В чем польза теплового двигателя
Сложно себе представить современный мир без достижений науки и техники. Прогресс достиг небывалых высот. Особое место в развитии человечества занимает создание теплового двигателя. Вместе с ним человечество вошло в новую эпоху, в эпоху машин и электричества. Зародившись еще в XVIII веке, он и по сей день имеет огромное значение для нас.
Конечно, за это время наука шагнула вперед. Были изобретены новые разновидности двигателей, усовершенствованы старые, но основные принципы, применяющиеся в конструкции, остались неизменными. Существует множество разновидностей тепловых машин. Несмотря на это, можно выделить общие особенности работы, характерные для всех типов.
Движение создается за счет нагревание газов или жидкостей, что приводит к изменению их объема. Расширяясь или сужаясь, продукты теплового воздействия осуществляют давление на поршень или турбину, которые таким образом приводятся в движение.
Разновидностей тепловых двигателей
Двигатели внешнего сгорания:
- Двигатель Стерлинга. Основной принцип заключается в процессе нагревания и охлаждения вещества в замкнутом пространстве при помощи внешних источников тепла.
- Паровые машины. Используется сила давления пара, образующегося при нагревании воды. При этом камера для сгорания топлива находится отдельно от рабочей камеры.
Двигатели внутреннего сгорания:
- Поршневой. Способом получения механической энергии является процесс сгорания топлива внутри рабочей камеры. В результате этого приводятся в движение поршни. Основное место применения – современные автомобили.
- Роторный. В отличие от поршневого двигателя воздействие оказывается на ротор. Применяется в конструкции электростанций, а также в некоторых автомобилях.
- Реактивный двигатель. Используется принцип тяги, возникающий при выбросе отработанных газов в процессе сгорания топлива. Применяется в ракетостроении.
Тепловые двигатели имеют как преимущества, так и недостатки.
Преимущества использования тепловых двигателей
- Простота. Работа тепловых механизмов основана на простых и понятных принципах. Используются физические явления, с которыми человек сталкивается в повседневной жизни: процессы охлаждения и нагревания жидкостей, газов, что приводит к уменьшению или увеличению их объема. Как известно, чем проще механизм, тем он надежней, и, что немаловажно, его легче ремонтировать.
- Автономность. Одним из наиважнейших преимуществ является автономность. При помощи транспортных средств человек может не ограничивать себя в передвижении. Это возможно благодаря тому, что двигатель может быть установлен на любой платформе. Он самодостаточен и не требует постоянной связи с какими-либо дополнительными источниками энергии.
- Эффективность. На сегодняшний день это одна из самых эффективных разновидностей двигателей. Поэтому применение очень обширно: начиная с газонокосилки или бензопилы, и заканчивая современными автомобилями, электростанциями, космическими ракетами.
- Источник энергии. Тепловые машины используются в качестве источника электроэнергии. Это могут быть как маленькие генераторы, обеспечивающие электричеством отдельно взятый дом, так и большие электростанции, которые снабжают целые города. Поэтому можно сказать, что другие типы двигателей, например электродвигатели, в какой-то степени зависят от тепловых.
- Компактность. Благодаря высокой эффективности тепловые двигатели, при относительно небольших габаритах, обладают хорошими характеристиками. Это также послужило причиной их широкого распространения во всех сферах человеческой жизни.
Недостатки тепловых двигателей
Помимо плюсов тепловые машины имеют и недостатки.
Низкий КПД
Конструкция двигателей такого типа предполагает использование внутренней энергии топлива. Часть этой энергии переходит в механическое действие, то есть совершает полезную работу. Но большая часть расходуется впустую.
Отношение энергии потраченной в пустую к энергии совершающей полезную работу и называют коэффициентом полезного действия.
Постоянно ведущиеся разработки позволяют улучшать этот коэффициент. Однако до сих пор нет возможности преодолеть даже порог в 50%. Это значит, что более половины энергии, затраченной на функционирование двигателя, не совершает полезной работы.
Это приводит к тому, что топливо не может расходоваться максимально эффективно.
Загрязнение окружающей среды
Одним из самых больших недостатков в настоящее время является загрязнение окружающей среды. В процессе горения выделяются вредные вещества: азот, сера. Вместе с ними в атмосферу попадают и другие вредные вещества, а также металлы, которые добавляются в топливо, чтобы улучшить его качество.
Стоит обратить внимание и на то, что происходит выделение большого количества тепла. Это сильно влияет на изменение климата планеты. Такие изменения принято называть глобальным потеплением. К сожалению, глобальное потепление может грозить тяжелыми последствиями для экологии.
