ТРАНСПОРТ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
КОНФЕРЕНЦИЯ 10 КЛАСС
,
учитель физики
муниципального образовательного
учреждения средней
общеобразовательной школы № 9
г. Переславля-Залесского
Наша школа участвует в решении важнейшей задачи - формировании экологически грамотных граждан России. В соответствии с утверждёнными Министерством программами мы увязываем законы, явления и объекты природы, основные направления научно-технического прогресса с экологическими проблемами. Это способствует развитию интереса к предмету у детей гуманитарного склада мышления. Используем различные формы организации деятельности учащихся: уроки-конференции с экологической тематикой, уроки-семинары, уроки-игры, уроки групповой работы, исследовательскую работу. Результаты исследований обобщаются в виде рефератов, которые защищаются на экзамене.
После изучения тем «Принципы действия тепловых двигателей», «КПД тепловых двигателей». «Охрана окружающей среды» проводится обобщающий урок в виде конференции. Класс разбивается на группы (специалисты, журналисты). Первые подбирают материал и подготавливают наглядные пособия. Вторые готовят вопросы и выпускают по итогам конференции стенгазету.
План конференции
Двигатели внутреннего сгорания – карбюраторный и дизельный. Их устройство и принцип работы; Загрязнение атмосферного воздуха выхлопными газами автотранспорта и их влияние на здоровье человека. Средства и меры борьбы с подобным загрязнением:а) нейтрализаторы;
б) альтернативные виды топлива.
Задачи урока:
Оборудование: модель ДВС, рисунки, таблицы, видеозаписи.
Звучит музыкальный фрагмент песни «Автомобили»
Вступление
Ведущая: Почти каждый день вам приходится ездить в тралейбусе, трамвае, автобусе. Тогда скажите, что же общего у автобуса и самолёта, у автомобиля и ракеты? Без чего все такие разные технические средства остались бы недвижимыми? Ну, конечно же, без двигателей или, как ещё говорят, моторов. Много разных двигателей придумано, но самые сложные и самые распространенные - те, что работают за счёт тепла, преобразуя тепловую энергию в механическую. Их так и называют – тепловые двигатели. О них и пойдёт речь на нашей конференции.
Инженер-конструктор. Первый ДВС изобрел в 1878 г. немецкий механик-самоучка Николай Отто. Этот двигатель работал на газе. Позже, в 1885 г. г его коллега инженер Даймлер, построил карбюраторный двигатель работавший на бензине. Его «сердцем» является карбюратор - устройство, в котором смешиваются бензин и воздух, образуя горючую смесь. Напомним принцип работы четырехтактного карбюраторного двигателя (рассказ сопровождается рассмотрением р, V-диаграммы и модели ДВС).
I такт: всасывание горючей смеси (1-2), объем увеличивается при р = const.
II такт: сжатие горючей смеси (2-3). В точке 3 горючая смесь поджигается электрической искрой, происходит взрыв, и давление скачком повышается (3-4).
III такт: рабочий ход (4-5), в конце которого (точка 5) открывается выпускной клапан, давление резко падает (5-6).
IV такт: поскольку давление остается больше атмосферного, отработанные газы выталкиваются в окружающую среду (6-7), происходит выхлоп.
Цикл завершен, закрывается выпускной клапан, открывается впускной, начинается новый цикл.
Малая масса, компактность, сравнительно высокий КПД (25-30 %) обусловили широкое применение карбюраторных двигателей. Они приводят в движение автомобили, мотоциклы, моторные лодки, бензопилы.
Но у этих двигателей есть и недостатки: дорогое высококачественное топливо, сложная конструкция, большая скорость вращения вала двигателя, выхлопные газы, загрязняющие атмосферу. Более экономичен четырехтактный дизельный ДВС. В 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на двигатель, в цилиндре которого сжимался воздух, а не горючая смесь. Дизельный двигатель работает без карбюратора и свечи, на дешевых сортах топлива, причем расходует его меньше.
Рассмотрим принцип его работы (плакат «Дизель»).
I такт: при ходе поршня вниз через впускной клапан в цилиндр засасывается атмосферный воздух (изобара 1-2).
II такт: при ходе поршня вверх воздух адиабатно сжимается до давления примерно 1,2 • 106 Па, что ведет к повышению его температуры в конце такта 2-3) до 500-700 °С. В сжатый раскаленный воздух впрыскивается с помощью топливного насоса и форсунки дизельное топливо, оно 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 (изобара 3-4). По окончании горения впрыснутой порции топлива происходит адиабатное расширение газа (4-5), открывается выпускной клапан, давление падает (изобара 5-6).
