Сборник задач по физике Курс лекций по физике Оптика Кинематика Теплопроводность

Лекции по физике теория газов

Последствия парникового эффекта.

Одним из основных продуктов сгорания углеводородных топлив является диоксид углерода (СО2), который не относится к токсичным газам. Годовая эмиссия СО2 составляет 130...1100 млрд. т/год. Основное количество СО2 производится природными источниками, и только примерно 1...3 % связаны с технической деятельностью человека (антропогенные выбросы). Однако эти 1...3% могут нарушать равновесие в атмосфере и служить причиной возникновения так называемого “парникового” эффекта.

В верхних слоях атмосферы всегда располагалась смесь газов, состоящая на 60... 90 % из водяного пара. Эта смесь газов препятствует отводу теплоты от поверхности нашей планеты, повышая ее среднюю температуру на 33°С (от -18°С до +15°С). В увеличении средней температуры на поверхности земли и заключается “парниковый” эффект, который обусловил благоприятные условия для возникновения и развития жизни на Земле. Однако в результате деятельности человека в стратосфере и тропосфере стали накапливаться такие вещества как СО2, СН4, галогенированные углеводороды, озон и гемиоксид азота (NО2). Суммарная доля этих газов в “парниковом” слое относительно невелика всего 0,5... 15%. Однако они вызвали за последние 100 лет повышение средней температуры примерно на 0,45°С, что выразилось в известном потеплении климата. При дальнейшем неконтролируемом усилении “парникового” эффекта может произойти интенсивное таяние ледников, которое может привести к глобальной катастрофе.

Из всех антропогенных “парниковых” газов главное значение для усиления “парникового” эффекта имеет СО2. Важнейшими источниками антропогенных выбросов СО2 являются: тепловые и электрические станции - 27%, промышленность - 20%, отопление жилых помещений и малая энергетика - 20%, транспорт - 17%.

Снижение антропогенных выбросов СО2 стало острой экологической проблемой. В то же время известно, что чем больше СО2 образуется при сгорании углеводородных топлив, тем оно совершеннее. Поэтому решение проблемы уменьшения антропогенных выбросов СО2 возможно путем:

- уменьшения количества сжигаемого углеводородного топлива, т.е. повышения топливной экономичности теплоэнергетических устройств и тепловых двигателей;

- применения топлив с малым содержанием углерода (сжатый и сжиженный газы, спирты и эфиры);

- использования водорода;

- перехода к широкому применению альтернативных источников энергии (энергия солнца и ветра, гидроэнергия, атомная и ядерная энергия).

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Двигатели внутреннего сгорания стали одним из главных загрязнителей атмосферы (примерно около 30%). Так как число автомобилей растет, то растет и количество опасных загрязнителей. Первый автомобиль появился в 1885 г., в 1900 г. их было 6200, в 1972 г. — более 250 млн, а к началу нового тысячелетия их будет примерно 700 млн. Это означает, что при среднесуточном расходе горючего 30 л за сутки будет сжигаться 21 млрд л. Это без учета авиации, водного и железнодорожного транспорта. Особенно опасны продукты сгорания этилированного бензина, содержащие соединения свинца. Общее количество различных химических соединений в выхлопе автомобиля составляет около 40. Заблуждение думать, что электрический транспорт не загрязняет окружающую среду Для того чтобы подать электроэнергию поездам, троллейбусам, трамваям и метро, нужно сжечь топливо на ТЭЦ или АЭС.

Необходимо учитывать, что, помимо загрязнения окружающей среды и расходования исчерпаемых запасов органического топлива, транспорт требует огромного количества земли для сооружения автомобильных и железных дорог, аэродромов, морских портов и др.

