Тепловые двигатели и связанные с ними проблемы загрязнения окружающей среды.

Тепловая машина – устройство, которое преобразует выделяющуюся при сжигании топлива внутреннюю энергию в механическую. Первые конструкции тепловых машин, разнообразных по назначению, появились на рубеже 17 – 18 вв. в Англии и Франции. В середине 18 в. в России (Ползунов) и в Англии (Уатт) были созданы универсальные паровые машины, пригодные для промышленного использования. Во второй половине 19 в. в Германии был изобретён двигатель внутреннего сгорания (ДВС), и особенно широкое распространение получил четырёхтактный ДВС конструктора И.Отто.

Проблему преобразования теплоты в полезную работу впервые исследовал французский инженер С.Карно в 1824 г. Он показал, что тепловая машина совершает работу благодаря передаче теплоты от горячего тела к холодному. Характерной чертой всех тепловых двигателей является цикличность работы. Если отвлечься от конструктивных особенностей какого-либо конкретного случая, то принципиальная схема теплового двигателя одна и та же. Её обязательными элементами являются два тепловых резервуара: нагреватель с температурой Т₁ и холодильник с температурой Т₂, меньшей температуры нагревателя. Роль холодильника может выполнять окружающая среда. Если просто привести нагреватель в контакт с холодильником, то начнётся теплообмен без совершения работы, причём это неминуемо приведёт к установлению теплового равновесия. Чтобы избежать этого, необходимо использовать тело- посредник, так называемое рабочее тело, в качестве которого обычно выступает газ или продукты сгорания топлива. С рабочим телом проводится определённый круговой процесс (цикл), в результате которого восстанавливается первоначальное состояние, и двигатель готов к новому циклу работы.

При описании работы тепловых двигателей приняты следующие обозначения: Q₁ – количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, Q₂ – количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику, А=Q₁ - Q₂ - работа, совершённая двигателем. Принципиальное значение имеет то обстоятельство, что количество теплоты Q₁ не может быть полностью превращено в работу, причём необходимость холодильника доказывается теоретически строго. Для характеристики эффективности работы теплового двигателя вводится понятие коэффициента полезного действия (КПД):

η=A/Q₁ = (Q₁ – Q₂)/ Q₁. (3)

С.Карно теоретически исследовал циклические процессы в тепловых двигателях и пришёл к выводу, что особое значение имеет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (так называемый цикл Карно). В термодинамике вводится понятие обратимого цикла, т.е. состоящего из процессов, которые можно провести в любом направлении через одну и ту же цепочку равновесных состояний. Единственным обратимым циклическим процессом, который можно осуществить между нагревателем и холодильником с фиксированными температурами, является цикл Карно. Огромную роль в термодинамике сыграла теорема Карно, которая может быть сформулирована в виде: для тепловой машины, совершающей цикл между нагревателем с фиксированной температурой Т₁ и холодильником с температурой Т₂, КПД не может превышать значения

η=(T₁ - T₂)/ T_1, (4) причём наибольшее значение КПД достигается в обратимом цикле, независимо от того, что используется в качестве рабочего тела.

Теорема Карно и формулы (1)-(4) широко используются при анализе работы всевозможных тепловых двигателей и повышения их эффективности. На основе первого начала термодинамики можно сделать вывод о невозможности «вечного двигателя первого рода», т.е. такого периодически действующего устройства, которое совершало бы работу без затрат энергии. Действительно, в соответствии с (2), если двигатель периодически возвращается в исходное состояние, то ΔU=0; но тогда A=Q, т.е. совершение работы невозможно без затрат теплоты.

Развитие экономики, уровень материального благосостояния людей находятся в прямой зависимости от количества потребляемой энергии. Хотя способы использования энергии значительно усложнились, её получение в значительной степени основано на том же, что и в первобытном обществе – на сжигании топлива. Теплоэнергетика основана на невозобновляемых ресурсах, и в этом её опасность. По закону сохранения и превращения энергии, разумеется, она не исчезает после того, как была использована человеком для совершения работы. Но энергия при этом переходит в такие формы, что дальнейшее её использование невозможно. Этот процесс называют деградацией энергии.

Другая проблема энергетики, несомненно, экологическая. Громадное количество производимой энергии приводит к чрезвычайно большим объёмам сброса тепловых отходов в окружающую среду, что влечёт за собой тепловое загрязнение атмосферы и Мирового океана. Кроме этого топки тепловых электростанций, ДВС автомобилей, самолётов и других машин выбрасывают в атмосферу множество вредных веществ, например, сернистые соединения, оксиды азота, углеводороды, угарный газ (СО), хлор и т.д. Это порождает кислотные осадки, насыщение воздуха вредными для человека и животных веществами, попадание их в почву и продукты питания. При разработке месторождений каменного угля в воздух попадает огромное количество пыли, что изменяет прозрачность и другие характеристики атмосферы. Это неполный перечень проблем, связанных с традиционной энергетикой. Развивающаяся в последние десятилетия ядерная (а в перспективе и термоядерная) энергетика также не может быть надёжной альтернативой, поскольку пока её нельзя считать безопасной.

Можно решать острейшие проблемы энергетики путём обновления энергосистем, например, повышения КПД двигателей, использования новых, безвыбросных технологий сжигания угля, совершенствования методов очистки промышленных выбросов, экономии энергии и др. Но всё же человечеству необходимо осознать назревшую необходимость поиска новых способов получения энергии, наносящих минимальный ущерб окружающей среде. В ряде стран уже сегодня работают электростанции, использующие энергию морских приливов и отливов, а также геотермальных источников. Медленно, но всё же развиваются гелиоэнергетика и ветроэнергетика. Всё это, возможно, является единственно возможным подходом в условиях небывалого обострения экологических проблем.

Дата добавления: 2015-05-10