Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду.

Государственное бюджетное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №8 г.о. Отрадный Самарской области

Научно-исследовательская работа

по теме: «Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду»

направлению: экология

Выполнил:

Сантимова  Полина Сергеевна

ученица 9 класса ГБОУ СОШ №8

г.о. Отрадный

Научный руководитель:

Сантимова Елена Анатольевна

учитель физики

2014 г.

Содержание.

1. Введение………………………………………………………………………………..3
2. Основная часть:

1.  К чему приводит загрязнение окружающей среды: ..…………………….4

       а) загрязнение свинцом

       б) загрязнение оксидом углерода (II);

       в) загрязнение оксидом углерода (IV);

       г) загрязнение оксидами азота (NO и NO2);

       д) загрязнение сажей.

2.2. Затраты автомобилем кислорода………………………………………….10

2.3. Мои исследования «У светофора»………………………………………..11

3.   Заключение…………………………………………………………………………...14

4.   Список литературы…………………………………………………………………..15

                                                   Введение.

Автомобили на сегодняшний день в России – главная причина загрязнения воздуха в городах. 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. Наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасывается при разгоне автомобиля, особенно при быстром, а также при движении с малой скоростью (из диапазона наиболее экономичных). Относительная доля (от общей массы выбросов) углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота - при разгоне. Из этих данных следует, что автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малой скоростью. 

Загрязнение воздушной среды способствует как заболеваниям человека, животных, растений, так и изменениям окружающей среды.

Запасы свободного кислорода на нашей планете возобновляются только зелеными растениями – водорослями, деревьями, кустарниками, травами. Невольно проникаешься уважением к этим живым лабораториям, которые ежедневно трудятся для того, чтобы не дать людям и животным задохнуться от недостатка кислорода.

Итак, цель моей работы - оценка и вычисление токсичных продуктов от работы транспортов, характер их действия на живые организмы и окружающую среду.

                                                         Задачи:

1. Провести практическую работу на светофорах с примерным подсчётом токсичных продуктов, выброшенных за 10 минут.
2. Найти информацию о влиянии этих продуктов на окружающую среду и живые организмы.
3. Сравнить выброс токсичных продуктов бензиновых и дизельных двигателей.

                                                            Актуальность.

В России количество машин растёт с каждым годом. Следовательно, растёт и количество выбрасываемых токсичных продуктов. Влияние их на среду и на живые организмы также увеличивается, что приводит к разным болезням не только людей и животных, но и растений.

                          К чему приводит загрязнение окружающей среды.

Почва - основной компонент наземных экосистем, который образовался в течение геологических эпох в результате постоянного взаимодействия биотических и абиотических факторов. Как сложный биоорганоминеральный комплекс почвы являются естественной основой функционирования экологических систем биосферы.

Важным свойством почв является их плодородие. Благодаря нему почвы являются основным средством производства в сельском и лесном хозяйствах, главным источником сельскохозяйственных продуктов и других растительных ресурсов, основой обеспечения благосостояния населения. Поэтому охрана почв, рациональное использование, сохранность и повышение их плодородия, - непременное условие дальнейшего экономического прогресса общества.

Загрязнение почвы - это попадание в почву разных химических веществ, токсикантов, отходов сельского хозяйства и промышленного производства, коммунально-бытовых предприятий в размерах, которые превышают их обычное количество, которое необходимо для участия в биологическом круговороте грунтовых экологических систем.

Статистический анализ позволил достаточно надежно установить зависимость между уровнем загрязнения воздуха и такими заболеваниями, как поражение верхних дыхательных путей, сердечная недостаточность, бронхиты, астма, пневмония, эмфизема легких, а также болезни глаз. Резкое повышение концентрации примесей, сохраняющееся в течение нескольких дней, увеличивает смертность людей пожилого возраста от респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний. В декабре 1930 г. в долине реки Маас (Бельгия) отмечалось сильное загрязнение воздуха в течение 3 дней; в результате сотни людей заболели, а 60 человек скончались - это более чем в 10 раз выше средней смертности. В январе 1931 г. в районе Манчестера (Великобритания) в течение 9 дней наблюдалось сильное задымление воздуха, которое явилось причиной смерти 592 человек. Широкую известность получили случаи сильного загрязнения атмосферы Лондона, сопровождавшиеся многочисленными смертельными исходами. В 1873 г. в Лондоне было отмечено 268 непредвиденных смертей. Сильное задымление в сочетании с туманом в 
период с 5 по 8 декабря 1852 г. привело к гибели более 4000 жителей Большого Лондона. В январе 1956 г. около 1000 лондонцев погибли в результате продолжительного задымления. Большая часть тех, кто умер неожиданно, страдали от бронхита, эмфиземы легких или сердечно-сосудистыми заболеваниями. 

