Человек как тепловой двигатель

Человек сказал: «движение – это жизнь» и стал искать способы передвижения для себя и необходимых ему предметов. В этом поиске он прошел от использования явлений природы и живых существ до создания искусственного движителя.

Первые примитивные аппараты появились в Риме во II веке. Более мощный толчок в развитии они получили с изобретением пороха. Ракеты и ружья, где они применялись, можно отнести к тепловым машинам, но не к двигателям. Хотя пулю и заряд они перемещали, куда было нужно.

Двигатели различают по виду используемого топлива и по месту, где оно отдает свою энергию. Топливо бывает твердым и жидким. По месту – внешнего и внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания

Влияние тепловых двигателей на здоровье человека

Вещества, содержащиеся в выхлопных газах (СО, СО₂, СН₄, SO₂, NO₂ и другие), наносят большой вред окружающей среде. Считается, что один автомобиль выделяет 1000–1200 вредных компонентов, многие из которых очень токсичны.

Коварным газом является оксид углерода СО, 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.

Более 100 лет назад английский химик А. Смит ввёл понятие кислотные дожди, но о них стали говорить только в последнее время. Как они образуются? Какое влияние они оказывают на природу? Содержащиеся в выбросах автомобилей газы, такие, как углекислый, сернистый, оксиды азота, растворяясь в дождевой воде, образуют кислоты.

Кислотные осадки (дождь, туман, снег), приводят к загрязнению как поверхностных, так и грунтовых вод.

• 1
• 2

Задача для любителей биологии.

В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. считается, что при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70 – 80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт.
КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят впустую?

Виды двигателей

Что бы легче различать, какие двигатели называют тепловыми, условно агрегаты классифицировали:

Тепловые двигатели с источником тепла отдельно от рабочего тела.

Мотор Стирлинга

Принцип действия основан на круговороте вещества, совершающего работу в замкнутом объёме. Само совершающее работу вещество, время от времени охлаждается или нагревается. Работа выполняется за счёт изменения объёма. Преимущество двигателя в том, что он способен функционировать от подвода тепла любого происхождения.

Действующая модель двигателя Стирлинга:

Паровой мотор

Преимущество агрегатов, простота и тяга на низких оборотах. Применение установки, работающую от пара не требует использования редуктора, что облегчает конструкцию. Паровая машина хороша для применения, как тяговый двигатель и по этому показателю превосходит двигатель внутреннего сгорания. Недостатки: вес агрегата, низкая скорость и КПД, постоянное применение больших объёмов жидкости.

Применение парового двигателя CVA201 на автомобильном транспорте:

Тепловые двигатели, с источником тепла, выполняющим роль рабочего тела

Двигатель со сгоранием внутри механизма

Силовая установка, работа которой сопряжена с частичным переходом энергии от окислившегося горючего в действие силы.

Классификация моторов проходит по нескольким признакам:

• потребление топлива (бензин, солярка, пропан, бутан, метан);
• цикл работы (моторы на 2 или 4 такта);
• способ приготовления смеси (карбюратор, инжектор, дизель);
• преобразование энергии (поршень, турбина, комбинация).

Поршневые двигатели внутреннего сгорания сегодня занимают лидирующие позиции. По сравнению с другими агрегатами, установок сделано и продано большинство. Ни одна сфера деятельности человека не обходится без этих моторов.

Роторные моторы внутреннего сгорания

Особенность, простота и возможность исполнения любых габаритов установки. Ротор выступает в качестве поршня, вращение происходит по траектории эпитрохоиды в замкнутом пространстве. Пространство снабжено технологическими отверстиями впуска и выпуска, а так же свечой воспламенения. Для выполнения рабочего хода требуется четыре такта, выполнение которых происходит без механизма распределения газов. Роторный мотор не требователен к горючему, дешевле в производстве, и надёжней в сравнении с поршневыми моторами. Недостаток установки, не соответствие экологическим нормам.

Двигатели с силой тяги от реактивной струи рабочего тела

Силовые установки функционируют за счёт силы тяги, полученной от отработанных газов при сгорании рабочего вещества. Преимущество в возможности работы в пространстве без воздуха.

Турбовинтовые агрегаты

Сила тяги сгоревшего рабочего тела используется для привода воздушного винта.

Энергия и человек. Ряд случайных сравнений

В физике для решения задач иногда применяется полунаучный «метод размерностей», когда зная размерность искомой величины, мы можем догадаться, что на что поделить, сложить, умножить, чтобы получить правильный ответ. Я решил взять размерность «энергия» и сравнить «яблоки с бананами», а именно человека как энергетическую систему с другими системами.

В чем измеряется, энергия?

Disclaimer: все вычисления могут быть не точны и главная цель показать порядок чисел.

Человек — потребитель энергии. 2 кВт*ч, 100 Вт

Человек в среднем потребляет около 2000 ккалорий в день, что дает около 2 кВт*ч или около 100 Ватт, средней мощности. Можно представить, что человек ест, как одна большая лампочка на накаливания на 100 Ватт.

Энергопотребление человека сравнительно небольшое по сравнению с приборами, которые нас окружают. Можно сказать, что человек произвел техническую революцию. Человек принимает «в себя» меньше энергии, чем он использует «для себя» даже только в домашних условиях (средний расчет больше 100 кВт*ч в месяц).

Человек — вычислительная машина. 30 Вт

Распространены оценки, что мозг съедает от 200 до 1000 Ккал (стрессовые ситуации), то есть от 20%-40% энергии, что дает оценку средней мощности 30 Вт.