IV такт: поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания в атмосферу (изобара 6-7).
Цикл завершен. Полезная работа равна площади заштрихованной фигуры. Она больше полезной работы карбюраторного двигателя, поэтому больше КПД <35-40%). Дизельные двигатели устанавливают на тракторах и автомобилях, на речных и морских теплоходах, на дизель-электроходах, тепловозах, электростанциях небольшой мощности (демонстрируются кадры из диафильма «Применение двигателей»).
Журналисты: Очень много машин на улице. Они гудят, дымят, людям трудно дышать. На сколько вредны выбросы автотранспорта? И какие это вещества?
Эколог: Да, вещества, содержащиеся в выхлопных газах (СО, СО2, SO2 и др.) наносят большой вред окружающей среде. Считается, что один автомобиль выделяет вредных компотов, многие из которых очень токсичны (табл.).
Состав отработанных газов карбюраторных ДВС
Компоненты | Максимальная концентрация об. % | Токсичность | Предельно допустимая концентрация, мг/м3 |
N2 | 74-77 | Нет | - |
H2O | 3,0-5,5 | Нет | - |
O 2 | 0,2-5,0 | Нет | - |
CO 2 | 0,5-12,0 | Нет | - |
CO | 0,2-5,0 | Да | 20 |
NОx | 0-0,8 | Да | 5 |
SO 2 | 0,02-0,1 | Да | 10 |
парафины | 0-1,2 | Да | 3•10-4 |
ароматические соединения | 0-0,4 г/м3 | ||
сажа | до 20 г/м3 | Да | 10-6 |
бензопирен | … | Канцерогенный | 2 •мг/кг |
свинец | Токсичный |
Коварным газом является оксид углерода (II) СО, или угарный или угарный газ. В легких он соединяется с гемоглобином крови в 200-300 раз быстрее, чем кислород. При сильном отравлении человек может
погибнуть от кислородного голодания. Зарегистрированы случаи, когда, попадая в районы интенсивного автомобильного движения, люди теряли сознание. Угарный газ угнетает также активность ферментов клеток печени, сердца, мозга, повышает уровень сахара в крови.
Большие количества выбрасываемого углекислого газа СО2, ведут к возникновению парникового эффекта, который заключается в поглощении атмосферой теплового (инфракрасного) излучения Земли. Это может привести к такому повышению температуры земной поверхности, что вызовет таяние льдов и соответственно поднятие уровня Мирового до 50 м.
Выбросы сернистого газа SO 2 и оксидов азота вызывают заболевание дыхательных путей. Кроме того, соединение азота неблагоприятно действует на кровь и кровеносные сосуды.
Содержащиеся в выбросах автомобилей газы (углекислый, сернистый, оксиды азота), растворяясь в дождевой воде, образуют кислоты. Кислотные осадки (дождь, туман, снег), оседая на почву, способствуют образованию ионов алюминия и других токсичных металлов, что приводит к загрязнению как поверхностных, так и грунтовых вод. Алюминий способен вызвать болезнь Альцгеймера, заключающуюся в преждевременном старении и развитию умственной неполноценности.
Кислотные дожди вызывают коррозию металлов, разрушают строительные материалы. Дожди, содержащие карбонат кальция, приводят к образованию так называемого каменного рака памятников культуры.
Эколог 2: Хочу добавить, что содержащиеся в отработанных газах автомобилей алканы, алкены вызывают депрессию центральной нервной системы. При взаимодействии с оксидами азота они под действием солнечного излучения образуют фотохимический смог (появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость, воспаляются глаза, слизистые оболочки носа, горла, обостряются лёгочные заболевания).
При сжигании топлива происходят выбросы твёрдой фазы (сажи). В саже содержится сильное канцерогенное вещество – бензопирен. Высокая заболеваемость злокачественными опухолями у людей, длительное время дышавших воздухом с бензопиреном, установлена статистически. Особенно много бензопирена выделяется на холостом ходу, во время разгона, торможения, а также при езде по плохим дорогам.
Вредным компонентом автомобильных выхлопов является свинец. Он вызывает заболевание крови, нарушение функций почек, нервные расстройства, отрицательно влияет на синтез белка и наследственность.
Журналисты: какая система очистки выхлопных газов используется? Выполняется ли экологический контроль?
