1. При подъеме теплого воздуха он остывает и содержащийся в нем водяной пар конденсируется.

   1. Как сказывается конденсация водяного пара на атмосферном давлении?

   2. Какое атмосферное явление происходит в результате образования области низкого давления?

   3. Сколько воды может нести в себе такая «область низкого давления» диаметром в 1000 км и высотой 3 км, если в 1 м³ содержится хотя бы 3 г воды? А если в каждом кубометре воздуха будет не 3, а 4 г воды?

   4. Как даже небольшие изменения климата могут приносить людям большие беды?

2. До начала глобально потепления водяной пар обеспечивал 80% парникового эффекта, а углекислый газ –18%. С тех пор количество углекислого газа выросло на 30%, а водяного пара – примерно на 4%.

   1. Чей вклад в увеличение парникового эффекта был больше?

   2. Почему при повышении температуры растет количество водяного пара в атмосфере?

   3. Как будет изменяться количество водяного пара в атмосфере, если температура будет повышаться и дальше?

   4. Как будет меняться парниковый эффект при увеличении количества водяного пара в атмосфере?

3. Найдите информацию и подготовьте сообщение на тему «Роль водяного пара в климате».

4. Как вы понимаете фразу «Весь наш климат – это водяной пар в атмосфере»?

5. Водяной пар является главным парниковым газом в атмосфере Земли. Его вклад в парниковый эффект составляет 80%.

   1. Почему ученые призывают сокращать выбросы не водяного пара, а углекислого и некоторых других газов, хотя в атмосфере их во много раз меньше?

1. Плавление и кристаллизация

   1. Во время последнего ледникового периода над Европой лежал ледовый щит, примерно такого же объема, как современная Антарктида. Вторая такая же «Антарктида» располагалась над Северной Америкой. В том месте, где сейчас Москва, максимальная толщина льда составляла 300-400 м. Уровень Мирового океана был на 120 м ниже современного, и все континенты, кроме Антарктиды, соединялись друг с другом сухопутными «мостами», по которым и произошло заселение Австралии и Америки.

      1. Почему уровень океана был настолько ниже современного?

      2. Когда соленость воды в Мировом океане была больше: тогда или сейчас? Почему?

      3. Почему в религиях практически всех народов мира есть рассказ о Великом потопе?

      4. Что может стать причиной нового Великого потопа?

   2. В нашей стране места, где под землей проходят теплотрассы центрального отопления, хорошо видны зимой.

      1. Куда девается снег в тех местах, где под землей проложена теплотрасса?

      2. О чем свидетельствует бесснежная полоса?

      3. Почему в странах Западной Европы центральное отопление почти не применяется?

   3. При бурении скважины в нее подается водяной раствор, который является одновременно и смазкой, и компенсатором давления.

      1. Почему этот метод бурения непригоден в Антарктиде?

      2. Каким свойством должна обладать бурильная жидкость для бурения льда?

      3. Почему, когда однажды при бурении исследовательской скважины в Антарктиде встретилось небольшое подледное озеро, бур мгновенно вмерз в лед и был потерян, а озеро было загрязнено?

      4. Почему экологи добились остановки бурения скважины в крупнейшее подледное озеро в Антарктиде?

   4. Сейчас в Антарктиде запрещена любая деятельность, кроме научно-исследовательской. Но политики многих стран уже давно говорят о необходимости изучать природные запасы Антарктиды.

      1. Почему бурение в Антарктиде экологически более опасно, чем в теплых местах?

      2. Как может сказаться человеческая деятельность на ледовом щите Антарктиды и на скорости его таяния?

      3. Как вы думаете, сколько сотен миллионов человек живет в прибрежных районах на высоте всего 1 метр над уровнем моря?

      4. К чему приведет таяние льдов Антарктиды и Гренландии?

   5. Вечная (правильнее, многолетняя) мерзлота представляет собой смесь льда, мертвых растений и животных, а также неорганических материалов (песка, глины), причем доля льда доходит до 90%. Сверху мерзлота покрыта тонким слоем растений (мхи, лишайники, некоторые травяные и кустарниковые).

      1. Почему растения на мерзлоте растут очень медленно?

      2. Почему там, где растения уничтожены, мерзлота сильнее протаивает летом?

      3. Почему любое повреждение мерзлоты (колея от вездехода, кострище, след от палатки) увеличивается лето за летом?

      4. Во что в результате такого многократного протаивания превращается колея? Кострище?