       Загрязнение свинцом.

Свинец – пластичный, мягкий металл. Температура плавления +327,4 0 С, температура кипения +1725 0 С, плотность – 11,34 г/см 3 , цвет – синевато-серый. Хорошо поддаётся литью, ковке, пайке и прокатке.

Основным источником загрязнения атмосферного воздуха свинцом в РФ является автотранспорт, использующий свинецсодержащий бензин. Автомобильный парк выбрасывает ежегодно в атмосферу 10 млрд. абсолютно смертельных доз свинца или в весовых единицах 250 килотонн металла. Так общее количество свинца, выбрасываемое в воздух   в результате сгорания топлива в двигателях, в 1997 году составляло 301 килотонну, или примерно две-три смертельные дозы на человека в год.

Как правило, наиболее высокая концентрация свинца в атмосферном воздухе наблюдается в зимний период, что связано с дополнительными выбросами в атмосферу продуктов сжигания топлива. Неблагоприятные метеорологические условия в этот период года также способствуют накоплению свинца в нижних слоях атмосферы.

 Свинец влияет на нервную систему человека, что приводит к снижению интеллекта, вызывает изменение физической активности, координации слуха, воздействует на сердечно-сосудистую систему, приводя к заболеванию сердца. Это оказывает негативное влияние на состояние здоровья населения и в первую очередь детей, которые наиболее восприимчивы к свинцовым отравлениям.

Содержимое свинца в почве преимущественно колеблется от 0,1 до 20 мг/кг. Однако в почву поступает значительное количество свинца из естественных и антропогенных источников. К первым принадлежат: силикатная пыль, галоидные соединения, дым лесных пожаров, морские соли, метеоритная пыль, а из второго - сгорание этилового бензина, других видов топлива, инсектициды, распахивание земель, но др. Так, известно, что в настоящий момент в мире ежегодно производится около 3,5 тыс. тонн свинца, из которых от 2,5 тыс. тонн до 3,1 тыс. тонн сгорает с этиловым бензином.

Загрязнение почвы и растений свинцом вдоль автомобильных дорог распространяется на расстояние до 200 метров. Попадание свинца в организм человека через сельскохозяйственные продукты может привести к поражению центральной нервной системы, печени, почек и мозга. В промышленных районах содержание свинца в почве в 25 - 27 раз больше, чем в сельскохозяйственных.

Причины летнего листопада – высокое содержание свинца в воздухе. Но, концентрируя свинец, деревья тем самым очищают воздух. В течении вегетативного периода одно дерево обезвреживает соединения свинца, содержащиеся в 130 л . бензина.

Если почва прочно связывает свинец, это предохраняет от загрязнения её грунтовые и питьевые воды, растительную продукцию. Но тогда сама почва постепенно становится все более зараженной и в какой-то момент может произойти разрушение органического вещества почвы с выбросом свинца в почвенный раствор. В итоге такая почва окажется непригодной для сельскохозяйственного использования. Почвы песчаные, малогумусовые устойчивы против загрязнения; это значит, что они слабо связывают свинец, легко отдают его растениям или пропускают через себя с фильтровыми водами. Установлено, что в слое глубиной до 5 см свинец накапливается более интенсивно, чем медь, молибден, железо, никель и хром.

Свинец негативно влияет на биологическое свойство в почве, ингибируя активность ферментов (в особенности дегидрогеназу и уреазу) уменьшением интенсивности выделения углекислого газа и численности микроорганизмов. Свинец вызывает нарушение метаболизма микроорганизмов, особенно процессов дыхания и клеточного разделения.

