Конференция старшеклассников, 9

Материалы к конференции старшеклассников по физике.
О значении автомобиля.
Неотъемлемый атрибут современной жизни-автомобиль (от греч. автос-сам +
лат. мобилис-движение) - представляет собой самоходное транспортное
средство с собственным источником энергии на борту, предназначенное для
перевозки людей и грузов по безрельсовому пути.
Из всех видов индивидуального и общественного транспорта автомобильный
является самым динамичным. В начале 90-х гг. в мире ежегодно выпускалось
около 40 млн. легковых и 10 млн. грузовых автомобилей, при этом
действующих насчитывалось более 500 млн.(200 млн. только в США), по
прогнозам, к началу нового века мировой парк автомобилей составит 700
млн. (из них 150 млн. - грузовые автомобили и автобусы).
Автомобильный транспорт занимает по грузоперевозкам II место (после
ж/д.). В частности, в России последние годы его существования
автомобилями ежегодно перевозилось более 25 млрд. грузов и почти 50
млрд. пассажиров, а протяженность автомобильных дорог с твердым
покрытием составляла около 1 млн. км.
Суммарная мощность двигателей автомобильного парка в несколько раз
превышала мощность всех действующих в стране электростанций, что,
естественно, сопровождалось значительным расходом горючего,
получаемого из нефти(бензина и мазута).
Немного истории.
Автомобилю, самому массовому и популярному средству передвижения
более 100 лет. Появление автомобиля связано с изобретением во II половине
XIX в. двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В 1801г.французский военный
инженер Лебон случайно установил, что дерево и уголь под действием
высокой температуры без доступа воздуха выделяет газ, пригодный для
освещения и отопления. В1860г.французский механик Этьен Ленуар
сконструировал первый ДВС. Смесь светильного газа и воздуха закачивались
в цилиндр и, там, внутри поджигалась. Это был не опытный образец, а
технически совершенная машина, пригодная для промышленного
производства, более компактная , чем паровая , но имеющая более низкие
энергетические характеристики .
Об изобретение Ленуара случайно узнал подручный продавца, сын
трактирщика из Кельна тридцатилетний Николаус Август Отто. Он захотел
усовершенствовать двигатель Ленуара и начал по вечерам работать над этим
в своей мастерской. В 1862 году он построил газовый двигатель внутреннего
сгорания большей мощностью.
Перед принудительным зажиганием смесь предварительно сжималась,и ее
взрыв производился в тот момент,когда поршень находился в одном из
крайних положений.Чтобы
Избежать неравномерность работы Отто установил 4 цилиндра,
последовательно работающих, на один вал. Четырехтактовый газовый
двигатель внутреннего сгорания
Отто имел очень высокий КПД (22%), намного превосходящий КПД
двигателей предшествующих типов.
Тихоходные и тяжелые двигатели Отто нашли применение лишь в
стационарных условиях, для нужд
Кустарной промышленности. Тем не менее в 1897 году он начал их серийное
производство и за 10 лет выпустил около 5 тысяч машин.
В 1881 году Дайлмер, технический директор фабрики Отто, разработал
топливо, что и позвало создать новый вид транспорта – автомобиль.В
поисках эффективного топлива для своего двигателя Дайлмер ездил в
Россию, на завод по перегонке сырой нефти в осветительный керосин, при
производстве которого в большом количестве в качестве побочного продукта
получалась легкая фракция-бензин,
из-за взрывоопасности не находившая применения и попросту сжигая.
Первые автомобили с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания
начали производится в Германии в 1885-1887 г.г. на фабриках Дайлмера и
Бенца.Именно здесь спустя 15 лет начался выпуск автомобилей марки
«Мерседес».
КПД тепловых двигателей.
Еще в 1824г французский инженер Сади Карно показал что
КПД идеальной тепловой машины
μ мак =1-Т1/ Т2
Отсюда видно, что КПД тем выше, чем ниже температура холодильника , Т2
и чем выше температура нагревателя Т1. Казалось бы , для повышения КПД
нужно просто увеличивать температуру нагревания и уменьшать
температуру холодильника. При Т2=О, КПД вообще равен единице.
Однако на самом деле повысить таким образом КПД нельзя. Мы не можем
как угодно понижать температуру холодильника, т.к. холодильником служит
окружающая среда.Повышать температуру нагревателя можно лишь до
определенных пределов, т.к. жаропрочность любого материала ограничена.