Немаловажно и то, что для своего функционирования двигатели поглощают большие объемы кислорода, взамен возвращая углекислый газ.
Если учесть, насколько тепловые машины распространены в мире, становится понятно как велико их негативное влияние на глобальную экологическую обстановку.
Для сохранения экологии начинают приниматься меры по ограничению применения тепловых двигателей. Например, в некоторых странах ограничивается использование автомобилей на определенных территориях. Ужесточаются требования к уровню экологического загрязнения теми или иными двигателями.
Вывод
В наши дни огромные усилия тратятся на то, чтобы улучшить положительные моменты и уменьшить негативное влияние тепловых машин. Несмотря на несовершенство конструкции, они по сей день остаются незаменимыми для нас, и останутся такими еще на долгое время.
Источник
МБОУ СОШ №6,
Проектно-исследовательская работа
«Роль тепловых машин в жизни человека»
Работу выполнили: Филатова Анна, учащаяся 8 «А»
Руководитель: Неронова Лада Николаевна,
учитель физики
г.Сасово Рязанской области
Оглавление.
1.Обоснование …………………………………………………………..………….3
2.Цель проекта ……………………………………………………………………..3
3. Задачи проекта…………………………………………………………………..3
4.Научная гипотеза…………………………………………………………………3
5.Проблемный вопрос………………………………………………………………3
6.Введение……………………………………………………………………………4
7.Основная часть……………………………………………………………………4
7.1.Исторический обзор ……………….…………..…………………………….…4
7.2.Принцип работы ….……………………………………………………………10
8.Роль тепловых машин ……………………………………………………….14
8.1.Плюсы …………………………………………………………………………..14
8.2.Минусы …………………………………………..…………………………….15
9. Наблюдения………………..………………………………………………………18
10. Рекомендации …………………………………………………………………19
11. Заключение………………………………………………………………………24
12. Литература …………………………………………………………………….25
13. Приложения………………………………………………………………………..26-28
1. Обоснование выбора Человечество, к счастью, не способно вручную испачкать атмосферу, набросать на всю поверхность бытовым мусором. Однако, достижения научно-технического прогресса несут для нас не только «плюсы», но и много «минусов». Именно поэтому тема загрязнения окружающей среды из-за использования тепловых двигателей и машин заинтересовала меня.
2. Цель проекта
Изучить роль тепловых машин в нашей жизни и попробовать наметить выход из непростой экологической ситуации, которая во многом связана с ними..
3.Задачи проекта.
- Изучить историю создания ДВС и их принцип работы.
- Установить связь загрязнения воздуха с загруженностью автодорог.
- Рассчитать количество вредных продуктов работы тепловых машин.
- Выяснить, как уменьшить вредное влияние использования тепловых машин на жизнь и деятельность человека на Земле.
4.Научная гипотеза.
В ходе работы множества тепловых машин возникают выхлопы тепла, которые, приводят к нагреванию самой атмосферы. Это может привести к более интенсивному таянию ледников и фатальному для человечества повышению уровня Мирового океана. Работа тепловых машин и ДВС способствует тому, что в атмосферу выбрасываются вредные для живых и растительных организмов продукты сгорания топлива.
5.Проблемный вопрос.
Если выхлопы токсинов – это неизбежность в работе автотранспорта то, можно ли и как их уменьшить?
6.Введение.
Современная жизнь человека невозможна без использования самых разнообразных машин, облегчающих его жизнь. С помощью машин человек обрабатывает землю, добывает нефть, руду, прочие полезные ископаемые, передвигается и т.д. Машины выгодны тем, что способны совершать большую полезную работу.
Машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, в результате чего нагреватель получает достаточно высокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использования внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. В настоящее время довольно широко распространены также тепловые машины, использующие теплоту, выделяющуюся в реакторе, где происходит расщепление атомных ядер.
7. Основная часть.
7.1. Исторический обзор
История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Первый универсальный тепловой двигатель был создан в 1764 г. в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае И. И. Ползуновым. Он первым понял, что можно заставить паровую машину приводить в движение не только насос, но и кузнечные мехи. Рабочие органы его машины передавали движение валу отбора мощности. Это качество придавало машине Ползунова свойство универсальности.
С того времени тепловые двигатели многократно модифицировались.
Паровые машины
История паровых машин начинается лишь в 17 веке. Одним из первых, кто создал действующий прообраз паровой машины, был Дени Папен. Паровая машина Папена, была фактически лишь набросками, моделью. Он так и не сумел создать настоящую паровую машину, которая могла бы использоваться на производстве. Все его идеи нашли применение в следующем поколении паровых машин.
