацию в атмосфере.

Мы провели анализ негативного воздействия ДВС на окружающую среду. Рассмотрим частный случай – автомобиль. Да, человек не мыслит сейчас своего существования без автотранспорта, но если посмотреть на это удобство с другой точки зрения, то количество выбрасываемых автомобилем продуктов сгорания заставляет ужаснуться. Один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы больше 4 тонн кислорода, выбрасывает с выхлопными газами около 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота, 200 кг различных углеводородов.

Сейчас мы предоставляем слово эксперту-экологу, с материалом по Талдомскому району

Я остановлюсь на экологической обстановке в Талдомском районе и посёлке Северный.

Автомобильный транспорт является одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды в Российской Федерации. Его доля в общем объёме выбросов в атмосферу составляет в среднем по стране 35-40%. В крупных городах эта цифра достигает 80-90%.

Моя группа занималась изучением загрязнения атмосферного воздуха от  автотранспорта. В процессе работы было выявлено:

1. Выброс вредных веществ в атмосферу составляет менее 0,04 т/га;
2. Выброс окислов азота в атмосферу составляет 0,002-0,005 т/га;
3. Выброс оксида углерода составляет 0,002-0,005 т/га;
4. Выброс сернистого ангидрида составляет менее 0,002 т/га;
5. По эколого геохимической карте можно судить об уровне сброса вод и содержании в них вредных веществ (умеренно напряжённая и напряжённая обстановка, напряжённая оценка по одной и двум природным средам);
6. Сброс сточных вод: аммонийный азот – 400-800 т/год, фосфаты – менее 150 т/год, нефтепродукты – менее 150 т/год, прочие – 800-900 т/год. Объём сбросов -40000-80000 тыс.куб.м/год.
7. Лесистость: доля площади земли лесного фонда от площади районов: 40-50%.

Отработанные газы двигателей внутреннего сгорания содержат более 200 наименований вредных веществ и соединений, в том числе таких, как оксиды углерода, оксиды азота, углеводороды, канцерогенные вещества, сажа и другие.

Мы пришли к выводу, что одной из главных причин загрязнения воздуха в нашем районе и посёлке являются автомобили. В нашем посёлке также наблюдается увеличение транспортных загрязнений окружающей среды. В настоящее время в посёлке эксплуатируются более 1тыс. единиц автотранспорта. Ежегодно парк автомобилей пополняется.

Учитель физики. Эксперты-экологи наглядно предоставили все отрицательные стороны использования ТМ.

А сейчас предоставляем слово экспертам-лаборантам, которые исследовали рост заболеваемости бронхиальной астмой, аллергическим бронхитом, кожными инфекциями от токсических выбросов транспорта. Слово эксперту-лаборанту_______________________

Обобщая выступления своих коллег, я хотел бы сказать, что автотранспорт, как один из основных источников загрязнения, оказывает влияние на воздух, почву и воду, что отражено на слайде.

Воздух загрязняют вредные вещества, содержащиеся в отработанных газах автомобилей, твёрдые частицы, поднимаемые с пылью колёсами автомашин. Воду загрязняют стоки с  автомоек, стоянок, гаражей, АЗС, автодорог, хлориды, используемые для борьбы с гололёдом в зимний период. Почву загрязняют промышленные отходы, содержащие нефтепродукты, сажевые частицы, образующиеся при истирании автошин на дорогах.

Параллельно с экспертами – экологами я выявил последствия воздействия загрязнений на здоровье человека.

Количество окислов азота, способных оказывать вредное воздействие на организм человека, составляет 0,15-0,2 мг/куб.м. Наиболее неблагополучными по заболеваниям бронхиальной астмой, аллергическим бронхитом среди всех улиц посёлка являются Зелёная, 8 Марта и Мира. На этих улицах заболеваемость дыхательных путей выше, чем на других, на 10%.

По кожным заболеваниям на первое место выходят Зелёная и 8 Марта. Они опережают по заболеваемости Лесную на 10-12%.

Учитель физики. А теперь познакомьте нас с вашими вычислениями содержания токсичных продуктов, выбрасываемых в атмосферу при работе автотранспорта.