Повышение экономичности тепловых двигателей характеризуется повышением КПД. Наибольшее значение КПД дизеля около 45%, а для карбюраторного двигателя — 30%. Если рассмотреть КПД с экономических и экологических позиций как эффективность преобразователя энергии в цепи энергоноситель — транспорт, то он кажется гораздо ниже. Например, КПД цепи нефть — бензин — автомобиль равен примерно 4,2%, а КПД цепи энергоноситель — электростанция — электропоезд — 6,1%. Для электромобиля, работающего на аккумуляторе, подзаряжаемом от сети, КПД равен 2%. Такой электромобиль не является альтернативным транспортом. Альтернатива в другом, например в использовании солнечной энергии непосредственно в автомобиле, в применении магнитной подвески и линейных электродвигателей, пневмотранспорта и т. п. Повышение экономичности обычных двигателей внутреннего сгорания достигается за счет применения электронного зажигания, сферических камер сгорания, вихревой продувки, дожигания несгоревших газов и др.

Большие перспективы в развитии транспортных средств связывают с применением линейных электродвигателей в поездах на магнитной или воздушной подвеске. В этом случае решается несколько задач: в качестве двигателя используется линейный асинхронный электродвигатель, роль движителя выполняет бегущее электромагнитное поле, вместо опоры на колеса магнитное поле. Экологичность такого транспорта обусловлена отсутствием вредных выбросов в атмосферу, шума, вибраций. Такой транспорт имеет более высокий КПД, поскольку практически отсутствует механическое трение в двигателе и движителе, меньше материалоемкость и энергоемкость. Сооружение такой линии на эстакаде может вернуть сельскому хозяйству значительные земли, занятые под железнодорожное полотно. Трудности в развитии монорельсового транспорта связаны с необходимостью установки тяжелых электромагнитов для обеспечения магнитной подвески и рассеяния энергии из-за тепловых потерь. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости вселяет надежду на преодоление этих трудностей.

Обратить внимание учащихся на то, что паровые и газовые турбины в основном используются на тепловых электростанциях, на крупных судах. Топки электростанций выбрасывают в атмосферу вредные для живых организмов вещества (выбрасывают не только газообразные продукты сгорания, аэрозоли, но и дают золу, шлаки). Применение паровых и газовых турбин требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара. При увеличении мощности электростанции возрастает потребность в воде и газе. С целью экономии занимаемой площади и водных ресурсов сооружают комплексы электростанций с замкнутыми циклами водоснабжения.

Необходимо обратить внимание еще на одну проблему — глобальное потепление атмосферы Земли и к чему это может привести.

Повторить материал о внутренней энергии, способах изменения внутренней энергии и формулы расчета количества теплоты. Систематизировать материал темы в виде схемы.

Задача 11. Молекулярный пучок кислорода ударяется о неподвижную стенку. После соударения молекулы отражаются от стенки с той же по модулю скоростью. Определить давление пучка на стенку, если скорость молекул 500 м/с и концентрация молекул в пучке 5·10 24  м -3.

Дано:

υ = 500 м/с 

n0 = 5·10 24 м –3

Решение:

Давление определяется по формуле:   , (1)

р - ?

где F – сила давления, S – площадь.

Силу давления найдем из второго закона Ньютона: 

 , (2)

где m – масса кислорода, ударившегося о стенку за время t, Δυ – изменение скорости молекул при ударе.

Массу одной молекулы кислорода найдем из закона Авогадро:, где М = 32·1023 кг/моль – молярная масса кислорода; NA = – постоянная Авогадро.

За время t о стенку ударяются молекулы, находящиеся в объеме: , масса которых: . (3)

Изменение скорости при соударении:. (4)

Подставляя выражения (3), (4) в (2), находим: , откуда , .

Ответ: 1,33·105 Па.

Внутренняя энергия. Механическая энергия: " потенциальная (определяется взаимным положением взаимодействующих тел) " кинетическая (определяется движением тела) Потенциальная и кинетическая энергия могут превращаться друг в друга. Энергию движения и взаимодействия частиц, составляющих тело, называют внутренней энергией тела. Внутренняя энергия тела не зависит от механического движения тела (как целого) и от положения этого тела относительно других тел.
На главную