КПД реальной теплотой машины еще ниже, т.к. существуют
дополнительные потери энергии из-за действия силы трения, неполного
сгорания топлива. Максимальный КПД имеют двигатели дизели. В чем их
преимущество вы изучаете из следующего сообщения.
Дизельный двигатель
Более экономичен 4-х тактный ДВС. В 1892 году немецкий инженер Рудольф
Дизель получил патент на двигатель, в цилиндре которого сжимается воздух,
а не горючая смесь. Дизельный двигатель работает без карбюратора и свечи,
на дешевых сортах топлива, причем расходует его меньше. Рассмотрим
принцип его работы:
I такт: при ходе поршня вниз через впускной клапан в цилиндр засасывается
атмосферный воздух (1-2).
II такт: при ходе поршня вверх воздух ….. сжимается до давления примерно
1,2*106Па,что ведет к повышению его температуры в конце такта(2-3) до 5007000С.
В сжатый раскаленный воздух впрыскивается с помощью топливного насоса
и ….. дизельное топливо, око воспламеняется(причем горит дольше бензина).
III такт: образующиеся при горении газы давят на поршень и производят
полезную работу во время движения поршня вниз. Давление
расширяющегося газа поддерживается приблизительно постоянным(34).Затем происходит….. расширение газа и открывается выпускной клапан,
давление падает(5-6).
IV такт: поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания в
атмосферу(6-7).
Цикл завершен.Полезная работа = площади заштрихованной фигуры и она >
полезной работы карбюраторного двигателя. И поэтому > КПД (35-40%).
О топливе
Топливо для ДВС ( двигатели внутреннего сгорания) получают из нефти. В
основном таким топливом является бензин. Что такое бензин? Бензин- это
смесь углеводородов от пентана
до декаэтана. Существуют разные марки
бензина: А-72 А-76 А-96 АИ-98 Марка бензина зависит от способности
бензина противостоять преждевременному воспламенению смеси бензина с
воздухом. Это противостояние называют детонационной стойкостью
бензина. Детонационная стойкость бензина обусловлена наличием в бензине
октана
и его изотопов. Чем больше октана в бензине, тем он лучше.
Бензин, полученный из нефти имеет невысокое октановое число ( т. е
содержит октана немного). Это где-то 50-60.Такой бензин нельзя
использовать как топливо. В него добавляют иначе его обогощают
изоменами оксада, гептана ,ароматическими углеводородами. И ещё в бензин
добавляют антидетонатор. Это вещество тетраэтилсвинец
Получают,
так называемый, этилированный бензин. При его сгорании в выхлопных
газах содержатся частицы свинца и его соединения, крайне ядовитые вещ-ва.
.Правда , сейчас находят замену свинцовым антидетонатарам. Кстати в США
применение этилированного бензина запрещено с 1988 года. Кроме свинца и
его соединения в атмосферу выбрасывается огромное количиство
(обращаетесь к таблице )
СО угарного газа
СО2 угликислого газа
SО2 сернистый газ
NО2 оксид азота и т.д.
О воздействии на живую природу этих веществ здесь будет еще говорится.
О «бионефти»
Сейчас появился новый термин «бионефть» бионефть - как топливо Что это
такое?
Некоторые виды растений вырабатывают в своих тканях горючие углероды,
по составу похожие на те, что содержатся в нефти.
На Филиппинах нашли, например дерево, которое местные жители называют
Ханга. Его орехи содержит масло, напоминающее по составу нефть. Во
время второй мировой войны японцы заправляли двигатели танков маслом,
выжатым из этих орехов, причём без всякой обработки масла.
А в Амазонии тоже есть такие деревья. Одно из них – Капаибу. Дерево
высотой до 30 м. Из одного дерева за 1 час может натечь до 20л отличного
топлива.
Самым же перспективным растением для получения биотоплива является
сорыяк, который в народе называют Сусликовое дерево
С 1 га посадок этого растения можно получить 1.5 тысяч литров бензина,
вернее биотоплива. Понятно, что биотопливо проблему топлива не решитодни только автомобили «выпивают» в сутки более 5 млрд. литров
А ферма производящая лишь 5 млнл бионефти в сутки, должна занимать
площадь не менее 350 тысяч га. А ведь эту землю еще и обрабатывать надо.