В своём исследовании мы вычислили количество токсичных продуктов при работе транспорта, а наши коллеги охарактеризовали их действия на живые организмы и окружающую среду. Результаты нашей работы предоставлены на слайде №

Учитель физики. Так что же, нам теперь отказаться от всех достижений цивилизации и, вместо того чтобы ездить на автомобиле, опять ходить пешком?

Конечно же, нет, отрицательные последствия следует преодолевать, не отказываясь от технического прогресса вообще, а путём качественного изменения существующих технологий.

Мы живём в то время, когда уже человек осознал, что природе необходимо помочь, что состояние окружающей среды зависит от нас, от нашего отношения к ней.

Обратимся же к специалистам по решению экологических проблем. И предоставим слово одному из них_________________________________________________________________

Я, как эксперт по решению экологических проблем, сделал следующий вывод из всего сказанного на сегодняшней конференции.

Интенсивность дорожного движения везде огромна. Оно даёт такое загрязнение воздуха, что его не сравнить даже с выбросами промышленных объектов. Транспорт создаёт 45-50% всего загрязнения.

Итак, есть два способа уменьшения загрязнения воздуха дорожно-транспортными средствами:

1. Сократить количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу каждым автомобилем;
2. Использовать как можно больше те транспортные средства, которые потребляют меньше горючего и, следовательно, меньше загрязняют атмосферу.

Чтобы остановить загрязнение, необходим более строгий всесторонний контроль за дорожно-транспортными средствами.

Примером может служить следующее начинание:

с 1 января 1993 года все новые автомобили, предназначенные для продажи в страны Европейского Сообщества, должны быть снабжены каталитическими контактами. Это маленькое устройство устраняет большую часть углеводородов и окисей азота и углерода, вредных для организма человека. А как мы уже говорили, их присутствие в атмосфере в больших количествах создаёт парниковый эффект, что грозит глобальным потеплением на планете. Ещё одна проблема – свинец, добавляемый к бензину для большей эффективности работы двигателя. Он очень ядовит и опасен, особенно для организма маленьких детей.

Огромную помощь в борьбе с загрязнением воздуха могли бы оказать и сами владельцы автомобилей, если бы начали чаще пользоваться общественным транспортом или ездить с малой скоростью, ведь это уменьшит выброс токсичных соединений.

Учитель физики. Какими же транспортными средствами, на ваш взгляд, разумно пользоваться? Приглашаем второго эксперта по решению экологических проблем________________________________________________

В настоящее время, когда автомобиль с бензиновым двигателем стал одним из существенных факторов, приводящим к загрязнению окружающей среды, специалисты всё чаще обращаются к идее создания «чистого» автомобиля-электромобиля. В некоторых странах начинается их серийное производство.

В нашей стране производятся электромобили пяти марок. Электромобиль Ульяновского автозавода (УАЗ-451-МИ) отличается от остальных моделей системой электродвижения на переменном токе и встроенным зарядным устройством. Зарядное устройство снабжено преобразователем тока, допускающим применение лёгкого и низкооборотного тягового двигателя. Машины этой марки уже используются в Москве для доставки продуктов в магазины и школы.

В 1982 году в столице было создано первое хозяйство, в котором работали 25 электропогрузчиков. Этот год стал датой начала серийного выпуска электромобилей в стране.

В интересах защиты окружающей среды считается целесообразным постепенный перевод автотранспорта на электротягу, особенно в крупных городах. Предлагается, используя существующие типы источников тока, с эксплуатацию электромобили, могущие экономически и технически конкурировать с обычными автомобилями. Прогноз таков: если в 2000 году существовало 5% электромобилей от всего числа автомобилей, то в 2025-м ожидается рост их числа до 15%.

Слово третьему специалисту по решению экологических проблем________________________________________________

Как было сказано моими коллегами, основным источником загрязнения атмосферы являются выхлопные газы. Но эта проблема решаема, если ДВС заменить на электродвигатели, используемые в электромобилях.

Электродвигатели, преобразуя электрическую энергию в механическую, применяются в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту. Толчком для создания электродвигателей явилось изобретению шотландского священника Роберта Стирлинга в 1816 г. Его машина, которую он назвал «экономайзер», получила признание как надёжная паровая машина, которая никогда не взрывалась, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей в те времена.

