Тепловые машины и влияние их на окружающую среду

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интегрированный урок

 

«Тепловые машины и влияние их на окружающую среду»

 

 

 

                              Учитель физики Е.Г.Рычкова 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

Мир рванулся вперед,

Мир сорвался с пружин

Из запретной бутылки

Был выпущен джин…!?

 

Тип урока: интегрированный

Форма урока: экологическая конференция

Цель урока: способствовать воспитанию ценностного подхода к окружающему, осознанию важности собственной оценки происходящего и пониманию личной ответственности за окружающий мир, формированию гражданской позиции

Задачи урока: Образовательные

            Систематизировать, углубить и расширить знания о тепловых машинах, их влиянию на окружающую среду и Петях уменьшения отрицательного воздействия

                        Развивающие

1. Заинтересовать совместной работой пассивную часть учащихся, развивать познавательные интересы путем творческого поиска и обработки цифровой информации, эстетического оформления результатов работы
2. Расширить кругозор, словарный запас, повысить уровень речевой культуры учащихся

Воспитательные

1. Воспитанное ответственности за жизнь и здоровье окружающих на основе экологических знаний
2. Воспитание коллективизма и ответственности за выполнение своей части общей работы

 

План урока

 

1. Организационный момент
2. Постановка цели урока
3. История создания тепловых машин:

Паровые двигатели

ДВС

Реактивные

Турбинные

4. Положительная роль тепловых машин
5. Отрицательная роль тепловых машин
6. Пути решения экологических проблем, связанных с использованием ДВС в транспорте
7. Защита проектов «Дом у дороги»
8. Подведение итогов урока

 

Предварительная подготовка

 

1. Распределить темы сообщений среди учащихся, контролировать подготовку к конференции
2. Проектной группе

а)      Рекомендовать литературу и критерии подготовки проекта «Дом у дороги»

б)      Поручить кому-нибудь подготовку рекомендаций по правильному планированию

3. Подготовить с учащимися оформление урока, выпустить буклет
4. Подготовить планшет с проектом

Ход урока

Учитель биологии

Слово «экология» знакомо всем. В переводе с греческого оно означает «наука о доме». Поэтому не случайно этим словом называют науку об отношениях растительных и животных организмов, в том числе и людей, с окружающей средой – тем домом, в котором живет человечество.

 Учитель химии

Человек – часть природы, и ее разрушение грозит ему множеством бед. У Земли много проблем, и одна из них – тепловые машины и их использование, особенно в транспортных средствах. Автомобильный транспорт называют «демоном цивилизации», и укрощение этого «демона» зависит и от каждого из нас.

Учитель физики

А началось все в 17 веке, когда простое предложение о замене пробирки поршнем позволило сделать вывод о возможности поставить пар на службу человеком. Об истории создания и развитии тепловых машин кратко расскажут эксперты-историки

Эксперт-историк 1

В 17 веке наблюдается развитие производств, требующих совершенствования техники. Был нужен такой источник энергии, который не был бы привязан к одному месту как энергия падающей воды, не зависел бы от погоды, как энергия ветра. И такой вид энергии нашли – тепло, а именно энергия водяного пара. Французский физик Дени Папен вместе с немецким ученым Бюйгесом с 1682 года работал над созданием машины, а в 1690 году обнаружил, что идеально работает вода, причем с увеличением температуры кипения растет давление. Он нагревал воду до 100 градусов в закрытом котле, во избежание взрыва применив изобретенный им предохранительный клапан.

В 1698 году англичанин Томас Севери изобрел паровой насос для откачки воды из шахт. А в 1705 году слесарь Томас Ньюкомен получил патент на свою тепловую машину. И лишь через 60 лет появился первый паровой двигатель непрерывного действия, созданный И.И. Ползуновым. Второй, более совершенный проект Ползунова, воплощенный им самим, был выполнен целиком из металла и имел мощность от 30 до 40 лошадиных сил.

 Создателем универсального парового двигателя стал английский механик Джеймс Уатт. В 1784 году ему пришла идея выводить пар из цилиндра, соединив его с пустым резервуаром, куда пар сам бы устремлялся. Также Уатт внес в машину центробежный регулятор ввода пара, золотник, паровую рубашку вокруг цилиндра, индикатор давления.

В 1803 году американец Р. Фултон впервые испытал судно с паровым двигателем на реке Сене, и через 4 года по реке Гудзон уже ходил колесный пароход с двигателем мощностью 20 л.с.

