"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Тепловые машины превращают внутреннюю энергию топлива в механическую работу или электрическую энергию, но их использование связано с воздействием на природу. При сгорании топлива образуются углекислый газ и другие загрязняющие вещества, а часть теплоты рассеивается в окружающей среде. Это приводит к загрязнению атмосферы, усилению парникового эффекта, кислотным дождям и нагреву водоёмов. Снизить ущерб помогают высокий КПД, экономия топлива, очистка выбросов и чистые источники энергии.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вредные выбросы — газообразные и твёрдые продукты сгорания топлива, поступающие в атмосферу и ухудшающие состояние окружающей среды. К ним относятся углекислый газ, оксиды азота, соединения серы, сажа и другие примеси. Понятие помогает оценивать, какие вещества образуются при работе двигателя или электростанции.
Парниковый эффект — повышение температуры атмосферы из-за поглощения теплового излучения парниковыми газами. К таким газам относится и углекислый газ CO₂. Это понятие нужно, чтобы объяснить связь между выбросами топлива и изменениями климата.
Кислотные дожди — атмосферные осадки с повышенной кислотностью, возникающие из-за соединений серы и азота в выбросах. В атмосфере эти вещества превращаются в кислоты, которые попадают на почву, растения и водоёмы. Термин показывает, как загрязнение воздуха воздействует на другие природные среды.
Тепловое загрязнение — нагрев воздуха и водоёмов отработавшими газами и сбрасываемой теплотой. Изменение температуры воды нарушает условия жизни организмов и уменьшает содержание растворённого кислорода. Поэтому при оценке машины учитывают не только состав выбросов, но и отвод лишней энергии.
При сжигании топлива углерод соединяется с кислородом и образует углекислый газ, а примеси топлива дают соединения серы. При высокой температуре в двигателе или топке реагируют также азот и кислород воздуха, поэтому возникают оксиды азота. Неполное сгорание приводит к появлению угарного газа, сажи и несгоревших частиц. Так использование химической энергии топлива становится источником загрязнения атмосферы.
Углекислый газ пропускает значительную часть солнечного излучения к поверхности Земли, но поглощает часть теплового излучения, уходящего обратно в космос. Затем энергия переизлучается, в том числе к поверхности, поэтому средняя температура системы растёт. При увеличении концентрации CO₂ этот процесс усиливается и может менять климат, режим осадков и частоту природных явлений. Сам парниковый эффект естественен, но его усиление из-за деятельности человека создаёт проблему.
Оксиды серы и азота вступают в реакции с водяным паром и кислородом воздуха. В результате образуются растворы серной, сернистой и азотной кислот, которые переносятся облаками. Выпадающие осадки становятся более кислыми и повреждают листья, почву, леса, водоёмы и сооружения. Значит, загрязняющие вещества могут воздействовать далеко от места работы тепловой машины.
Тепловая машина не превращает всю энергию топлива в полезную работу: часть энергии отводится с выхлопом, охлаждающей водой или через поверхность установки. Если нагретая вода поступает в водоём, его температура повышается. В тёплой воде хуже растворяется кислород, ускоряются некоторые химические процессы и меняются условия размножения организмов. Поэтому даже без токсичных примесей чрезмерный сброс теплоты вызывает тепловое загрязнение.
Повышение КПД означает, что для получения одной и той же полезной энергии требуется меньше топлива. Следовательно, уменьшаются объёмы добычи и перевозки топлива, масса продуктов сгорания и количество лишней теплоты. Фильтры, каталитические нейтрализаторы и установки очистки задерживают или преобразуют опасные примеси. Переход к более чистому топливу, возобновляемым источникам и энергосбережение дополнительно сокращают экологический ущерб.
| Вид воздействия | Причина | Последствия | Основные меры защиты |
|---|---|---|---|
| Загрязнение атмосферы вредными веществами | Сгорание топлива, неполное сгорание, примеси в топливе | Ухудшение качества воздуха, вред здоровью и живым организмам | Очистка газов, исправная настройка машин, более чистое топливо |
| Парниковый эффект | Рост концентрации CO₂ и других парниковых газов | Изменение климата и повышение средней температуры | Экономия топлива, повышение КПД, возобновляемая энергетика |
| Кислотные дожди | Выбросы оксидов серы и азота | Повреждение лесов, почв, водоёмов и сооружений | Удаление серы, фильтрация и нейтрализация выбросов |
| Тепловое загрязнение водоёмов | Сброс нагретой охлаждающей воды и лишней теплоты | Нарушение температурного режима и уменьшение содержания кислорода | Охладители, замкнутые системы циркуляции, повторное использование теплоты |
| Расход невозобновляемого топлива | Добыча и сжигание запасов угля, нефти или газа | Истощение ресурсов и дополнительное загрязнение при добыче | Энергосбережение, высокий КПД, использование возобновляемых источников |
Сначала по таблице определяют вид воздействия, затем находят его причину и последствия. Последний столбец показывает, какие меры действуют непосредственно против этого воздействия. Одно решение может уменьшать сразу несколько проблем: например, высокий КПД сокращает и расход топлива, и выбросы.
