Научно-практическая конференция . Тема "«Роль автомобильного транспорта в загрязнении окружающей среды г. Улан-Удэ и влияние выхлопных газов на здоровье детей»

Министерство образования и науки Республики Бурятия

Комитет по образованию г. Улан-Удэ

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 12 имени Героя Советского Союза Ж.Е.Тулаева»

ХХX городская научно-практическая конференция школьников

«Шаг в будущее»

Секция «Физика»

Тема:

«Роль автомобильного транспорта в загрязнении окружающей среды г. Улан-Удэ и влияние выхлопных газов на здоровье детей»

Выполнила: Хунтеева Александра Михайловна

Ученица 8 Б класса

Руководитель: Тихонова

Евгения Владимировна

Учитель физики

1 квалификационная категория

Улан-Удэ

2023 г

Оглавление:

Введение……………………………………………………………………………………...3

1.Что такое тепловые двигатели…………………………………………………………....4

1.2. Развитие тепловых машин……………………………………………………………..4

1.3. Виды тепловых двигателей…………………………………………………………… 5
1.4. Атмосфера и ее значение для человека………………………………………………. 6
1.5. Источники загрязнения атмосферного воздуха……………………………………… 7

2.Практическая часть………………………………………………………………………. 9
Заключение…………………………………………………………………………………. 10
Литература………………………………………………………………………………… 11

Приложения…………………………………………………………………………………. 12

Введение

Человечество издавна волновали такие проблемы, как мир и война, отношения с далекими и близкими соседями, открытия в медицине, науке и технике и т.д. Эти проблемы волнуют и сейчас. Но как-то исподволь, незаметно, вопросы экологии вышли на первое место по своей общечеловеческой значимости, и вот уже с самых высоких международных трибун говорят о том, как сохранить нашу землю голубой и зеленой. И если раньше выживание ассоциировалось прежде всего с предотвращением ядерной войны, то сейчас выжить – значит не погубить себя своей же собственной деятельностью: не закоптить небо промышленными дымами, не отравить реки отходами, не закоптить самих себя горами мусора и т.д. В последние десятилетия деятельность человека оказывает огромное по масштабам и интенсивности воздействие на природную среду. Человек – часть природы, и ее разрушение грозит ему множеством бед. У Земли много проблем, и одна из них – выхлопные газы.

Автомобили на сегодняшний день в городах – главная причина загрязнения воздуха. Сейчас в мире их насчитывается более полумиллиарда. Выбросы от автомобилей в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне 60-90 см от поверхности Земли и особенно на участках автотрасс, где стоят светофоры и на пешеходных переходах. Надо отметить, что особенно много канцерогенных веществ выделяется во время разгона, торможения, при работе двигателя на холостом ходу, а также при езде по ямам и колдобинам.

Актуальность проблемы состоит в том, что, сейчас стало доступным приобретение автомобиля и соответственно необходимо выявить количество автомобилей с уровнем загрязненности атмосферы выхлопными газами.

Цель работы: оценка и вычисление токсичных продуктов от работы транспорта, характер их действия на здоровье детей.

Задачи: исследовать и рассчитать уровень выброса токсичных продуктов от работы бензиновых и дизельных двигателей в окружающую среду. Раскрыть сущность связанных с этим экологических проблем и убедить в важности бережного отношения к окружающей нас природе.

Практическая значимость: проведенные исследования дают возможность точно определить количество автомобилей, проезжавших в данное время на различных участках нашего города и точно посчитать по формуле количество выхлопных газов, выброшенных в атмосферу.

Что такое тепловые двигатели?

Тепловой двигатель - устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твердотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законами термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

Развитие тепловых машин

До конца XVII в. - начала XVIII в человек не построил никаких двигателей, кроме ветряного и водяного колеса. Созданием новых двигателей люди в те времена не занимались потому, что все хозяйство держалось на рабах, а позже в средние века, на крепостных, которые выполняли почти всю работу, необходимую для жизни общества. Но вот в городах начали зарождаться первые ремесленные цеха, а позднее более крупные производства. Требовался такой двигатель, который мог бы выполнить всю работу. Новый двигатель должен был быть универсальным. И человек такой двигатель построил. Это были тепловые двигатели.