В 1814 году англичанин Джон Стеферсон создал паровоз, который двигал составы весом 30.5 тонн со скоростью 6 км в час.

В России в 1934 году крепостные мастера уральского завода отец и сын Черепановы построили паровоз, который вез состав весом 32 тонна со скоростью 13-16 км. В час.

В конце 19 века изменился паровой двигатель. Изобретатели решили использовать не давление пара, а скорость его движения. Так в 1884 году англичанин Парсон создал многоступенчатую паровую машину.

Эксперт-физик

Демонстрирует на моделях устройство и принцип действия тепловой машины

Эксперт-историк 2

Я расскажу о двигателе внутреннего сгорания.

На определенном этапе развития техники стало ясно, что пользоваться теплом для совершения работы лучше, чем затрачивать его на получение пара, а потом использовать пар.

Ученые не могли себе представить двигатель, который имел бы другой принцип работы, чем паровой, поэтому создание нового двигателя пошло по пути поиска горючего, продукты сгорания которого использовались как рабочее тело. В 1794 году изобретатель Роберт стрит получил патент на атмосферный двигатель.

На Всемирной выставке в Париже в 1867 году немецкий коммерсант Отто представил новый газовый двигатель.

Одно из наиболее удачных изобретений было сделано Рудольфом Дизелем. Он использовал сжатие воздуха до 35 атмосфер и повышение температуры до 700 градусов, что приводило к воспламенению топлива при соприкосновении с воздухом. ДВС прочно существенную долю среди тепловых установок транспорта и занимают позиции практически единственной силовой установки в наземном транспорте.

Эксперт-физик

Демонстрирует на моделях устройство и принцип действия ДВС

Эксперт-историк 3

Я расскажу об истории создания реактивного двигателя, которая не так продолжительна. Свое начало она берет в нашем столетии. В разгар Первой мировой войны А.И. Тихомиров посылает прошение царю о предоставлении ему привилегии на разработку самодвижущихся в воде и на воздухе мин, в которых использовались бы реактивные двигатели, теоретически обоснованный К.К. Циолковским. Под руководством В.П. Глушко создается серия ОРМ. В качестве окислителей в них использовались: жидкий кислород, азотная кислота, тетроксид азота, а в качестве горючего – бензин, керосин.

В 1933 году созданы двигателя для ракет и торпед, в 1936 году разработаны двигатели ОРМ-65 с ручным и автоматическим пуском, регулируемой в полете тягой, на высококипящем топливе, выдерживающий до 50 запусков. В 1940 году было разработано семейство двигателей ЖРД для самолетов Пе-2Р, Як-7Р, Су-6, Су-7.

В 1954 году М.К. Тихонравов и С.П. Коряев предложили создание искусственных спутников Земли.

Эксперт-физик

Демонстрирует на моделях устройство и принцип действия реактивного двигателя и турбины.

Учитель физики

Ученые, делая открытия, часто не задумываются о последствиях, которые могут иметь отрицательный, а порой и необратимо губительный характер. То же самое происходит и с тепловыми машинами, в частности, с автомобилями. Прежде чем перейти к их отрицательной роли, остановимся на краткой характеристике основных направлений в решении проблемы автотранспорта.

Эксперт инженер-физик 1

 

Эксперт инженер-физик 2

Второй путь в решении экологических проблем, связанных с автотранспортом, состоит в использовании экологически чистого топлива.

Для увеличения октанового числа к бензинам добавляют тетраэтилсвинец (С₂Н₅)₄Pb, поэтому выхлопные газы содержат высокую концентрацию свинца. Сейчас во многих странах отказались от этилированного бензина, заменив свинец другими присадками, например, в США с 1990 года около 60% присадок составляет этиловый спирт. В Бразилии 90% производимых автомобилей работает не на бензине, а на этаноле. В Австралии используют «дизохол» - смесь дизельного топлива со спиртом. Во Франции используют дизельное топливо в смеси со сложным эфиром, полученным из спирта и рапсового масла. Выброс вредных веществ при этом сокращается на 40%.

Еще одно экологически чистое топливо – водород. Немецкая фирма БМВ сконструировала автомобиль, который работает на водороде. Жидкий водород хранится в баке с теплоизоляцией и, медленно испаряясь, поступает в двигатель, где смешивается с воздухом и взрывается. В сентябре 2004 года уникальный автомобиль поставил рекорд скорости 302 км в час. В дальнейшем на производство будет поставлен автомобиль с «гибридным» двигателем, т.е. работающим и на бензине, и на водороде.