Позже, в 1889 г., талантливым инженером Доливо - Добровольским был изобретён асинхронный двигатель.

Эти машины, пройдя испытания временем, используются и в наши дни. Так, асинхронный двигатель необходим для привода различных станков, насосно-компрессорных, кузнечно - прессовых, подъёмно-транспортных и других механизмов. А двигатель Стирлинга сегодня используют на атомных подъёмных лодках, так как высокий КПД и надёжность делают  его идеальным для преобразования тепловой энергии, вырабатываемой атомным реактором, в электрическую.

Итак, мы видим, что без ДВС можно обойтись, заменив их на электродвигатели. А как же быть с транспортом? И здесь выход есть. В качестве индивидуального транспорта использовать велосипед. Конечно, автомобиль гораздо комфортнее и удобнее, но представьте, что вам придётся выбирать между велосипедом и тем вредом, который причиняется нашему здоровью выхлопными газами. Я думаю, что большинство выберет велосипед.

Эксперт по решению экологических проблем - Как же улучшить местную экологическую ситуацию?

Ежегодно от экологического иммунодефицита умирают более 250 тысяч россиян, сотни тысяч заболевают. Причина – в непосредственном воздействии токсикантов, аллергенов, мутагенов при неблагоприятной экологической обстановке.

Я, как эксперт, хочу затронуть следующие проблемы.

1. Загрязнение почв и причины этого:

• Металлы и их соединения;
• Удобрения и ядохимикаты;
• Эрозия почт.

      Необходимо применять следующие комплексные меры: почвозащитные севообороты, вспашка поперёк склона, выравнивание колеи, применение удобрений, клейких веществ, удерживающих частицы почвы.

2. Отрицательное влияние человеческой деятельности на животный мир планеты:

• Разрушение мест обитания;
• Вытеснение и уничтожение отдельных видов;
• Загрязнение территорий токсичными веществами.

     Возможно следующее решение проблемы: создание охраняемых территорий, в которых бы сохранялись и восстанавливались исчезающие виды животных.

3. Загрязнение водоёмов, причины этого:

• Металлы: ртуть, свинец, кадмий;
• Хлорорганические и фосфорорганические соединения;
• Поверхностно-активные вещества;
• Нефть.

4. Влияние загрязнений окружающей среды на организм человека. Попадая в организм человека, соединения металлов вызывают тяжёлые заболевания:

• Ионы ртути вступают в соединение с группами белков и прочно удерживаются в организме. Ртуть вызывает расстройства ЦНС, такие как паралич, нарушение слуха, зрения;
• Кадмий вызывает различные формы рака, хрупкость и ломкость костей, поражение почек;
• Свинец отравляет клетки мозга, угнетает функции нервной системы, снимает быстроту реакций.

Необходимо принимать меры по улучшению экологической обстановки в посёлке. Я предлагаю несколько путей выхода из этой ситуации.

1. Озеленение посёлка. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород.
2. Уничтожение пустырей, что способствует уменьшению выветривания почв, а следовательно, содержание пыли в воздухе уменьшается.
3. Проводить техосмотр автомобилей 2 раза в год, так как от состояния двигателя зависит количество вредных веществ, выбрасываемых автомобилем в атмосферу.
4. Сделать более доступным ремонт автомобилей.
5. Ужесточить санкции по отношению к нарушителям.

Нашей задачей было проанализировать сложившуюся экологическую ситуацию. И работа была проведена огромная.

Наша конференция подходит к концу. Главный вывод: каждый человек в ответе за состояние земной природы перед будущим!

Если не думать о последствиях своей деятельности, можно нанести природе невосполнимый ущерб, а то и погубить её, а значит и жизнь на Земле. В вопросе, который мы сегодня обсуждали, не поставлена точка, мы только начали об этом говорить. Раз мы это сделали – человечеству жить.

Писатель Анатоль Франс сказал: «Разум, если даже его притесняют, пренебрегают им, в конечном счёте, всегда одерживает верх, ибо жить без него невозможно».

Так будем же жить честно, и с честью выполним возложенные на нас обязанности по охране окружающей среды. Ибо мы существа разумные.