Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Принципиальное устройство теплового двигателя

В природе мы часто можем наблюдать процессы перехода механической энергии в тепловую энергию, например, трение тел друг о друга в процессе их относительного движения вызывает их нагрев.

Используя тепловой двигатель можно провести обратный процесс: преобразовать теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.

Любой тепловой двигатель имеет три части:

• нагреватель;
• холодильник;
• рабочее тело, это пар или газ, находящийся в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.

При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.

• Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
• Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
• Цикл может начинаться сначала.

В описанном цикле механическая работа получается в результате теплоотдачи нагревателя.

Нагреватель получает теплоту за счет сжигания топлива разного вида:

• каменного угля;
• бензина;
• природного газа.

Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:

• паровая машина;
• турбина.

Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:

• бензиновый двигатель;
• дизель;
• реактивный двигатель.

Тепловой двигатель не может работать без потерь, то есть он не может переводить в механическую работу все тепло, которое подводится ему извне.

Эффективность работы теплового двигателя определяют при помощи коэффициента полезного действия:

$\eta=\frac{A}{Q_1}=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}(1),$

где $A$ - работа в одном цикле; $Q_1$ - количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя; $Q_2$ - количество теплоты, отданное системой холодильнику.

Теплопередача должна проходить в системе так, чтобы:

• вся теплота, полученная от нагревателя, по возможности шла на выполнение работы;
• рабочее тело могло выполнять работу, то есть газ, увеличивая свой объем мог двигать поршень.

Цикл Карно

Тезис о том, что для выполнения работы в замкнутом цикле должны присутствовать два тела, имеющие разные температуры: $T_1$ и $T_2$, называют принципом Карно.

В первой половине XIX века Н. Карно показал, что максимальная механическая работа получается в термодинамическом цикле, который состоит из пары изотерм и пары адиабат. Тепловой двигатель, который работает в соответствии с циклом Карно, назвали машиной Карно.

Коэффициент полезного действия такого цикла зависит только от температуры нагревателя ($T_1$) и холодильника ($T_2$):

$\eta=\frac{T_1-T_2}{T_1}(2).$

Не существует тепловой машины, температура нагревателя которой $T_1$ , а холодильника $T_2$, КПД которой больше, чем КПД машины Карно. Из уравнения (2) следует, что КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела.

Единственным способом увеличения эффективности теплового двигателя, как видно из (2) является увеличение разности температур нагревателя и холодильника:

$ \Delta T=T_1-T_2$.

Часто в тепловых двигателях холодильником является окружающая среда, следовательно, для увеличения эффективного двигателя необходимо увеличивать температуру нагревателя, то есть создавать, например, для двигателей внутреннего сгорания смеси, выделяющие максимальное количество теплоты.

В действительности идеальный цикл Карно выполнить не удается.

1. Так как практически сложно выполнить строго изотермический и адиабатный процессы.
2. Большая часть энергии уходит на трение, при котором тепловая энергия излучается в окружающее пространство.

КПД паровых турбин на сегодняшний момент составляет около 40%.

Загрязнение атмосферы

Тепловые двигатели используют для того, чтобы получать дешевую эклектическую и механическую энергию. В соответствии законами термодинамики производство полезной работы не возможно без отвода в окружающую среду большого количества теплоты, что ведет к повышению средней температуры на нашей планете.

Быстрый рост автомобильного транспорта увеличил массу выбросов в атмосферу выхлопных газов. В промышленно развитых городах до 70% выбросов связано с транспортом.

Больший вклад в загрязнении атмосферы делают бензиновые автомобили, далее идут самолеты, автомобили с дизельными двигателями, сельскохозяйственный транспорт и железнодорожный транспорт.

Основными веществами, которыми загрязнет транспорт атмосферу, являются:

• оксиды углерода;
• оксиды азота;
• углеводороды.

Проблемы энергетики

Проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, вызванным активным ростом энергетики, касаются всех стран и народов нашей планеты. С другой стороны, энергия обеспечивает развитие цивилизации и жизнь каждого человека в наше время.

Факторами, которые негативно воздействуют на окружающую среду при эксплуатации тепловых двигателей, являются:

1. Загрязнение продуктами сгорания; сточные воды; твердые отходы (шлаки, зола).
2. Тепловое загрязнение (тепловые воздушные потоки, отвод тепла водой).
3. Радиоактивное загрязнение (при использовании ядерного топлива).
4. Электромагнитные воздействия.
5. Шумовые загрязнения.
6. Изъятие из использования территорий при строительстве крупных энергетических комплексов.

Основными факторами воздействия теплоэлектрических станций (ТЭС) на окружающую среду можно считать потребление природных ресурсов, таких как нефть, уголь, газ.

Сжигание топлива на ТЭС ведет к превращению всей их массы в отходы, при этом продукты сгорания в несколько раз превышают массу использованного топлива из-за включения кислорода и азота из воздуха.

Все сжигающие топливо установки каждый год поставляют в атмосферу более 200 млн. тонн оксида углерода, 50 млн. тон разных углеводородов, 150 млн. тонн двуокиси серы, более 50 млн. тонн окислов азота. В суммарном загрязнении атмосферы отходами производства, отходы теплоэнергетики составляют:

• 20-35% пыли;
• до 50% диоксида серы;
• 30-35% окислов азота.