Учитель химии

Вашему вниманию представлена схема 1, демонстрирующая значительную часть отрицательных сторон автотранспорта. Более подробно на них остановятся наши эксперты. Слово предоставляется экспертам-экологам.

Эксперт-эколог

Рассмотрим конкретно воздействие машин на окружающую природу

Парниковый эффект

Углекислый газ, угарный газ, оксиды серы являются «парниковыми» газами, то есть вызывают парниковый эффект, выражающийся в повышении температуры у поверхности Земли. Его механизм заключается в образовании особого слоя в атмосфере, который отражает тепловые лучи, идущие от Земли, не давая им уходить в космическое пространство. Это может привести к таянию льда в полярных областях и, как следствие, к повышению уровня Мирового океана, а, следовательно, к наводнениям.

Кислотные дожди

Обратите внимание на рисунок 2 (на доске плакат «Кислотные дожди»). Попадающие в атмосферу в огромном количестве кислотные оксиды образуют с туманом или дождем смог и кислотные дожди. Оксиды серы с водой образуют серную кислоту, а оксид азота образует азотную и азотистую кислоты. У человека они вызывают поражение кожи,, обструктивный рахит, отек легких. У животных также наблюдается нарушение жизнедеятельности, а также гибель. У растений в первую очередь поражаются листья, а в дальнейшем гибнет все растение. Так, в Скандинавии наблюдается массовая гибель лесов по этой причине. Также эти дожди вызывают коррозию металлов и разрушение зданий.

Кроме того, оксиды азота способствуют разрушению озонового слоя. Также ДВС  поглощает кислород, уменьшая его концентрацию в атмосфере.

Проблема диоксинов

Этилированные бензины, дизельное топливо являются мощным источником диоксинов, которые в несколько тысяч раз токсичнее цианистого калия.

Шумовое загрязнение

Уровень шума до 30 децибелов является фоновым, что же касается громких звуков, то допустимая граница – 80 дБ, 130 дБ вызывает болевые ощущения, а 150 становится непереносимым. Уже сейчас на главных магистралях города уровень шумов превышает 90 дБ и имеет тенденцию к ежегодному усилению на 0,5 дБ.

Отходы

В Иркутске ежегодно производится 2-4 замены отработанного масла для 120000 личных автомобилей. Отработка только одного автомобиля способна привести в негодность годовой (!) запас воды для 50 человек, поэтому необходимо восстановить систему сбора отработанного масла, из каждого литра которого можно произвести 250 мл смазочного материала, что сэкономит 160 л сырой нефти. А покореженные, старые корпуса машин, автомобильные покрышки, старые аккумуляторы в различных уголках города – это обязательная примета современного ландшафта.

Эксперты химики

1. На автотранспорт приходится 50% атмосферного загрязнения г. Иркутска. В других городах эта цифра колеблется от 30 до 90%. Подавляющее большинство автомобилей в Иркутской области заправляют бензином марок А-93 и А-96, так называемый этилированный бензин, в который для повышения октанового числа добавляют тетраэтилсвинец (С₂Н₅)₄Pb. Этилтрованный свинец не позволяет использовать фильтры и каталитические дожигатели, которые больше чем на две трети уничтожают вредные компоненты выхлопов. В 1 л бензина может содержаться 1 т тетраэтисвинца, который разрушается и выбрасывается в атмосферу в виде соединений свинца.

Свинец – один из основных загрязнителей внешней среды. Его поставляют главным образом современные двигатели с высокой степенью сжатия, выпускаемые автомобильной промышленностью.

2. Количество выбрасываемых автомобилем продуктов сгорания заставляет ужаснуться. Один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы больше 4 тонн О₂, выбрасывает с выхлопными газами около 800 кг СО, 40 кг оксидов азота, 200 кг различных углеводородов.

Автомобильные выхлопные газы – смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды – не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, среди которых большое место занимают непредельные углеводороды этиленового ряда, особенно гексен и пентен. Из-за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества.

Их доля возрастает в 10 раз, когда двигатель работает на малых оборотах или момент увеличения скорости, то есть во время заторов или у красного сигнала светофора.

СО₂ и большинство других выбросов тяжелее воздуха, поэтому они скапливаются у поверхности земли. Таблица 2

Оксид углерода (1) соединяется с гемоглобином крови и мешает ему нести кислород в ткани организма.