Автомобиль израсходовал 10 кг бензина, удельная теплота сгорания которого равна 4,6·10⁷ Дж/кг. Нужно определить энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива.
Ответ: Q = 4,6·10⁸ Дж.
Тепловая электростанция должна выработать 1,0·10⁹ Дж полезной энергии. КПД равен 30% или 40%, удельная теплота сгорания топлива — 4,0·10⁷ Дж/кг. Сравним массу топлива в обоих случаях.
Ответ: при КПД 30% расходуется примерно 83,3 кг, при КПД 40% — 62,5 кг; экономия составляет около 20,8 кг.
Электростанция сжигает 500 кг топлива в час, а при сгорании 1 кг образуется 3 кг углекислого газа. За 8 часов расход топлива сокращают на 15%. Найдём уменьшение выброса.
Ответ: выброс углекислого газа уменьшится на 1800 кг.
Считать CO₂ единственным вредным продуктом. Так происходит потому, что углекислый газ часто связывают с климатом, но при сгорании появляются также оксиды азота, соединения серы, сажа и другие вещества. Проверяйте себя: перечислите продукты полного и неполного сгорания и примеси топлива.
Путать парниковый эффект с озоновой дырой. Эти явления имеют разные причины: первое связано с поглощением теплового излучения газами, второе — с уменьшением содержания озона в стратосфере. Проверка простая: спросите себя, идёт ли речь о температуре климата или о защите от ультрафиолета.
Считать высокий КПД полным устранением загрязнения. Больший КПД только уменьшает расход топлива и выбросы на единицу полезной работы, но не отменяет их. Проверьте рассуждение: если топливо всё ещё сжигается, продукты сгорания всё ещё образуются.
Сравнивать машины только по выделившейся теплоте. Экологичность зависит также от состава топлива, очистки газов и способа отвода теплоты. Для правильного сравнения учитывайте все виды воздействия, а не один показатель.
Для понимания темы нужны внутренняя энергия, количество теплоты, удельная теплота сгорания топлива и коэффициент полезного действия тепловой машины. Эти понятия позволяют связать массу топлива с выделившейся и полезно использованной энергией.
С химией тема связана составом продуктов сгорания и реакциями образования кислот. География помогает объяснить круговорот углерода, состав атмосферы и климатические изменения.
Дальше знания пригодятся при изучении энергосбережения, альтернативной энергетики, охраны природы и рационального использования природных ресурсов.
Почему тепловые машины загрязняют окружающую среду?
Для работы многих тепловых машин сжигают топливо. При этом образуются углекислый газ, оксиды азота, соединения серы, сажа и другие вещества, а лишняя теплота попадает в воздух или воду.
Чем парниковый эффект отличается от кислотных дождей?
Парниковый эффект связан главным образом с поглощением теплового излучения парниковыми газами и изменением температуры атмосферы. Кислотные дожди возникают, когда соединения серы и азота превращаются в атмосфере в кислоты и выпадают с осадками.
Почему повышение КПД тепловой машины уменьшает выбросы?
При большем КПД для получения той же полезной энергии требуется сжечь меньше топлива. Поэтому уменьшаются и масса выбросов, и количество теплоты, которое приходится отводить.
Как тепловая электростанция может нагревать водоёмы?
Электростанция не превращает всю энергию топлива в электричество. Избыточную теплоту отводят охлаждающей водой, которая затем может поступать в реку, озеро или искусственный водоём.
Можно ли полностью устранить экологический вред от тепловых машин?
Полностью устранить его обычно нельзя, если машина использует топливо и выделяет теплоту. Но вред можно значительно уменьшить повышением КПД, очисткой выбросов, экономией топлива и переходом к более чистым источникам энергии.
§ 52. Экологические проблемы использования тепловых машин