      5. Как природе удавалось «залечивать» такие повреждения раньше? Почему этот механизм не успевает работать сейчас?

2. *Удельная теплота плавления

   1. Вы уже считали в задаче 71.3 количество солнечной энергии, приносимой на каждый квадратный метр.

      1. Сколько времени требуется, чтобы такая мощность растопила слой льда толщиной 1 м?

      2. Чем реальные условия отличаются от нашего расчета? Найдите несколько отличий.

      3. Больше или меньше рассчитанного нами будет реальное время растапливания солнцем метрового слоя льда?

   2. В последние годы количество льда в Гренландии уменьшается на 250 км³ ежегодно.

      1. Сколько энергии нужно для плавления такого количества льда?

      2. Получилось огромная величина, сравнимая с энергией, используемой всем человечеством. Попробуйте оценить, на какую территорию падает за год столько солнечной энергии?

      3. Во сколько раз эта площадка меньше площади Гренландии (1,3*10⁶ км²)?

      4. Почему даже небольшие изменения в условиях поглощения или отражения солнечной энергии сильно сказываются на климате Земли?

3. *Удельная теплота парообразования

   1. Ежегодно в экваториальных районах с каждого квадратного метра океана испаряется 3000 л воды.

      1. Сколько Ккал энергии на это тратится? А сколько кВт*ч?

      2. Сравните эту энергию с энергопотреблением вашей семьи

      3. Откуда берется энергия для испарения воды?

      4. Вся ли падающая на эту площадь энергия расходуется только на испарение воды? Если нет, то на что еще?

      5. В атмосфере над каждым квадратным метром земной поверхности может содержаться 15-20 кг водяного пара. Куда же деваются 3000 кг воды, испаряющиеся за год?

   2. Как на основании данных предыдущей задачи найти, сколько времени в среднем проводит в атмосфере вылетевшая из океана молекула воды?

      1. Почему климатологи называют атмосферу «узким горлышком» между океаном и сушей?

      2. Что произойдет, если в результате изменений климата это «узкое горлышко» станет шире? Везде ли при этом изменения будут происходить одинаково?

      3. Водяной пар является главным парниковым газом в атмосфере Земли. Его вклад в парниковый эффект составляет 80%. Почему же никто не призывает сокращать выбросы водяного пара?

   3. В воздухе всегда есть водяной пар, количество которого зависит от температуры.

      1. Сколько тепла выделяется при конденсации 1 г водяного пара?

      2. На сколько градусов должен остыть 1 м³ (1,2 кг) воздуха, чтобы выделилось такое же количество теплоты?

      3. Чем отличаются процессы нагревания и охлаждения сухого воздуха (например, в пустыне) и влажного воздуха (например, вблизи водоема)?

      4. Почему воду и водяной пар называют главными «виновниками» погоды на Земле?

4. *Удельная теплота сгорания

   1. Сколько стоит КВт*ч, полученный из бензина, при КПД=100%? А при реальном КПД электростанций (30%)?

   2. Вы уже считали в задаче 71.1, сколько стóит одна «электрическая» килокалория.

      1. Сколько стóит одна «газовая» килокалория? Плотность газа 0,7 кг/м³, удельная теплота сгорания 40 МДж/кг.

      2. Почему «электрическая» калория дороже газовой в несколько раз, хотя на многих электростанциях для выработки электроэнергии используется природный газ?

   3. Сколько стоит «нефтяной» кВт*ч при сегодняшней цене на нефть (посмотрите в интернете) и КПД электростанции 35%?

   4. Тепловые электростанции, работающие в России, в среднем тратят 1 т у.т. (удельная теплота сгорания 7000 ккал/кг), для выработки 2500 кВт*ч электроэнергии.

      1. Чему равен КПД такой электростанции?

      2. Куда девается остальная энергия, которую не удается превратить в электричество?

   5. Для того, чтобы двигать автомобиль по ровной дороге, необходима сила в 300 Н.

      1. Какую работу нужно совершить для того, чтобы переместить автомобиль на 1 км?

      2. Обычный автомобиль расходует 100 г бензина на 1 км пути. Посчитайте КПД автомобиля.

      3. Как можно учесть при расчете КПД автомобиля тот факт, что масса автомобиля около 1300 кг, а масса полезного груза (как правило, одного пассажира и небольшой сумки) составляет 70-80 кг? Чему в действительности равен КПД автомобиля?

   6. Вы уже знаете, что солнечные лучи в южных широтах ежегодно испаряют 3-х метровый слой океанской воды.