                                   Загрязнение оксидом углерода (II).

Оксид углерода (угарный газ, окись углерода, монооксид углерода) — бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха. Химическая формула — CO. Нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени: от 12,5 до 74 % (по объёму).

Самый крупный источник оксида углерода в городах — автотранспорт. В большинстве городов свыше 90% СО попадает в воздух вследствие неполного сгорания углерода в моторном топливе по реакции: 2С + О2 = 2СО.

Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн.т.  Оксид углерода является соединением,  активно реагирующим  с составными частями атмосферы. Он способствует повышению температуры на планете и созданию парникового эффекта.

Оксид углерода исключительно агрессивный газ, легко соединяющийся с гемоглобином (красными кровяными тельцами). При соединении образуется карбоксигемоглобин. Его повышение (сверх нормы, равной 0,4%) в крови  сопровождается:

а) ухудшением остроты зрения и способности оценивать длительность интервалов времени;

б) нарушением некоторых психомоторных функций головного мозга (при содержании 2-5%);

в) изменениями деятельности сердца и легких (при содержании более 5%);

г) головными болями, сонливостью, спазмами, нарушениями дыхания и смертностью (при содержании 10-80%). 

Токсическое действие оксида углерода проявляется в органах и тканях, потребляющих много кислорода, таких, как мозг, сердце, работающие скелетные мышцы и развивающийся плод.

Образование карбоксигемоглобина в крови - процесс обратимый: после прекращения    дыхания оксидом углерода начинается его постепенный вывод из крови; у здорового человека содержание оксида углерода в крови каждые 3-4 ч уменьшается в два раза. Оксид углерода - очень стабильное вещество, время его жизни в атмосфере составляет 2-4 мес. При ежегодном поступлении 350 млн. т концентрация угарного газа в атмосфере должна была бы увеличиваться примерно на 0,03 млн. Однако этого, к счастью, не наблюдается, чем мы обязаны в основном почвенным грибам, очень активно разлагающим СО (некоторую роль играет также переход СО в СО2) . 

                                  Загрязнение оксидом углерода (IV).

Оксид углерода(IV) (углекислый газ, диоксид углерода, двуокись углерода, угольный ангидрид) — CO2, бесцветный газ, без запаха, со слегка кисловатым вкусом.

Углекислый газ попадает в воздух вследствие полного сгорания углерода в моторном топливе по реакции: С + О2 = СО2.

Углекислый газ в атмосфере Земли, по состоянию на 2011 год, представлен в количестве 392 ppm или 0,0392 %.[1]Роль углекислого газа (CO2, двуокись или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит, прежде всего, в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями. Углекислый газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи и лучи видимой части спектра, которые поступают на Землю от Солнца и обогревают её. В то же время он поглощает испускаемые Землёй инфракрасные лучи и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Диоксид углерода не токсичен, но не поддерживает дыхание. Большая концентрация в воздухе вызывает удушье. Недостаток углекислого газа тоже опасен. Углекислый газ в организмах животных имеет и физиологическое значение, например, участвует в регуляции сосудистого тонуса.

С марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание углекислого газа в атмосфере падает, а с октября по февраль — повышается. Вклад в зимний прирост дают как окисление древесины (гетеротрофное дыхание растений, гниение, разложение гумуса, лесные пожары), так и сжигание ископаемых топлив (угля, нефти, газа), заметно увеличивающееся в зимний сезон.

                                 Загрязнение оксидами азота (NO и NO2)

Оксид азота (IV) (диоксид азота, бурый газ) NO2 — газ, красно-бурого цвета, с характерным острым запахом. Оксид азота (IV) высокотоксичен. Даже в небольших концентрациях он раздражает дыхательные пути, в больших концентрациях вызывает отёк лёгких.

Оксид азота (II) (моноксид азота, окись азота, нитрозил-радикал) NO — бесцветный газ, плохо растворимый в воде. Токсичен, также как и другие окиды азота, кроме N2O, поражает дыхательные пути.

Оксиды азота в значительном количестве выделяются при работе двигателей внутреннего сгорания.