В 1698 году, Англичанин Томас Севери, получил первый патент на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня…». Описание патента очень расплывчато, а на самом деле тогда был создан первый паровой насос, который мог только поднимать воду. При этом КПД насоса был крайне низким. Поэтому основное применение насос получил на угольных шахтах. Им откачивали грунтовые воды.
В 1712 году была создана паровая машина Томаса Ньюкомена. Она вобрала в себя лучшие идеи из паровой машины Папена и парового насоса Севери. Главные недостатки, паровой машины Ньюкомена заключались в ее огромных размерах и очень большом потреблении угля. Попытки применить ее для пароходов не увенчались успехом.
В 1773 году, Уатт, строит свою первую действующую паровую машину. А в 1774 году, совместно с промышленником Метью Болтоном, Уатт открывает компанию по производству паровых машин.
В 1884 году, Уатт создает первую универсальную паровую машину. Ее основное назначение – привод промышленных станков. С этого момента, паровая машина перестает быть привязана к угольным шахтам..
Паровая машина Уатта стала основанием технологического прорыва в технике. Началась эпоха паровых машин.
Реактивный двигатель
В 20-м столетии стало возможным претворить на практике мечты многих изобретателей об использовании реактивной силы в качестве движущей силы для летательных аппаратов, хотя о самом реактивном движении знали ещё более 2000 лет назад.
Кто был первым создателем авиационного реактивного двигателя? На этот вопрос невозможно получить однозначный ответ.
К началу второй мировой войны, в 1939 г., наибольший прогресс в развитии реактивных двигателей был, достигнут в Англии и Германии, абсолютно независимо друг от друга.
Кроме Германии и Англии, следует отметить еще ряд стран, где проведены подобные работы: в Швеции, во Франции, в Венгрии, в США и Советском Союзе.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
Первый двигатель изобрёл в 1860 году французский механик Этьен Ленуар (1822-1900). Рабочим топливом в его двигателе служила смесь метана, водорода и воздуха. Устройство походило на устройство будущих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндром с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл.
Однако, у этого двигателя коэффициент полезного действия составлял всего 0.04, т.е. всего 4% теплоты сгоревшей смеси газов тратилось на полезную работу, а 96% уходили с отработанными газами.
В 1862 г. француз Альфонс Бо Де Роша (1815-1891) предложил идею четырёхтактного двигателя: обязательным моментом работы последнего становилось сжатие рабочей смеси газа с воздухом. Но сам он осуществить свою идею не сумел. Такой двигатель создал в 1876 г. служащий из Кёльна (Германия) Николаус Август Отто (1832-1891). КПД его двигателя уже был выше (хоть и немного).
В 1883г. Даймлер предложил конструкцию двигателя, который мог работать и на газе, и на бензине; все последующие автомобильные двигатели Даймлера были рассчитаны только на жидкое топливо. Первая самоходная коляска Бенца с бензиновым мотором была трехколесной. Даймлур начинал с двухколёсного «моторного велосипеда».
7.2.Принцип работы.
Паровые машины
Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.
Первый такт
Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз. Во время движения поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.
Выпуск
В самом конце движения поршня к НМТ клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.
Второй такт
В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.
Выпуск
В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все тоже выпускное окно.
Цикл повторяется заново.
*ВМТ – верхняя мёртвая точка;
НМТ – нижняя мёртвая точка.
Реактивный двигатель
Ракетные двигатели имеют довольно простой принцип работы.
Для того чтобы работать в условиях космоса, ракетные двигатели должны иметь собственный запас кислорода для обеспечения сжигания топлива. Топливно-воздушная смесь впрыскивается в камеру сгорания, где происходит ее постоянное сжигание. Образующийся во время сгорания газ под очень большим давлением высвобождается наружу через сопло, создавая реактивную силу и заставляя ракетный двигатель, а вместе с ним и ракету двигаться в противоположном направлении.
Двигатель внутреннего сгорания
Основы устройства поршневого ДВС
Итак, четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемещается поршень. Поршень через шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал представляют собой кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами. Перемещение поршня ограничивается ВМТ и НМТ. Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня
Принцип работы
Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
8.Роль тепловых машин ТМ.
8.1. «Плюсы»
Паровые двигатели имели огромное значение до середины прошлого века, т.к. использовались на железной дороге.
Сегодня там большее распространение получили дизельные двигатели. Они широко используются в автомобильном транспорте: их устанавливают на автомашинах, мотоциклах, мопедах, грузовых автомобилях. Кроме того их используют на железнодорожном транспорте, в легкой авиации, в сельском хозяйстве. Эти двигатели имеют большую мощность при довольно небольших размерах. Именно паровые турбины приводят в движение роторы генераторов электрического тока.