Бионефть- тоже дорогое топливо.
В последнее время в качестве топлива предложили использовать этиловый
спирт C2H5OH. Лидером в использовании спирта в качестве автомобильного
топлива является Бразилия.
У же в середине 80-х годов производство спирта из сахарного тростника
достигло там 11 млрд литров в год Это достаточно чтобы обеспечить
горючим 5 млн автомобилей.
Однако ученые подсчитали, что все растения мира, превратившись спирт в
состоянии покрыть наши потребности только на 40%. Надо сказать, что
спирт экологически чистое топливо. При его сгорании образуется только
вода и углекислый газ.
C2H5OH + 3O2 – 2CO2 + 3H2O
Но наиболее экологически чистым видом топлива является водород. У
водородного топлива много достоинств.
1ое Его теплотворная способность в три раза выше, чем у бензина.
2ое Водород самый распространенный элемент во вселенной. На земле его в
100 раз больше, чем каменного угля.
3ое Для его получения можно использовать обыкновенную воду.
4ое При его сгорании образуется только вода, которую снова можно
использовать для получения водорода.
И ещё. Водород легко транспортировать по трубам, это дешевле
транспортировки электроэнергии на 20%.
Можно сказать, что водород- топливо будущего.
Механическое загрязнение.
А я хочу сказать о том, что старые автомобили не только загрязняют
атмосферу, но и составляют значительную часть твердых бытовых отходов
на свалках, где скапливаются изношенные шины, ржавые корпуса. Впрочем,
старые кузова автомобилей можно увидеть не только на свалках, но и во
дворах и на пустырях.
Кроме того, на производство каждого автомобиля затрачивается большое
количество энергии и различных веществ, а их добыча и транспортировка
практически всегда связаны с загрязнением среды.
Неотъемлемый
атрибут современной жизни - автомобиль 9 от греч. Автос - сам + лат.
мобилис - движение) – представляет собой самоходное транспортное
средство с собственным источником энергии на борту, предназначенное для
перевозки людей и грузов. по безрельсовому пути.
Из всех видов индивидуального и общественного транспорта
автомобильный является самым динамичным. В начале 90-х г. в мире
ежегодно выпускалось около 40 млн легковых и 10 млн грузовых
автомобилей, при этом действующих насчитывалось более 150млн (200 млн
только США ). По прогнозам, к началу нового века мировой парк
автомобилей составит 700млн (из них лишь 150 млн – грузовые автомобили
и автобусы).
Автомобильный транспорт занимает по грузоперевозкам 2 место (после
ж/д). В частности, в России в последние годы его существования
автомобилями ежегодно перевозилось более 25 млрд грузов и почти 50 млрд
пассажиров, а протяженность автомобильных дорог с твердым покрытием
составляло около 1 млн. км суммарная мощность двигателей
автомобильного парка в несколько раз, превышала мощность всех
действующих в стране электростанций, естественно, сопровождалось
значительным расходом горючего, получаемого из нефти (бензина и мазута).
Сейчас один автомобиль приходится на каждые 10 чел-к, обитающих на
нашей планете, включая младенцев и тех, кто не только никогда не видел
автомобиля, но даже не подозревает о его существовании (например
аборигены верховьев Амазонки). В Москве один автомобиль приходится на
каждого 4-5 жителей столицы, в одном же из самых урбанизированных
районов мира - городе Лос-Анджелесе (США) печально знаменитом как
родина фотохимического смога, на 1-1,5 жителей.
Но сейчас всё острее выявляются и отрицательные стороны
автомобилизации: автомобиль стал одним из основных источников
загрязнения природной среды - воздушного бассейна, почвы, водоёмов.
Каждый день в Москве перевозится 30 млн пассажиров, причем 14 млн
передвигаются по городу с помощью наземного транспорта, из них 4.4 млнна автомобилях. На магистралях Москвы длина пробега автотранспорта без
остановок составляет в среднем 500м. В результате средняя скорость
движения автомобиля составляет 12-20 км/ч. Автомобили же
сконструированы так, что минимальный расход топлива соответствует
равномерной скорости движения 40-60 км/ч для грузовых автомобилей и 6080км/ч для легковых. У уменьшение скорости движения до 12-20 км/ч
увеличивает расход топлива в 3-4 раза, а следовательно, возрастает и
загазованности атмосферы. В результате страдают люди, животный и
растительный мир.