Они участвуют в образовании кислотных дождей. Азотная кислота, образующаяся из оксидов азота, составляет около 35% от всех кислот, содержащихся в дождевой воде.

Оксиды азота принимают участие в образовании фотохимического смога, что приводит к вторичному загрязнению атмосферы городов. К фотохимическим процессам, характерным для южных солнечных городов, относятся процессы образования пероксиацетилнитратов (ПАН), которые при концентрациях 0,1-0,5 мг/м3 могут вызывать раздражение слизистой оболочки глаз и гибель растений. Наличие ПАН в атмосфере характерно для так называемого «летнего» смога. Уровень фотохимического загрязнения воздуха тесно связан с режимом движения автотранспорта.

Высокие уровни оксидов азота приводят к учащению случаев катара верхних дыхательных путей, бронхита и воспаления легких у населения. Люди с хроническими заболеваниями дыхательных путей (например, астма или эмфизема легких), а также лица, страдающие сердечно-сосудистыми заболеваниями, могут быть более чувствительными к прямым воздействиям оксидов азота. У лиц, страдающих хроническими сердечно-сосудистыми заболеваниями и заболеваниями дыхательных путей, в присутствии оксидов азота легче развиваются осложнения при кратковременных респираторных инфекциях.

                                            Загрязнение сажей.

Сажа — аморфный углерод, продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов в неконтролируемых условиях.

Сажа входит в категорию частиц опасных для лёгких, так как частицы менее пяти микрометров в диаметре не отфильтровываются в верхних дыхательных путях. Дым от дизельных двигателей, состоящий в основном из сажи, считается особенно опасным из-за того, что его частицы приводят к раку.

                                 Затраты автомобилем кислорода.

Молекулярная формула наиболее качественного бензина – С8Н18.  В двигателе внутреннего сгорания бензин реагирует с кислородом воздуха О2. При этом выделяются углекислый газ, вода и большое количество тепловой энергии, которую двигатель преобразует в механическую.

Уравнение сгорания бензина выглядит так:

                                  2 С8Н18 + 25 О2 = 16 СО2 + 18 Н2О

Обратите внимание: для сгорания 2 молекул бензина требуется 25 молекул  кислорода! Конечно, молекула бензина тяжелее, но зато более легких молекул кислорода требуется очень много!

Бак легкового автомобиля обычно вмещает 40 л бензина. Плотность бензина 0,7 кг/л. Следовательно, в полном баке находится 28 кг бензина. Получается, что автомобиль «съедает»  98244 г или более 98 кг кислорода от заправки до заправки.

Кислород занимает в атмосфере примерно пятую часть, поэтому уничтожение такого его количества делает совершенно непригодным для дыхания примерно 350 кубических метров воздуха. Но автомобиль выбрасывает в атмосферу значительное количество также непригодного для дыхания диоксида углерода СО2.

Итак, 98 кг «съеденного» автомобилем кислорода - это по весу в 3,5 раза больше израсходованного бензина (28 кг). Надо учесть, что мощные грузовики и тяжелые автобусы расходуют кислорода гораздо больше уже потому, что тратят больше бензина на каждый километр пути.

Ежедневно на дороги выезжают миллионы автомобилей только в нашей стране.

Люди не собираются отказываться от удобств, связанных с бензиновыми двигателями, но в качестве платы за этот комфорт необходимо по крайней мере беречь растения, делиться с ними местом в той среде обитания, которую мы вместе занимаем.

                                    Мои исследования « У светофора».

Я решила вычислить количество выбрасываемых токсичных продуктов на светофорах своего города.

              Состав выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей (г/мин)

                                                                                                                                     Таблица №1.

Для проведения данной практической работы я решила выбрать два перекрёстка: улиц Отрадная и Первомайская (1); улиц Пионерская и Сабирзянова (2).

Время проведения работы – 10 минут. Я выбрала промежуток времени между 17.00 и 18.00.

Для того чтобы рассчитать количество выбрасываемых токсичных продуктов, нужно подсчитать количество машин, останавливающихся на перекрёстках – n.

Рассмотрим перекрёсток №1.

n=178  

Из этих 178 машин – 29 просто приостанавливались (2 переключения), а 149 ещё и работали на холостом ходу (3 переключения).