КПД ракетных двигателей достигает 60 %. Это значит, что их целесообразно использовать на авиационном и космическом транспорте.
Итак, тепловые двигатели широко используются в транспортной, сельскохозяйственной, промышленной и космической сферах деятельности человека.
8.2. «Минусы»
Мы очень долго используем тепловые машины и почти столько же времени не думали о наносимом вреде окружающей среде нашей планеты.
Каковы же конкретные «минусы» использования тепловых устройств?
— Продукты сгорания вызывают парниковый эффект (однако отметим, что тепловой эффект во многом компенсируется ледниковым эффектом.
— Выхлопные газы являются мутагенами, образуют с туманом или дождем смог и кислотные дожди (у человека они вызывают поражения кожи и органов дыхания; продолжительность жизни животных и растений уменьшается).
— Соединения азота с кислородом ускоряют разрушение озонового слоя.
— ДВС поглощают кислород прямо из атмосферы.
9. Проведение наблюдений.
Зная о том, что самая большая часть вреда для окружающей среды исходит от автомобиле, я задумалась: сколько вреда приносит дорожный транспорт нашему городу? В Сасово не самый мощный поток машин в нашей стране. Определив загазованность выхлопными газами у нас, путём несложных математических вычислений можно сделать выводы и о стране, и о Земле в целом. Я провела исследование и вычислила количество токсичных продуктов, образующихся при работе автотранспорта в трёх точках г.Сасово.
Используя методики, описанные в печатном издании (см. Приложения № 1), я подсчитала общую массу выделившихся токсичных продуктов. Результаты исследований оформила в виде таблиц (см таблица 1, 2, 3) и диаграммы (см. Приложение № 3) Мы вели подсчет на трех участках (карта см. Приложение № 2, (а, б, в)) с.26 – 28.
таблица 1. Количество токсичных веществ на 1-ом участке (светофор у МКЦ)
Машины | t,мин | n | k | m(CO) г/мин | m(CO2) г/мин | m(NO2) г/мин | m(сажи ) г/мин | М,г |
Легковые | 10 | 93 | 3 | 0,035 | 0,217 | 0,002 | 0,04 | 820,3 |
Грузовые | 10 | 2 | 3 | 0,017 | 0,2 | 0,001 | 1,1 | 79,08 |
Автобусы | 10 | 6 | 3 | 0,017 | 0,2 | 0,001 | 1,1 | 237,2 |
таблица 2. Количество токсичных веществ на 2-ом участке (светофор на перекрёстке ул.Революции и пр.Свободы)
Машины | t,мин | n | k | m(CO) г/мин | m(CO2) г/мин | m(NO2) г/мин | m(сажи ) г/мин | М,г |
Легковые | 10 | 88 | 3 | 0,035 | 0,217 | 0,002 | 0,04 | 776,2 |
Грузовые | 10 | 1 | 3 | 0,017 | 0,2 | 0,001 | 1,1 | 39,54 |
Автобусы | 10 | 4 | 3 | 0,017 | 0,2 | 0,001 | 1,1 | 158,2 |
таблица 3. Количество токсичных веществ на 3-ем участке (пешеходный переход у торгового центра №26)
Машины | t,мин | n | k | m(CO) г/мин | m(CO2) г/мин | m(NO2) г/мин | m(сажи ) г/мин | М,г |
Легковые | 10 | 93 | 3 | 0,035 | 0,217 | 0,002 | 0,04 | 837,9 |
Грузовые | 10 | 2 | 3 | 0,017 | 0,2 | 0,001 | 1,1 | 118,6 |
Автобусы | 10 | 6 | 3 | 0,017 | 0,2 | 0,001 | 1,1 | 237,2 |
Используя полученные данные, подсчитала массу выделившихся токсичных продуктов на каждом участке:
1)M1=820,3г+79,08г+237,2г=1136,58г
2)M2=776,22г+39,54г+58,2г=937,94г
3)M3=837,9г+1188,6г+237,2г=1193,7г
Вычислила общую массу вредных продуктов сгорания на трёх участках:
Мобщ=1136,58г+937,94г+1193,7г=3304,22г
Таким образом, за 10 минут в окружающую среду выделяется около 3кг токсичных продуктов. Нетрудно подсчитать, что в сутки выбрасывается около 432кг, а в год до 105кг.
И это только на трех оживлённых точках города Сасово, а в мире таких участков очень много…
Нужно задуматься, ведь или люди сделают так, чтобы в воздухе было меньше дыма, или дым сделает так, что на Земле станет меньше нас.
10.Рекомендации.
45-50 % всего загрязнения даёт эксплуатация транспорта.