      1. Сколько топлива (например, угля) потребовалось бы сжечь для испарения воды всего с 1 м²?

      2. Сейчас человечество ежегодно сжигает около 2 млрд. т угля. С какой площади океана можно было бы испарить 3-метровый слой воды количеством теплоты, заключенным в этом угле?

      3. Чему равна сторона квадрата, имеющего такую площадь? Как выглядит такой квадрат на карте полушарий?

      4. Придумайте другие примеры, показывающие, что падающая на Землю солнечная энергия многократно превосходит получаемую нами от сжигания ископаемого топлива.

5. Преобразование энергии в тепловых процессах

   1. На стр. 3 обложки (рис. 17) схема экономичного кондиционера «Ice bear». Ночью кондиционер замораживает 2 т воды в баке, а днем он выключен и электричество требуется только для работы небольшого насоса и вентиляторов. Такой аппарат в жарком климате позволяет экономить ежегодно тысячи долларов без ущерба для комфорта.

      1. Опишите превращения энергии в таком кондиционере.

      2. Почему забрать одну калорию тепла у воды в баке получается дешевле, чем у воздуха в помещении?

      3. Почему сейчас почти во всех странах цена «ночного» кВт*ч энергии меньше, чем дневного?

      4. Какие еще меры, позволяющие сократить расходы на кондиционирование, вы можете посоветовать?

   2. Вернитесь еще раз к описанию парникового эффекта в задании 70.1.

      1. Какие преобразования энергии происходят при парниковом эффекте на Земле?

      2. Напишите короткое (в нескольких предложениях) рассуждение об этом.

   3. Сейчас в мире все чаще применяются очень маленькие (как стиральная машина) теплоэлектростанции для индивидуальных домов. Топливо (чаще всего газ) поступает в очень тихий двигатель внутреннего сгорания, который вращает электрогенератор, дающий ток. Горячий двигатель и выхлопные газы греют воду для бытовых нужд и воздух в помещении.

      1. Опишите превращение энергии в мини-ТЭС.

      2. КПД больших тепловых электростанций обычно составляет 30-35%. Остальное тепло частично используется для центрального отопления, частично просто теряется. А чему равен КПД мини-ТЭС?

      3. Можно ли сделать КПД такой установки больше 100%, совместив ее с «тепловым насосом», рассмотренным в задаче 73.3?

   4. В гибридных автомобилях, например, «Тойота Приус», кроме двигателя внутреннего сгорания, есть и электродвигатель, работающий от аккумулятора. Но источником энергии для зарядки аккумулятора служит сгорающий в ДВС бензин.

      1. Почему же «Тойота Приус» потребляет примерно в два раза меньше бензина, чем обычные автомобили этого класса?

      2. Какие превращения энергии топлива происходят в силовой установке этого автомобиля?

      3. В электромобилях конструкторы стараются сделать аккумулятор большим и энергоемким, чтобы увеличить пробег машины. Почему в «Приусе» аккумулятор совсем небольшой, лишь немного больше тех, которые служат для запуска двигателей?

6. *Паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель

   1. В гибридном автомобиле «Тойота Приус», кроме двигателя внутреннего сгорания, есть электродвигатель, работающий от аккумулятора. Но источником энергии для аккумулятора служит сгорающий в ДВС бензин.

      1. Какие недостатки двигателя внутреннего сгорания устранены в «Приусе»?

      2. Почему автомобили такого типа появились совсем недавно, хотя никаких принципиально новых технических решений в них нет и его можно было сделать еще 20-30 лет назад?

      3. Почему для автомобилей производятся тысячи разновидностей ДВС, а электродвигателей для электромобилей – только десятки?

   2. Вместо дорогих солнечных батарей в солнечных электростанциях часто используют зеркала, собирающие свет на трубы, по которым течет жидкость.

      1. Почему солнечное тепло, как правило, нагревает не воду, а другую жидкость, которая затем отдает тепло воде?

      2. Как тепловая энергия, полученная водой, превращается в механическую?

      3. Какие достоинства и недостатки есть у такой СЭС по сравнению с обычными топливными электростанциями?

   3. Тепловая и тем более атомная электростанция – очень дорогой объект, инвестиции в который окупаются 30-50 лет. В настоящее время во многих странах строят новые ТЭС и АЭС.

      1. Можно ли рассчитывать на то, что выбросы парниковых газов и другие вредные воздействия таких станций будут быстро уменьшаться в будущем?