Определяем количество переключений:

                                                           торможение      

                                                           набор скорости       k

                                                           холостой ход

1. 2 ∙ 29=58
2. 149 ∙ 3=447
3. 58 + 447=505

Рассчитываем массу выбросов по формуле:

M=t ∙ n ∙ k ∙ (mco+mco2+mNO2+mсажи)

М=10 ∙ 178 ∙ 505 ∙ (0,035+0,217+0,002+0,04)=456 641,2 г

Получается, что за 10 минут в атмосферу было выброшено почти 457 кг токсичных отходов. Но это при условии, что все машины ездили на бензиновых двигателях.

Допустим, что все машины ездили на дизельных двигателях.

Тогда:

М= 10 ∙178 ∙505 ∙ (0,017+0,2+0,001+1,1)=1 184 750,2 г

А это значит, что за 10 минут работы дизельного двигателя в атмосферу выбрасывается более тонны токсичных продуктов.

Рассмотрим перекрёсток №2.

n=114

Из этих 114 машин – 17 просто приостанавливались( 2 переключения), а остальные 97 ещё и работали на холостом ходу (3 переключения).

Определяем количество переключений.        

1)17 ∙ 2=34                                                                                                                                      2)97 ∙ 3=291                                                                                                                                     3)34 + 291=325

Рассчитываем массу выбросов по формуле:

M=t ∙ n ∙ k ∙ (mco+mco2+mNO2+mсажи)

М=10 ∙ 114 ∙ 325 ∙ (0,035+0,217+0,002+0,04)=14 820,254 г

Получается, что за 10 минут в атмосферу было выброшено почти 15 кг токсичных отходов. Но это при условии, что все машины ездили на бензиновых двигателях.

Допустим, что все машины ездили на дизельных двигателях.

Тогда:

М= 10 ∙ 114 ∙ 325 ∙ (0,017+0,2+0,001+1,1)=488 319 г

А это значит, что за 10 минут работы дизельного двигателя в атмосферу выбрасывается около половины тонны токсичных продуктов.

Получается, что выбросы дизельных двигателей значительно больше, чем выбросы бензиновых двигателей.

                                                   Заключение.

Токсичные отходы двигателей внутреннего сгорания включают в себя вещества, опасные для жизни. Поэтому в больших городах много людей с хроническими заболеваниями дыхательных путей.

Я провела исследования на перекрёстках своего города и выяснила, что за небольшой промежуток времени в нашу атмосферу выбрасывается от 500 кг до 1 т вредных токсичных отходов, а в больших городах – более тонны.

Также в ходе исследований было установлено, что выбросы дизельных двигателей значительно больше, чем выбросы бензиновых двигателей.

Я узнала, что каждый легковой автомобиль от заправки до заправки «съедает» 98 кг кислорода. И это в том случае, если не учитывать выбросы грузовых машин, при которых «съеденного» кислорода будет больше.

Люди не хотят отказываться от удобств, связанных с транспортом. Многие даже не задумываются о вреде окружающей среде. И чем больше машин приобретают люди, тем грязнее  становится наш воздух, наша почва, наша жизнь. Ведь благодаря почве живут растения, которые вырабатывают кислород. А без кислорода наша жизнь не возможна.

                         Список используемой литературы.

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Монооксид_углерода
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Оксид_углерода(IV) 
3. Физика и экология. 7-11 классы: материалы для проведения учебной и внеурочной работы по экологическому воспитанию / сост. Г. А. Фадеева, В. А. Попова. – Волгоград: Учитель, 2007. – 73 с.
4. http://www.hemi.nsu.ru/ucheb157.htm
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Сажа
6. Некрасов Б. В. Основы общей химии. Т. I, изд. 3-е, испр. и доп. Изд-во «Химия», 1973 г. Стр. 495—497, 511—513
7. 3. Баратов А. Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочное издание: в 2-х книгах; Книга 2. - М.: Химия, 1990 - 384с
8.  А. В. Бялко. Растения убыстряют рост. «Природа». No 10, 1996. (по Keeling C.D., Whorf Т.P., Wahlen M., van der Plicht J. // Nature. 1995. V. 375, № 6533. P.666-670)