1707г. – Французский изобретатель Дени Папен построил первую паровую машину.

1763г. – Русский техник Иван Иванович Ползунов значительно усовершенствовал паровую машину.

1860г. – Французский изобретатель Ленуар изобрел Двигатель внутреннего сгорания.

1876г. – немецкий механик – самоучка Николай Отто создал двигатель, работающий по четырехтактному циклу и имеющий КПД 22%.

1889г. – шведский инженер Лаваль получил патент на активную паровую турбину.

Огромное значение имели паровые двигатели до середины ХХ века, т.к. были основными на железной дороге. Сегодня там большее распространение получили дизельные двигатели, т.е. Д.В.С., мощные паровые турбины используются и на водном транспорте, и на всех АЭС, где для получения пара высокой температуры используют энергию атомных ядер. Паровые турбины установлены и на ТЭЦ, которые вырабатывают более 80% энергии для страны. ДВС широко используются на автомобильном транспорте: их устанавливают на автомашинах, мотоциклах, грузовых автомобилях. Кроме автотранспорта, ДВС используют на железнодорожном транспорте, в легкой авиации, в бензопилах, на различном сельскохозяйственном оборудовании и т.д. Этот вид двигателей хорош своей сравнительно высокой мощностью при относительно небольших размерах. Тепловые двигатели играют положительную роль в жизни и развитии человечества, находят широкое применение в транспорте, торговле, выработке электроэнергии, исследование космоса и планет. Кроме положительного эффекта от использования тепловых машин проблема имеет и другую сторону. Человек долго использовал ДВС, не зная о его отрицательном воздействии на него, животных, растения. Лишь в последнее время это отрицательное воздействие заметили и начали с ним бороться. От использования тепловых машин в год образуется 2,4-10 тонн угарного газа,7млн. тонн углекислого газа

Виды тепловых двигателей

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

Первая паровая машина представляла конус с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. В России первая действующая паровая машина, не требовавшая вспомогательного гидравлического привода, была построена в 1766 году по проекту русского изобретателя Ивана Ивановича Ползунова, предложенного им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно и все действия в ней проходили автоматически. Машина действовала на Барнаульском заводе в течение пары месяцев (она перестала использоваться вследствие поломки), а через некоторое время была демонтирована.

Паровая турбина — тепловой двигатель, в котором энергия пара преобразуется в механическую работу. В лопаточном аппарате паровой турбины потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь преобразуется в механическую работу — вращение вала турбины. Пар от парокотельного агрегата поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и воздействуя на них, приводит ротор во вращение.

Газовая турбина — лопаточная машина, в ступенях которой энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Основными элементами конструкции являются ротор (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статор, именуемый сопловым аппаратом. Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей, стационарных газотурбинных установок и парогазовых установок.

Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от воздействия, разогретого при сжатии воздуха. Назван по имени изобретателя. Первый двигатель, работающий по такому принципу, был построен Рудольфом Дизелем в 1897 году. Спектр видов топлива для дизельных двигателей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения — рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизельный двигатель может с определённым успехом работать и на сырой нефти. Первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или лёгких нефтепродуктах. Интересно, что первоначально в качестве идеального топлива он предлагал каменноугольную пыль — Германия при больших запасах угля не имела нефти. Эксперименты же показали невозможность использования угольной пыли в качестве топлива — прежде всего из-за высоких абразивных свойств как самой пыли, так и золы, получающейся при сгорании; также возникали большие проблемы с подачей пыли в цилиндры.

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры, так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле. Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Атмосфера. Её значение для человека.

Из всех составных частей биосферы для нормальной жизнедеятельности человека, прежде всего, нужен воздух. В сутки человек в среднем потребляет кислород из двадцати килограммов воздуха. Но потребляемый воздух должен отвечать определённым санитарным требованиям, иначе он вызовет острые или хронические заболевания. Атмосферный воздух — это источник дыхания человека, животных и растительности, сырьё для процессов горения и синтеза химических веществ; он является материалом, применяемым для охлаждения различных промышленных и транспортных установок, а также средой, в которую выбрасываются отходы жизнедеятельности человека, высших и низших животных и растений.