      2. Почему, несмотря на преимущества возобновляемых источников энергии, огромные суммы по-прежнему тратятся на традиционные и вредные электростанции?

      3. Кому выгодно строительство этих станций и кому достанутся вредные последствия их работы?

   4. Вернитесь к описанию парникового эффекта в задании 70.1.

      1. Какую роль в усилении парникового эффекта играет увеличение количества двигателей, сжигающих ископаемое топливо?

      2. Напишите короткое (в нескольких предложениях) рассуждение о связи между парниковым эффектом и тепловыми двигателями.

7. *Кпд тепловой машины

   1. Температура нагревателя ТЭС 650°С, а холодильника 200°С.

      1. Чему равен КПД ТЭС?

      2. Иногда в конструкцию двигателя пытаются добавить дополнительную паровую машину с Т_нагр=200°С и Т_хол=100°С? Чему будет равен КПД такой добавочной машины?

      3. Почему такие устройства практически нигде не применяются?

   2. Обычный автомобиль проезжает на одном литре бензина около 10 км. Существуют соревнования экспериментальных очень экономичных автомобилей, для победы в которых нужно проехать на одном литре бензина как можно больше.

      1. Попробуйте предположить, сколько могут проехать на 1 л такие машины.

      2. Найдите в интернете информацию о последних рекордах, установленных такими машинами. За счет каких технических новинок установлены такие фантастические рекорды экономичности?

      3. Какие усовершенствования, применяемые в рекордных образцах, уже нашли применение в серийных машинах?

      4. Какие, возможно, будут применяться в будущем?

   3. Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания сильно отличается от теоретического цикла Карно.

      1. Чему равен КПД двигателя мощностью 100 л.с., который в течение часа израсходовал 12 литров бензина?

      2. Чему будет равен КПД тепловой машины Карно с температурой нагревателя 1300°С и Т_хол=200°С?

      3. Почему КПД реального двигателя значительно ниже? В какие формы энергии, кроме совершения механической работы, переходит энергия топлива?

      4. Найдите информацию о том, за счет каких перспективных разработок в будущем можно будет повысить КПД двигателей внутреннего сгорания.

   4. Допустим, что КПД двигателя внутреннего сгорания равен 40%.

      1. Во всех ли режимах работы КПД двигателя будет одинаковым?

      2. Приведите пример, когда двигатель работает с КПД=0.

      3. Почему расход топлива при малых скоростях движения растет, хотя сопротивление воздуха уменьшается?

      4. Можно ли считать, что КПД автомобиля равен КПД его двигателя? Почему?

   5. Еще 30 лет назад в России (в Тольятти) был создан «рекуператор» – устройство, запасающее энергию машины при торможении и затем использующее ее для разгона. Его расчет есть в задаче 40.2.

      1. Как влияет применение такого устройства на КПД автомобиля?

      2. На каких машинах его применение дало бы наибольший эффект?

      3. Попытайтесь догадаться, в каком виде запасается энергия в рекуператоре, если в нем нет электричества.

      4. Пока это устройство не выпускается серийно. Попытайтесь найти причины.

8. *Экологические проблемы использования тепловых машин

   1. Прочитайте текст.

Продукты сгорания автомобильного топлива становятся причиной смерти европейцев в пять раз чаще, чем дорожно-транспортные происшествия. Такие данные привели медики испанского исследовательского центра «Риск». Они подсчитали, что ежегодно от заболеваний, связанных с выхлопными газами, в Европе умирают 225 тыс. человек. В России подобной статистики не ведется. Но экологи и медики сходятся во мнении: у нас жертв выхлопных газов как минимум в 2 раза больше.

1. Какие меры могли бы снизить количество заболеваний и смертей от продуктов сгорания?

2. Для каких населенных пунктов эта проблема наиболее важна?

3. Что может сделать каждый человек для того, чтобы уменьшить риск для себя лично?

4. Попытайтесь составить вместе с родителями «Правила поведения в городе», помогающие сохранить здоровье.

1. Темы выступлений для ученической конференции:

   1. Современные двигатели внутреннего сгорания.

   2. Тепловые электростанции – больше сжигать или экономнее тратить?

   3. Киотский протокол и сокращение выбросов.

   4. Программы развития альтернативной энергетики в России и других странах.

   5. Программы энергосбережения в России и других странах.

   6. Экологический бизнес. Прошлое, настоящее и будущее.

   7. Роль малого бизнеса в решении экологических вопросов.