Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 39. Екологічні проблеми, пов’язані з використанням теплових машин

  • Екологічні проблеми теплової енергетики
  • Подолання енергетичної кризи

ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ. Широке застосування теплових машин для добування зручної у використанні енергії найбільше впливає на навколишнє середовище порівняно з усіма іншими видами виробничих процесів, адже з їх допомогою виробляється майже 80 % електроенергії.

Досягненню високих температур нагрівника заважає неповне згоряння палива, зокрема, у двигунах внутрішнього згоряння. Це спричиняє екологічні проблеми.

За законами термодинаміки, електричну і механічну енергію неможливо виробляти без відведення в навколишнє середовище значних кількостей теплоти. Це може призвести до підвищення середньої температури на Землі і створити загрозу підвищення рівня Світового океану.

Під час спалювання палива атмосфера забруднюється попелом, азотистими та сірчаними сполуками, шкідливими для здоров’я людей. Особливо істотне це забруднення у великих містах і промислових центрах. Більше половини всіх забруднень атмосфери створює транспорт. Крім оксиду вуглецю, викидаються в атмосферу 2-3 млн. т свинцю. Сполуки свинцю додають в автомобільний бензин для запобігання детонації палива в двигуні, тобто дуже швидкого згоряння палива.

З метою зменшення таких викидів дедалі більше випускається автомобілів, у яких замість бензинових використовують дизельні двигуни, у паливо яких не додають сполук свинцю. Однак найперспективнішими вважаються електромобілі та автомобілі, які працюють на водні. Продуктом згоряння у водневому двигуні є звичайна вода.

Застосування теплових двигунів призводить до значного споживання кисню, який виробляється зеленими рослинами (10-25 %), через що його кількість у повітрі постійно зменшується. Широке використання теплових машин у житті людини призвело до загострення екологічних проблем, пов’язаних із викидами в атмосферу шкідливих речовин. Серед них особливе місце належить діоксиду карбону СО2, який небезпечний тим, що створює «парниковий ефект», унаслідок чого температура повітря на Землі підвищується.

У природі порушується динамічна рівновага для відновлення кисню в реакціях фотосинтезу. Якщо не вживати жодних заходів щодо поліпшення екологічної ситуації, це може призвести до жахливих катастроф, які загрожуватимуть усьому людству. Тому останнім часом пропонуються заходи, спрямовані на зменшення викидів СО2 в атмосферу.

Застосування парових турбін на електростанціях потребує відведення великих площ під ставки, в яких охолоджується відпрацьована пара. Зі збільшенням потужностей електростанцій різко зростає потреба у воді. Для економії площ і водних ресурсів споруджуються комплекси електростанцій, насамперед атомних, із замкнутим циклом водопостачання.

Одним із заходів захисту довкілля є встановлення різноманітних фільтрів як на теплових станціях, так і на автомобільних двигунах. Розробляються нові зразки газотурбінних, роторних і навіть парових двигунів.

ПОДОЛАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ КРИЗИ. Екологічні проблеми використання теплових машин не обмежуються лише їхнім конструктивним удосконаленням з метою зменшення шкідливих викидів. Важливим є також відновлення енергетичних запасів, які витрачаються в процесі людської діяльності. Адже корисні копалини утворюються природою впродовж віків, а витрачаються практично миттєво. Їхні запаси не безмежні й вимагають раціонального використання. В Україні основним джерелом енергоресурсів (83,4 %) залишаються теплові електростанції, що працюють на вугіллі, нафті або газі. Частка атомної енергетики дорівнює 16,1 %; менше 1 % становлять відновлювані джерела енергії. Світові тенденції розвитку енергетики вказують на те, що в життєдіяльності людини треба шукати альтернативні джерела, які ґрунтуються на відтворюваних природних ресурсах: воді, сонці, вітрові тощо.

Перспективним є підвищення коефіцієнта корисної дії теплових машин за рахунок винайдення нових сумішей палива, удосконалення конструкції двигунів, використання теплових насосів тощо.

Зменшує теплові втрати пряме перетворення теплової енергії в електричну за допомогою потужних магнітогідродинамічних генераторів (МГД-генераторів), які набудуть значного поширення. У них теплова енергія плазми перетворюється в електричну.

Ефективним є використання нетрадиційних джерел енергії. Серед них — вітроенергетичні установки, сонячні батареї, біодизельні установки тощо. Сировиною для отримання біопального у кліматично-географічних умовах України є ріпак. З гектара оліїстого ріпаку можна одержати майже одну тонну біодизельного пального.

Запобігти енергетичній кризі та екологічній катастрофі може і кожен із вас, турбуючись про раціональне використання енергії у школі та побуті.

Головне в цьому параграфі

Неповне згоряння палива, зокрема у двигунах внутрішнього згоряння, спричиняє екологічні проблеми.

Одним із заходів захисту довкілля є встановлення різноманітних фільтрів як на теплових станціях, так і на автомобільних двигунах.

Енергетична криза зумовлюється використанням енергетичних ресурсів, запаси яких вичерпуються і не відновлюються. Ефективним є використання нетрадиційних джерел енергії (вітроенергетичні установки, сонячні батареї, біодизельні установки).

Запитання для самоперевірки

  • 1. У чому полягає негативна дія теплових машин на довкілля?
  • 2. Які методи захисту довкілля наразі використовуються?
  • 3. Якими є шкідливі наслідки від роботи теплоелектростанцій?
  • 4. Чи сприяє підвищення коефіцієнта корисної дії теплових машин зниженню рівня забруднення довкілля?
  • 5. Чому людству слід економити вугілля, нафту та іншу сировину, а не спалювати її для отримання теплової енергії?
  • 6. Які ви знаєте альтернативні джерела енергії?
  • 7. Назвіть нетрадиційні способи одержання та перетворення енергії?
  • 8. Назвіть приклади високоефективних джерел і перетворювачів енергії.

Вправа до § 39

  • 1(с). Теплова машина за один цикл отримує від нагрівника кількість теплоти 100 Дж і віддає холодильнику 60 Дж. Визначте ККД машини (у %).
  • 2(с). Газ отримав кількість теплоти 300 Дж, його внутрішня енергія збільшилась на 200 Дж. Яку роботу при цьому виконав газ?
  • 3(д). Мідне тіло, нагріте до 100 °С, помістили у воду, маса якої дорівнює масі цього тіла. Теплова рівновага настала при температурі 30 °С. Визначте початкову температуру води.
  • 4(д). У посудину поклали лід масою 10 кг при температурі -20 °С. Визначте масу води в посудині після того, як її вмісту надали кількість теплоти 2 МДж.
  • 5(в). У вертикальному циліндрі під важким поршнем перебуває кисень масою 2 кг. Визначте збільшення внутрішньої енергії кисню при підвищенні його температури на 5 К та отриману газом кількість теплоти.

buymeacoffee