Во Вселенной земная атмосфера - уникальное и удивительное явление. Она состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа и других элементов. К бесценным богатствам нашей планеты следует отнести в первую очередь богатую кислородом и сбалансированную по газовому составу атмосферу. Наибольший интерес представляет для нас нижняя часть атмосферы, главным образом тропосфера, поскольку в ней происходят основные метеорологические явления, влияющие на загрязнение атмосферного воздуха. Промышленная пыль представляет собой один из основных видов загрязнения атмосферы. Вред, причиняемый пылью и золой, является глобальным. Запыленная атмосфера плохо пропускает ультрафиолетовую радиацию, обладающую бактерицидными свойствами, и препятствующую самоочищению атмосферы. Пыль засоряет слизистые оболочки дыхательных органов и глаз, раздражает кожные покровы человека, является переносчиком бактерий и вирусов, снижает освещенность улиц, заводских зданий, жилищ, вызывая перерасход электроэнергии. Сажа, являющаяся компонентом пыли и представляющая собой практически чистый атмосферный углерод, увеличивает заболеваемость раком легких.

Источники загрязнения атмосферного воздуха.

В таблице №1 приведены экспертные оценки выделения некоторых вредных веществ как природными, так и антропогенными источниками (Приложение 1). Согласно приведенной таблице, природные источники выделяют больше вредных веществ, тем не менее, самым опасным являются антропогенное поступление. Это связано с тем, что вредные вещества антропогенного происхождения накапливаются в зоне обитания человека. Кроме того, вредные специфические вещества, не существовавшие ранее в природных условиях, в настоящее время становятся составной частью атмосферного воздуха, его микроэлементами.

Основными источниками антропогенного загрязнения атмосферы химическими веществами, поступающие в воздух в газообразном, жидком или твердом состоянии, являются промышленность и транспорт. Рассмотрим частный случай – автомобиль. Да, человек не мыслит сейчас своего существования без автотранспорта, но если посмотреть и на это удобство с другой точки зрения, то количество выбрасываемых автомобилей 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. Химический состав выхлопных газов настолько опасен, что наносит вред не только здоровью детей, но и разрушает деревья и даже дома. Кроме того, к особо опасным продуктам выхлопа относят бензапирен и свинец. Совместное присутствие диоксида азота, углеводородов и кислорода приводит к появлению очень агрессивных и вредных органических соединений, образующих фотохимический, смог. Под его воздействием у детей воспаляются глаза, отмечаются симптомы удушья, бронхиальная астма. По данным Детского Городского Аллергологического Реабилитационного Центра г. Улан-Удэ за последние 3 года наблюдается подъем аллергозаболеваний. Отсюда наблюдается рост бронхиальной астмы, атопического дерматита – что напрямую отражает действие выхлопных газов на верхние дыхательные пути. (таблица 2 приложения 1)

Загрязнение воздуха выхлопными газами оказывает вредное воздействие на живые организмы несколькими путями. Во-первых, благодаря своей летучести аэрозольные частицы и ядовитые газы попадают в дыхательную систему детей, взрослых. Во-вторых, влияют на изменение химического состава почв и воды: попадая в слои атмосферы, выхлопные газы способны повысить кислотность атмосферных осадков. В-третьих, выхлопные газы причастны к стимуляции таких химических реакций в атмосфере, которые приводят к увеличению продолжительности облучения живых организмов вредоносными солнечными лучами. И в-четвертых, выхлопные газы способствуют изменению в глобальных масштабах состава и температуры атмосферы, создавая условия, неблагоприятные для выживания организмов. Выхлопные газы сыграли немалую роль в увеличении концентраций тяжелых металлов в почве. Особенно загрязняют воздух подержанный автотранспорт (микроавтобусы). На многих из них установлены дизельные двигатели, которые экологически выгодны (топливо дешевле и расходуется меньше), но загрязняют атмосферу на порядок выше, чем бензиновый двигатель. В закрытых помещениях с выхлопными газами на поверхность стен попадает свинец. Таким образом, выхлопные газы – это главный загрязнитель помещений свинцом. Но и это еще не все. В организм через органы дыхания поступает примерно 50 процентов соединений свинца. А под действием свинца нарушается синтез гемоглобина, возникают заболевания дыхательных путей, мочеполовых органов, нервной системы. Особенно опасны соединения свинца для детей дошкольного возраста.

