Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Проблемы охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов, энергетического кризиса, стали исключительно актуальны. В природных процессах наблюдаются опасные изменения, угрожающие устойчивости биосферы и нормальному развитию человеческого общества. Воздействие человека на природу приобрело глобальный характер и продолжает возрастать. Около 20 % территорий России испытывают острые и очень острые экологические ситуации. Экологические проблемы в России и в мире достигли такой остроты, что не повлияй на них сейчас, они способны привести человечество к гибели. В этих условиях экологическое воспитание, формирование экологической культуры и нового мышления, ориентированного на изменение путей и методов развития цивилизации, стало необходимым фактором выживания.

Вы уже знаете о суперспособностях современного учителя?

Тратить минимум сил на подготовку и проведение уроков.

Быстро и объективно проверять знания учащихся.

Сделать изучение нового материала максимально понятным.

Избавить себя от подбора заданий и их проверки после уроков.

Наладить дисциплину на своих уроках.

Получить возможность работать творчески.

=> ПОЛУЧИТЬ СУПЕРСПОСОБНОСТИ УЧИТЕЛЯ <=

Просмотр содержимого документа
«Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. »

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Подготовил: студент группы ОПУ-141

Корнатовская Ольга

Под руководством: преподавателя физики

Барсукова Юлия Николаевна

г. Кемерово 2015 г.

Работа, совершаемая двигателем. Совершение механической работы в современных машинах и механизмах в основном происходит за счет внутренней энергии веществ. Примером такого механизма может служить тепловой двигатель.

Тепловой двигатель — устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Невозможно представить себе современную цивилизацию без тепловых двигателей.

Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего вещества, перемещающего поршень в цилиндре. Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо возвращение поршня в первоначальное положение, г. е. сжатие рабочего вещества. Легко сжимаемым является вещество в газообразном состоянии, поэтому в качестве рабочего вещества в тепловых двигателях используется газ или пар. Работа теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов расширения и жития газа. Сжатие газа не может быть самопроизвольным, оно происходит только под действием и внешней силы, например за счет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа.

Полная механическая работа А складывается из работы расширения газа А_расш и работы А_сж, совершаемой силами давления газа при его сжатии. Так как при сжатии ΔV 0, то А_сж = - 0, поэтому -

Для получения положительной полной механической работы (А 0) необходимо, чтобы работа сжатия газа была меньше работы расширения.

Тогда

Изменение объема ΔV газа при расширении и сжатии должно быть одинаковым из-за цикличности работы двигателя. Следовательно, давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расширении. При одном и том же объеме давление газа тем меньше, чем ниже его температура, поэтому перед сжатием газ должен быть охлажден, т. е. приведен в контакт с холодильником — телом, имеющий более низкую температуру. Для получения механической работы в тепловом двигателе при циклическом процессе расширение газа должно происходить при более высокой температуре, чем сжатие.

Необходимое условие для циклического получения механической работы в тепловом двигателе — наличие нагревателя и холодильника.

КПД замкнутого цикла. Для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл должен быть замкнутым.

Замкнутый процесс (цикл) — совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние.

Замкнутые (круговые) процессы используются при работе всех тепловых машин: двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, холодильных машин. Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую работу, совершаемую за цикл, вводится коэффициент полезного действия.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД) — отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: В циклическом тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу все количество теплоты Q₁, получаемое от нагревателя. Некоторое количество теплоты |Q₂| отдается холодильнику, поэтому работа, совершаемая двигателем за цикл, не может быть больше

Учитывая полученное равенство, выражение для КПД можно записать в виде Используя данное соотношение, можно найти максимальное значение КПД тепловых двигателей, соответствующее циклу Карно.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда меньше единицы.

Круговой цикл не реализуется при отсутствии холодильника, т. е. при Q₂ = 0.

Цикл Карно. Французский инженер Сади Карно, выясняя, при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Выбор именно этих процессов обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, а значит, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно — самый эффективный (из всех возможных) цикл, имеющий максимальный КПД.

Рассмотрим последовательно термодинамические процессы этого цикла (рис. 1). В процессе изотермического расширения (1—2) при температуре Т₁ работа совершается за счет изменения внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подведения к газу количества теплоты Q₁:

A₁₂ = Q₁.

Охлаждение газа (перед сжатием 3—4) происходит при адиабатном расширении 2—3. Все изменение внутренней энергии ΔU₂₃ при таком процессе (Q = 0) преобразуется в механическую работу:

A₂₃ = -ΔU₂₃.

Температура газа в результате адиабатного расширения 2—3 понижается до температуры холодильника Т₂ ₁. В процессе 3—4 газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты Q₂:

A₃₄ = A_СЖ =Q₂.

Цикл завершается процессом адиабатного сжатия 4—1 (Q = 0), при котором газ нагревается до температуры T₁.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. Тепловые двигатели — необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии. Без тепловых двигателей невозможно представить современный транспорт. В то же время повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду.

Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное (ИК) излучение поверхности Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере, увеличивая поглощение ИК-излучения, приводит к повышению ее температуры (парниковый эффект). Ежегодно температура атмосферы Земли повышается на 0,05 °С. Этот эффект может создать угрозу таяния ледников и катастрофическое повышение уровня Мирового океана.

Продукты сгорания топлива существенно загрязняют окружающую среду. Углеводороды, вступая в реакцию с озоном, находящимся в атмосфере, образуют химические соединения, неблагоприятно воздействующие на жизнедеятельность растений, животных и человека.

Потребление кислорода при горении топлива уменьшает его содержание в атмосфере.

Для охраны окружающей среды широко используют очистные сооружения, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, резко ограничивают использование соединений тяжелых металлов, добавляемых в топливо, разрабатывают двигатели, использующие водород в качестве горючего (выхлопные газы состоят из безвредных паров воды), создают электромобили и автомобили, использующие солнечную энергию.