На современном этапе просматривается два способа уменьшения риска уничтожения атмосферы Земли.
— сократить количество вредных выбросов от каждого авто.
— использовать как можно больше такой вид транспорта, в котором потребляется меньше горючего.
Нужен строгий контроль за дорожно-транспортными средствами.
Ещё одной проблемой является свинец в бензине.
Доказано, что токсичные выбросы двигателя наиболее опасны в первые 5 минут работы (двигатель в это время ещё холодный).
Многое зависит и от владельцев машин. Однако, как показывают различные социологические опросы, именно они не готовы использовать менее мощные автомобили, ездить более медленно и т.п. Нужна отлаженная система работы общественного транспорта.
Сейчас постепенно становятся популярными электромобили – отличный способ уменьшить число машин с тепловыми двигателями на дорогах.
Приблизительный прогноз может быть таков: если в 2010 году существовало 7,5 % электромобилей от общего числа машин на дорогах, то в 2025-м можно ожидать рост их числа до 15%. Это не очень большие числа, но уже более заметный вклад в защиту окружающей среды.
Видно, что без тепловых двигателей обойтись можно, но для этого потребуется довольно много времени. В качестве общественного транспорта экологически чистыми являются троллейбусы и трамваи. Самым здоровьесберегающим видом личного транспорта, конечно, является велосипед.
Аллергены, токсины и мутагены в выхлопах вызывают иммунодефицит разной степени тяжести у человека.
Что же нужно сделать, что бы наш родной город стал чистым и красивым?
1. Интенсивное озеленение города.
2. Уничтожение пустырей, что ведёт к уменьшению выветривания почв, а следовательно, содержание пыли в воздухе уменьшается.
3. Проводить регулярный техосмотр автомобилей (желательно 2 раза в год)
4. Повысить качество работы авторемонтных мастерских и станций.
5. Ужесточить санкции по отношению к нарушителям.
11. Заключение. Из своей работы я сделала вывод, что с изобретением тепловых двигателей не только стал прогрессивнее, но и, к сожалению, стал наносить природе больший вред. Мы являемся частью природы, поэтому просто обязаны заботиться о ней. Нельзя бездумно использовать имеющиеся ресурсы и не задумываться о нежелательных последствиях.
12. Литература:
Печатные издания:
1. «Физика: Нестандартные занятия, внеурочные мероприятия. 7 – 11 классы.» Материалы курсов повышения квалификации в г.Рязани, 2014 год.
2) «Элективный курс по физике», — Изд. испр., М., «Просвещение»; О.Ф.Кабардин, С.И.Кабардина, Н.И.Шефер
3) «Физика, 10 класс», учебник для общеобразовательных организаций; углубленный уровень – М., «Просвещение»; О.Кабардин, В.Орлов, Э.Эвенчик и др.; 2017 год
Электронные издания:
— https://dvpt.narod.ru/russian/history/index04/
— https://infourok.ru/issledovatelskaya_rabota_istoriya_razvitiya_teplovyh_dvigateley-346543.htm
— https://studfiles.net/preview/2383541/page:63/
— https://fb.ru/article/302266/teplovyie-dvigateli-printsip-deystviya-ustroystvo-shema
Приложение № 1
Вычисление содержания в воздухе токсичных продуктов, образующихся при работе транспорта. (На одном светофоре/переходе)
Ход работы:
1. Выбираем участок дороги, на котором установлен светофор или находится оживлённый пешеходный переход
2. Определяем количество единиц автотранспорта, останавливающихся у светофора за 600 секунд (10 минут), считая отдельно легковые, грузовые автомобили, автобусы (маршрутные автобусы).
3. Заполняем таблицу и делаем расчёты.
Например,
Машины | t,мин | n | k | m(CO) г/мин | m(CO2) г/мин | m(NO2) г/мин | m(сажи ) г/мин | М,г |
Легковые | 10 | 193 | 3 | 0,035 | 0,217 | 0,002 | 0,04 | 1702 |
Грузовые | 10 | 9 | 3 | 0,017 | 0,2 | 0,001 | 1,1 | 356 |
Автобусы | 10 | 6 | 3 | 0,017 | 0,2 | 0,001 | 1,1 | 237 |
Подсчитаем общую массу выделившихся токсичных продуктов:
M=tnk(m(CO) г/мин +m(CO2) г/мин +m(NO2) г/мин +m(сажи) г/мин,
где
n – количество машин, остановившихся у светофора (на переходе);
k – максимальное число переключений.
Приложение № 2 (а)
Приложение № 2 (б)
Приложение № 2 (в)
Приложение № 3
Источник