Конструктор: Пример строжайшего экологического контроля мы найдем в американском штате Калифорния. Там с 1975 года введены нормы, требующие «чистого выхлопа». Для их соблюдения приходится обязательно применять нейтрализаторы для автомобильных двигателей.
Нейтрализаторы (обычно каталитические) выполняются в виде двухкамерного реактора. В одной из камер осуществляется окисление угарных газов и углеводородов. Во второй камере - восстановление оксидов азота.
Дополнительный подсос воздуха
Эти нейтрализаторы применяются на автомобилях и с карбюраторными, и с дизельными двигателями. Отечественные катализаторы – из оксида алюминия тоже снижают в отработанных газах уровень оксида углерода (II) на 80 %, углеводоровод - на 70 %, оксидов азота – на 50 % (в целом в 10 раз). Конечно, самым лучшим катализатором является платина, но это дорогой и дефицитный металл.
По мере эксплуатации обнаружились и неблагоприятные факторы. При рабате ДВС на этилированном бензине поверхность катализатора быстро обволакивается свинцом, при работе на дазельном топливе на ней осаждается сажа и сера. Все это достаточно быстро выводит катализатор из строя.
Журналисты: Автотранспорт переходит на дизельные двигатели, т. к. это топливо дешевле, проще по конструкции, имеет более высокий КПД, по сравнению с карбюраторным. А экологически дизельные двигатели чище карбюраторных?
Конструктор 3: В дизельном топливе нет свинцовых присадок. В выбросах в 2-3 раза меньше токсичных веществ, а также оксидов углерода и углеводорода меньше на 50-90 %. Разработаны двигатели, работающие на особом виде горючего – смеси дизельного топлива и природного газа. В городах появились «Икарусы» с двумя вместительными баллонами на крыше. У этих автобусов нет дымного шлейфа, который тянется за тяжёло гружённой машиной, они экологически чистые. Отработанных газов у них, по сравнению с обычными автобусами в 4 раза меньше, расход топлива вдвое ниже, мощность двигателя выше на 10-12 %, а время работы между ремонтами больше в 1,5 раза. Кроме того, природный газ дешевле бензина, лучше смешивается с воздухом, поэтому вполне сгорает и вредных веществ в выхлопах меньше.
Химик-технолог: Хочу добавить, что в последнее время в качестве топлива предложили использовать этиловый спирт или этанол, который при сгорании образует только углекислый газ и воду. Получают этанол из растений. Машины, работающие на спирте, биогазе, уже имеются, больше всего их в Бразилии.
Наиболее экономичным видом топлива является водород. Для его получения можно использовать обыкновенную воду. Водород не ядовит, при сгорании 1 моль водорода выделяется тепла в 3 раза больше, а при сгорании атомарного водорода – в 8 раз больше, чем при сгорании такого же количества бензина. Трудность состоит в промышленной технологии разложения воды. Водород – это топливо будущего.
Журналисты: Скажите, а скоро ли электромобили появятся на наших дорогах?
Инженер: О простоте и надёжности электромобиля инженеры наслышаны давно. Преимущества электромобиля несомненно. Во-первых, он экологически чист, во-вторых, исключается использование нефти. Источник его энергии – аккумулятор. Натрийсерные, никелькадмиевые и другие типы аккумуляторов позволяют преодолевать расстояния до 700 км, развивать скорость свыше 100 км/ч, поддоны с аккумуляторными батареями легко меняются за 10-15 мин.
Представим себе, что мы все пересядем на электромобили. Выполнимо ли это? Нет! Где мы их возьмём? Надо создать целую отрасль промышленности, кроме того, если все автомобили перевести на электроягу, на всей планете не хватит электричества для зарядки аккумуляторов. Значит, надо строить новые электростанции. Ведь сегодня большую часть энергии, до 80%, вырабатывают ТЭС, сжигающие уголь, мазут и выбрасывающие в атмосферу немало вред ных веществ, так что «экологически чистый» автомобиль будет отнюдь не таким чистым.
Специалисты сегодня проверяют разные варианты. «Жигули», «рафики», «уазики» с надписью «Элсктро» на борту бегают в городах. Появились первые машины, энергию для движения которых дают фотоэлементы, преобразующие энергию Солнца, а чтобы эта энергия расходовалась более рационально, систему управления оснащают компьютерами.
Я надеюсь, что в скором будущем электромобиль станет главным видом городского транспорта.
Журналисты: Все хорошо: перевод автомобиля на дизельные двигатели, газ вместо бензина, электромобили, - но все это в будущем, а сейчас? Что делать сейчас, чтобы воздух был чище?