Оксиды азота играют большую роль в образовании продуктов превращения углеводородов в атмосферном воздухе.

Эксперт-биолог

Для начала хочу привести некоторые определения

Канцерогенные вещества – это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую активность и способность вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организмах. В зависимости от условий воздействия они могут приводить к ингибированию роста, ускорению старения, нарушению индивидуального развития и изменению генофонда организмов.

Канцерогенные вещества: ПАУ (нафталин, бензпирен, бензантрацен).

Мутагенные вещества: свинец, оксид серы, азота, кадмий.

В год образуется 2,4 – 10 тонн СО, 7 млн тонн СО₂

Эксперт-биолог

На автотранспорт приходится 50% атмосферного загрязнения в городе Иркутске.

Угарный газ, содержащийся в выхлопных газах, образует с гемоглобином в крови прочное соединение карбоксигемоглобин, которое препятствует поступлению достаточного количества кислорода в мозг, что ведет к увеличению психических заболеваний, заболеваний дыхательных органов и летальных исходов.

Бензпирен и другие ПАУ (полициклические ароматические углеводороды) обладают высокой канцерогенной активностью. Среди производных ПАУ можно выделить диоксины, которые в тысячи раз токсичнее цианистого калия. Диоксины вызывают мутации и рождение уродов, рак, психические расстройства, болезни иммунной системы.

Кадмий отрицательно воздействует на костную и половую систему, кору надпочечников, зубы, нарушает углеводородный обмен. При большой концентрации он вызывает болезнь «итай-итай».

Свинец является тератогеном, вызывает у грудных детей нарушение ЦНС, костной системы, слуха, зрения, и в дальнейшем смерть.

В нашем городе практически не бывает влажной уборки улиц, и свинцовая пыль залетает в окна. Измученные диетами и лекарствами, страдающие от всевозможных аллергий городские дети не имеют возможности избежать свинцовой и других интоксикаций.

Эксперт экономист

Около 2 млрд тонн нефти потребляет автомобильный и дизельный транспорт. Средний КПД двигателей 23%: 18-22 у бензиновых и 25-40 у дизелей и турбин.

Коэффициент загрузки (вес груза к весу автомобиля) составляет 10% у легковых и 25 у грузовых. В среднем по транспорту КЗ равен 15%, в итоге КПД автомобиля 1,2%. Расчеты показывают, что из 2 млрд тонн нефти 23% превращаются в механическую работу, из которой лишь 12% уходит на привод колес, а 88 составляют потери, т.е. 1740 млн тонн нефти тратится впустую (таблица 2).

Из этой величины 85% тратится на перевозку самого автомобиля и 15 на перевозку грузов, т.е. 39 млн тонн нефти на полезную работу. Таким образом, КПД нефтяного транспорта равен всего 2% в среднем, а 98% добываемой нефти идет на разрушение среды обитания человека.

Звучит музыка Виктора Цоя «Алюминиевые огурцы»

Учитель химии

Мы не мыслим себя без транспорта и современная жизнь устроена так, что он стал необходимым атрибутом. Но если рост транспорта, а значит и его вредного воздействия будет идти такими же темпами, то может оказаться, что скоро ездить-то будет некому. Поэтому каждый должен по возможности оберегать себя и своих близких. А как это делать, нам попытаются подсказать авторы проекта «Дом у дороги»

Заключение:

Целый мир охватив от Земли до небес

Всполошив не одно поколение

По планете шагает научный прогресс

Что несет нам его проявление?

Мы сегодня стоим пред проблемой проблем

Проступившей так четко и явственно

Видно, время задуматься всем

Над вопросом «Наука и нравственность»

Нам открыты пути, нам шагать далеко…

Мы в ответе за все перед вечностью.

 

 

 

 

 

 

 

Рекомендации к проекту

 

«Дом у дороги»

1.      Шум и вибрации снижаются при обтекаемой форме дома, высоком фундаменте или размещении дома на сваях, тройном или двойном остеклении окон, толстых стенах из дерева, облицовке наружных стен плиткой.

2.      Более экологичным является водяное отопление, электроплита, при наличии колодца необходимо делать его закрытым. Нельзя пользоваться талым снегом или дождевой водой для питья или мытья.

3.      Участок следует обнести высоким забором со стороны дороги (понижает уровень загрязнения в 10 раз), высадить деревья и кустарник вдоль дороги или вдоль забора, а также в разных местах участка. Не следует употреблять в пищу ягоды с этих кустов, не сжигать опавшие с них листья и не укладывать их в компост, а закапывать в неиспользуемом месте.