В Улан-Удэ основное загрязнение атмосферы создают три отрасли промышленности, автотранспорт и энергетика.

Роль пыли в атмосферном воздухе неоднозначна. Частицы пыли, являясь ядрами конденсации при образовании облаков и туманов, выполняют важную положительную роль в круговороте воды и других веществ в окружающей нас природе. Без частиц пыли не было бы ни облаков, ни туманов. С увеличением запыленности атмосферы, особенно за счет аэрозолей искусственного происхождения, очевидны и негативные последствия. Снижение солнечной энергии, проникающей через увеличившуюся облачность, отрицательно влияет на климат планеты, а повышение концентрации активных соединений. К мобильным источникам относятся автомобили и транспортные механизмы, передвигающиеся по земле, по воде и по воздуху. В больших городах к числу основных источников загрязнения атмосферного воздуха относится автотранспорт. Отходящие газы двигателей содержат сложную смесь из более чем двухсот компонентов, среди которых немало канцерогенов.

В соответствии с различиями в количествах и видах выбрасываемых загрязняющих веществ целесообразно рассматривать в отдельности двигатели внутреннего сгорания (особенно двух- и

четырехтактные) и дизели и, аналогичным образом, паровые и дизельные локомотивы. Двигатели внутреннего сгорания ежедневно оказывают отрицательное влияние на здоровье детей. Загрязняемый воздух приводит к перегрузке защитных систем детей. И в результате развиваются болезни дыхательной системы: аллергическая астма, хронические бронхиты, в головном мозге начнутся процессы, которые легко могут привести к параличу. Согласно статистике ДВС вызывают 70% детских болезней.

В таблице №3 указаны выбросы от мобильных источников. (приложение 1) Вредные вещества при эксплуатации подвижных транспортных средств поступают в воздух с отработавшими газами, испарениями из топливных систем и при заправке, а также с картерными газами. На выбросы оксида углерода значительное влияние оказывает рельеф дороги и режим движения автомашины. Так, например, при ускорении и торможении в отработавших газах увеличивается содержание оксида углерода почти в 8 раз. Минимальное количество оксида углерода выделяется при равномерной скорости автомобиля 60 км/ч.

В таблице №4 приведены значения концентрации основных примесей карбюраторного двигателя при различных режимах его работы. (приложение 1). Выбросы оксидов азота максимальны при отношении воздух - топливо 16:1. Таким образом, значения выбросов вредных веществ в отработавших газах автотранспорта зависят от целого ряда факторов: отношения в смеси воздуха и топлива, режимов движения автотранспорта, рельефа и качества дорог, технического состояния автотранспорта и др. Состав и объёмы выбросов зависят также от типа двигателя, которые приведены в таблице № 5 (приложение 1). Как видно из данных таблицы, выбросы основных загрязняющих веществ значительно ниже в дизельных двигателях. Поэтому принято считать их более экологически чистыми. Однако дизельные двигатели отличаются повышенными выбросами сажи, образующейся вследствие перегрузки топлива. Сажа насыщена канцерогенными веществами. В связи с тем, что отработавшие газы автомобилей поступают в нижний слой атмосферы, а процесс их рассеяния значительно отличается от процесса рассеяния высоких стационарных источников, вредные вещества находятся практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей. В соответствии с формулой для среднего удельного выброса коэффициента выброса:

Е_м= (суммарный годовой выброс загрязняющих веществ)/ (сумма годовых транспортных показателей)

В таблице №6 приведены эти величины для автомобильных выбросов (приложение 1)