Сотрудник ГИБДД: Выбросы от личного автотранспорта составляют 36 % от всех транспортных выбросов. Их снижению способствуют следующие меры:
1. Обеспечение равномерного движения машин на улицах, предотвращение заторов, задержек на перекрестках, когда автомобили простаивают, вхолостую расходуя горючее и загрязняя воздух отработанными газами.
2. Соблюдение предельной скорости движения 60 км/ч, т. к. именно этой скорости соответствует минимум вредных выбросов, при ее увеличении и уменьшении выброс может возрасти более чем вдвое.
3. Вынос за городскую черту грузовых транзитных потоков. Это в нашей области выполняется.
4. Организация пешеходных зон, микрорайонов, куда въезд автотранспорта предельно ограничен. Жаль, но в нашем городе таких микрорайонов нет.
5. Экологическое просвещение населения: каждый водитель должен знать, что причины дымления автомобиля - неисправность двигателя, неотлаженность систем питания или зажигания. Только за счет правильной регулировки автодвигателей выброс вредных веществ в атмосферу можно уменьшить в 3-5 раз. Плохо накачанные шины не только быстрее изнашиваются, но и увеличивают сопротивление движению, а значит, сжигается больше горючего. Неправильный выбор скорости движения, резкие разгоны и торможения, превышение установленной скорости, увеличение частоты вращения двигателя на холостом ходу - все это приводит к загрязнению атмосферы.
6. Создание сети диагностических станций для контроля за техническим состояние автомобилей. Такую станцию должно иметь каждое транспортное предприятие, но в наше время это не всем по карману.
Ведущий: Конференция показала, что развитие автотранспорта тесно связано с физикой, что для устранения вредных последствий этого развития необходимо провести мероприятие по снижению токсичности выхлопов автотранспорта на региональном государственном международном уровнях.
Надо помнить, что каждый из нас в ответе за чистоту на нашей Земле!
(За время конференции оформлена газета)
Использованная литература:
Н'. Физика - юным. - М.: Просвещение, 1980: .
, Новиков /O.B. Гигиена города - - М.: Просвещение, 1993.
Охрана природы. - М.: Просвещение, 1990.
Наука об окружающей среде. - М.: Мир, 1993.
Природа и человек. - М.: Просвещение, 1991.
, Н, Химия защищает природу. - М.: Просвещение, 1984.
А., Книга для чтения по физике Ч. II, 1961
Хрестоматия по физике. - М.: Просвещение, 1990.
и др. Устройство автомобиля. - М.: Машиностроение, 1990.
Занимательные вечера по физике в средней школе. Книга для учителя. – М., 1990.
Экологический проект
Автотранспорт – источник загрязнения атмосферы
Исследования проводились на участке центральной автомобильной магистрали г. Переславля - Залесского ул. Свободы, Пушкина, 40 лет ВЛКСМ
В проекте участвовали учащиеся 8 класса СОШ № 9. Руководитель , учитель физики СОШ № 9 г. Переславля – Залесского.
Все результаты исследования сведены в таблицу, согласно предложенной методике.
ТАБЛИЦА
Результаты подсчета вредных выбросов автотранспортом
г. Переславля – Залесского по ул. Свободы
Группа машин | Количество машин | М (СО) г/км | М (СН) г/км | М (NО) г/км | Общая масса выброса |
М 1 М 2 М 3 М 4 | 121 236 67 352 | 15094,43 8474,76 7697,38 11824,0,5 | 3240,86 3624,96 1435,62 1205,87 | 658,24 2006,00 343,04 667,22 | 18993,53 14105,72 9476,04 13697,13 |
Сумма Норма | 776 | 43090,61 2452,16 | 9507,31 876,88 | 3674,50 876,88 | 56272,42 4205,92 |
ТАБЛИЦА
Результаты подсчета вредных выбросов автотранспортом
г. Переславля – Залесского по ул. Пушкина
Группа машин | Количество машин | М (СО) г/км | М (СН) г/км | М (NО) г/км | Общая масса выброса |
М 1 М 2 М 3 М 4 | 10 5 7 59 | 1247,47 179,55 804,20 1981,87 | 267,84 76,80 149,99 202,12 | 54,40 42,50 35,84 111,83 | 1569,71 298,85 990,03 2295,83 |
Сумма Норма | 81 | 4213,10 255,96 | 6960,75 91,53 | 244,57 91,53 | 5154,42 439,02 |
ТАБЛИЦА
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