Мозг — крайне эффективная система. Да современные ноутбуки производят операции гораздо лучше нас и средняя мощность находится около 30 Вт, а телефоны вообще 0.5-1 Вт. Зато современные видеокарты потребляют в среднем от 250 Вт и все равно не могут сравниться с мозгом по скорости и точности обработки визуальной информации. Так что, человек очень неплохой процессор, правда только для специфических задач.

Человек — аккумулятор. 10 кВт*ч

Говорят, человек может не есть 3-7 дней. Понятно, что не питаясь, человек начнет потреблять меньше энергии на внутренние и на внешние нужды. Можно положить, что съев двойную суточную норму, человек будет активен 2 дня (при наличии воды), что дает грубую оценку 10 кВт*ч.

Если посчитать, энергоемкость человека, то мы можем получить крайне разные цифры, вес людей, которые могут прожить N-е количество дней и произвести какую-то полезную работу, крайне разнится от 50 кг — 150 кг. Скорее всего, средняя энергоемкость равна 0.1 кВт*ч/кг, что не так и хорошо и не так плохо. Мы находимся между бензином (10 кВт*ч/кг) и Liion (0.1 кВт*ч/кг), ближе к аккумуляторам.

Человек — потребитель солнечной энергии. 1-2 солнечные панели

Сегодняшняя солнечная панель дает около 300 Ватт в пике, в умеренных широтах средний КИУМ до 20% (солнце светит только днем и слабо). Мы знаем, что человек недолговечный, но все-таки аккумулятор, поэтому в среднем 2 панелей достаточно, чтобы человек питался только солнцем.

Если отбросить условности и сделать небольшие прорывы в технологиях (использование дорогих элементов позволяет достигать до 40% КПД в панелях), человеку будет достаточно носить «солнечную одежду» для того, чтобы получать всю необходимую энергию.

Человек — обогреватель

Процитирую статью про одежду: в покое человеческое тело вырабатывает 80 ватт тепла, а теряет при этом за счет дыхания 10 ватт, теплового излучения — 30 ватт, теплопроводности и конвекции — 20 ватта, испарения влаги — 20 ватт.

Получается человек крайне «слабый» обогреватель. Домашние обогреватели потребляют по 1 кВт и они покрывают нужды на обогрев только частично. Подогрев воды и обогрев помещений в принципе является самым большим энергопотреблением домашнего хозяйства. Приведу свой годовой расклад:

— Перемещение (транспорт, топливо): 8 000 кВт*ч за год.
— Электричество: 2 500 кВт*ч за год.
— Подогрев воды и обогрев: 30 000 кВт*ч за год.

Получается на средний ежедневный подогрев воды и обогрев уходит до 100 кВт*ч в день, что в 50 раз больше, чем человек в принципе потребляет.

Человек — средство передвижения (автомобиль, пешеход, велосипед)

Человек как активное живое существо может перемещаться в пространстве. Допустим человек может переместиться на 30 км за день пешком и на 120 км за день на велосипеде. Это не максимальные значения, конечно, спортсмены пробегают до 100 км и проезжают до 1000 км за день.

Попробуем сравнить человека как эффективную систему передвижения человека.

— Автомобиль с ДВС тратит в среднем 5 л на 100 км, 1 литр = 10 кВт*ч, что дает 500 Втч на км
— Электромобиль — 150-200 Вт*ч на км
— Пешеход — 2 кВт*ч разделить на 10-50 км, 50-200 Вт*ч на км
— Медленный/маленький электромобиль — 50-100 Вт*ч на км
— Электровелосипед — 10 Вт*ч/км (средняя скорость 10-15 кмч)
— Велосипедист — 2 кВт*ч разделить на 100-1000 км, 2-20 Вт*ч на км

Знаете еще интересные совпадения — пишите в комментариях.
Спасибо за внимание.

Экологические проблемы тепловых двигателей

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИСИС, нарушение связей в экосистеме или необратимые события в биосфере, вызванные антропогенной деятельностью, угрожающей существованию человека как вида. Неблагоприятная экологическая ситуация, экологическая катастрофа и экологическая катастрофа отличаются по степени угрозы природной жизни людей и развитию общества.

Загрязнение тепловыми двигателями:

1. Химический.
2. Радиоактивный.
3. Тепловой.

КПД тепловых двигателей

Каждый из нас должен быть готовым к тому, что изменение условий окружающей среды повлияет и на образ жизнедеятельности человека. Несмотря на столь серьезную угрозу, человечество мало задумывается о том, какой будет жизнь на планете Земля через пару десятков лет.

Как учесть мнение жителей?

По информации Госавтоинспекции, ижевчане ничего не имели против ранее произведенной ликвидации переходов, но, по-видимому, отсутствие официальных обращений не является критерием удовлетворенности жителей. Так, за время подготовки к круглому столу в наши социальные сети пришло порядка шести сообщений с просьбой вернуть переход на улице 30 лет Победы у магазина «Колтома», который убрали еще два года назад. Возможно, проблема состоит в том, что не все жители знают о возможности влиять на организацию пешеходных переходов.

Свои предложения ижевчане могут направлять в Управление благоустройства и охраны окружающей среды городской администрации. Затем обращения передаются на рассмотрение техническому совету. Конечно, учесть все пожелания невозможно. Так, многие жители предлагают организовывать подземные или надземные переходы, считая их более безопасными. Проблема в том, что строительство и последующее обслуживание каждого подобного объекта – слишком дорогое удовольствие. Сейчас в Ижевске шесть подземных переходов, и они, к сожалению, находятся в достаточно плачевном состоянии. В настоящее время подготавливается документация на ремонт трех из них. Ранее городские власти пытались найти концессионеров, но успехом эта идея не увенчалась.