Проведение эксперимента

Расчет выбросов выхлопных газов в атмосферу проводился в таком порядке. Использовалось три участка дороги в нашем городе: автотрасса, кольцо 20 А квартал, перекресток-светофор. Время проведения эксперимента было выбрано в «час пик». Находясь на участке, засекалось время (30мин), определялось число машин, останавливающихся у светофора, или на перекрестке и определялось количество переключений: торможение, набор скорости, холостой ход. Также уточнялись марки машин: легковые, грузовые, автобусы. Первый перекресток, где есть светофор, ул. Пищевая-Кольцова около автозаправки Роснефть на Мелькомбинате (рис.1,2,3,4 приложение 3), второй участок автотрасса возле рынка Крестьянский (рис. 5, 6, 7приложение 3), третий участок -кольцо в 20А квартале, (рис. 8 приложение 3). Расчет производился по формуле

М=t∙n∙k∙(m_СО+m_СО2+m_NO2+m_сажи)

Где t- время в течении, которого проводился эксперимент, n-число машин, останавливающихся у перекрестка или у светофора, k-количество переключений.

Все полученные данные были занесены в таблицу.

Таблица расчетов массы выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей по перекрестку на Мелькомбинате (г∕ мин)

Таблица расчетов массы выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей около рынка Крестьянский (г∕ мин)

Таблица расчетов массы выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей на кольце (г∕ мин)

Таким образом за 30 минут в окружающую среду выделяется до 4кг токсичных продуктов. В сутки выбрасывается 576кг, а в год 210240кг. и это только на одном перекрестке, а таких перекрестков в городе очень много. Средняя интенсивность потока превышает норму. Санитарные требования по уровню загрязнения допускают поток транспорта в жилой зоне интенсивностью не более 200 авт/час

Заключение

Анализ полученных данных дает возможность составить мониторинг, загрязнения воздуха выхлопными газами на участках дороги, где проводились исследования. (Приложение 2)

По мониторингу, можно сделать выводы, что на автотрассе выхлопных газов меньше, чем на других участках дорог. Это вызвано тем, что автомобили, проезжающие по автотрассе с одной скоростью, и не выполняли переключения. На мониторинге видно, что количество легковых автомобилей превышает количество другого транспорта в нашем городе. Жители обеспокоены тем, что водители паркуют автомобили в неположенных местах, могут ставить на детских площадках, пешеходных дорожках, тем самым, загрязняя выхлопными газами или, при технической неисправности происходит утечка масла на асфальт, что тоже неблагоприятно влияет на окружающую среду и здоровье детей. Отсюда у детей с раннего возраста наблюдается рост бронхиальной астмы, атопического дерматита, аллергического ринита, что напрямую отражает действие выхлопных газов на верхние дыхательные пути.

Список литературы.

1."Охрана атмосферного воздуха" Елманов В.И. Терновая Г.Г. Москва "Юридическая литература" 1984 г.
2."Охрана воздушного бассейна от загрязнений" Бретшнайдер Б. Курфюрст И. Ленинград "Химия" Ленинградское отделение 1989г.
3. "Охрана и контроль загрязнения природной среды" Беккер А.А. Агаев Т.Б. Ленинград Гидрометеоиздат 1989 г.
4. "Охрана окружающей среды" под редакцией Белова С.В. Москва "Высшая школа" 1983г.
"Утилизация промышленных отходов" Пальгунов П.П. Сумароков М.В. Москва Стройиздат 1990 5.http://www.nauka.jofo.me

6. http://physbook.ru

Приложение 1

Таблица №1 Выделение (10⁶ т/сут) некоторых газообразных веществ

Таблица № 2 Структура заболеваний детей с аллергопатологией

Таблица №3

Основные виды выбросов загрязняющих веществ от мобильных источников

Таблица №4

Таблица №5

Выбросы (% по объёму) веществ при работе дизельных и карбюраторных двигателей

Таблица №6 Средние удельные выбросы (коэффициенты выбросов) автотранспорта

Приложение №2 «Мониторинг загрязнения воздуха выхлопными газами»

Приложение №3

Рис.1 (перекресток Пищевая-Кольцова) Рис.2 (перекресток Пищевая-Кольцова)

Рис.3 (перекресток Пищевая-Кольцова) Рис.4 (перекресток Пищевая-Кольцова)

Рис.5 (трасса район рынка «Мелькомбинат») Рис.6 (трасса район рынка «Мелькомбинат»)

Рис.7 (трасса район рынка «Мелькомбинат») Рис.8 (кольцо 20 А квартал)

20