4.      Нельзя сажать вблизи дороги картофель, капусту, салат, т. к. они поглощают интенсивно свинец, зато можно сажать укроп, лук, чеснок. Для очистки почвы от свинца в междурядья можно высаживать злаковые и салат, потом и убирать аналогично опавшим листьям. Во избежание вредного влияния свинца и кислотных оксидов почву нужно известковать, теплицы и парники во время дождя не открывать, при использовании дождевой воды для полива добавлять гидрокарбонат калия с микроэлементами. Поливать лучше в то время, когда загазованность от автотрассы наименьшая. Не использовать удобрения, подкисляющие почву.

 

Поглотительная способность высших растений

 

Вещества	Какое растение поглощает его в больших количествах
Сернистый газ	Тополь, береза, сирень, ива, черемуха, ель, жимолость, боярышник
Сероводород	Алиссум, левкой, тагетес, тополь
Хлор и его соединения	Ива, тополь, осина
Оксиды азота	Сосна, яблоня, вишня
Аммиак	Тополь, ива
Угарный газ	Ольха, осина, ель
Свинец, тяжелые металлы	Тополь, сосна, ива, черемуха, злаки, капуста, салат, картофель, кабачки, черемуха
Органические вещества	Сирень, тополь, осина, водные растения – рдест, камыш, тростник, ряска, рогоз
Радиоактивные вещества (стронций, цезий, полоний…)	Черемуха, черемша, брусника, липа, тополь, клен
Фториды	Ива, тополь

Проектирование дома

Количество этажей

Фундамент дома (высокий, невысокий, дом на сваях)

Материал (деревянный, панельный, кирпичный0

Крыша дома (односкатная, двускатная)

Внешний вид дома (куб, пирамида, цилиндр; цилиндр, положенный на бок)

Стены дома (тонкие, толстые; окрашены, не окрашены, облицованы плиткой)

Окна дома (большие, небольшие; с одинарным, двойным, тройным остеклением)

К дому примыкает (застекленная веранда, открытая терраса)

Отопление (печное, газовое)

Водяное отопление, печь (на 1 этаже, в подвале, на жилом этаже) топить углем, дровами

Для приготовления пищи (электрическая, газовая плита, печка)

 

Обустройство участка

Участок окружен (глухим забором, живой изгородью, ничем не окружен)

На участке растут кустарниковые, древесные, травянистые растения, расположенные (хаотично, параллельно автотрассе, перпендикулярно дороге)

Посажены дикорастущие (хвойные, лиственные), плодовые деревья, дикорастущие и культурные кустарники (ягодные, отпугивающие насекомых, обладающие фитонцидной активностью)

Для посадки выбраны деревья и кустарники с высоким содержанием пектиновых веществ, органических кислот, витамина

Построена одна большая теплица для огурцов, помидоров и перцев

Построены 3 небольшие теплицы

Теплицы расположены (параллельно дороге, перпендикулярно, рядом с дорогой, подальше от дороги)

На участке нет колодца, воду набирают с речки, зимой из проруби

На участке вырыт колодец

 

Подсобное хозяйство

Ближе к дороге посажу кустарники, подальше картошку и капусту

Ближе к дороге посажу картошку и капусту, подальше кустарники

Почву под картофель и капусту (буду известковать, не буду известковать)

Между кустами капусты и картофеля посажу побольше салат а для еды

Буду делать несколько посадок салата, чтобы все лето и осень употреблять в пищу

Салат посажу в междурядьях, потом (уберу в компост, уберу с участка)

Буду выращивать много лука, чеснока, укропа (на отдельных грядках, в междурядьях, ближе к дороге, дальше от дороги)

Не буду выращивать (лук, чеснок, укроп)

Во время дождя буду открывать теплицы, чтобы не поливать

Теплицы закрыты во время дождя

Буду поливать огород (утром, вечером)

Осенью соберу все растительные остатки и (сожгу, положу в компост, закопаю вне огорода)

Весной буду использовать снег для увлажнения участка, буду выносит с участка, не дожидаясь пока растает

На участке сделаю пугало, чтобы отпугивать птиц

Сделаю скворечники и кормушку для птиц

Разведу кроликов, коз (около дороги много травы)

Траву буду косить подальше от трассы

Рядом с участком много черемши, буду заготавливать ее

Буду собирать ягоды и фрукты с деревьев и кустарников вдоль дороги