Методичні вказівки з підготовки та виконання контрольної роботи з дисциплі-ни “Основи екології”

ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧ

Задача № 1.

Влітку на вулицях великого міста в середньому (умовно) цілодобового перебуває в русі 10000 легкових і вантажних автомобілів з приведеною потужністю двигунів 100 к.с., яка реалізується за номінальним значення (повністю).

1. Треба розрахувати:

- скільки буде витрачено за добу літрів (л) пального з питомою теплотою згоряння q = 40 МДж/кг; густиною r = 0,8 кг/Дж за коефіцієнта конверсії енергії пального в роботу двигуна h = 0,25 і складні пального (за масою) – 85% С і 15% Н.

Розв’язання задачі:

Згідно із законом збереження енергії (енергія) згоряння пального витрачатиметься на роботу двигуна і передаватиметься у навколишнє середовище.

Візьмемо до уваги, що маса пального, витраченого одним двигуном, Дорівнюватиме добутку об’єму (V) на густину пального (r = 0,8 кг/Дж). Роботу двигуна за годину визначимо через добуток потужності (Р) на час (t). Підставивши відповідні коефіцієнти, замінимо рівняння балансу енергії за добу:

ліворуч – тепло (енергію використаного пального),

праворуч – роботу (енергію) двигуна умовної автомашини.

Енергія пального буде пропорційною масі витраченого пального за годину (m = r V) і питомій теплоті згоряння – q (МДж/кг).

Робота (енергія) двигуна пропорційна потужності – Р (Дж/с) і часу t (с), що становитиме тільки частку від енергії, виділеної пальним. Отже, у рівнянні коефіцієнт інверсії h буде в знаменнику.

Запишемо рівняння балансу енергії за добу (86400 с) у формі позначень фізичних величин:

(1)

Відтак об’єм витраченого пального дорівнюватиме:

(2)

Підставимо замість позначень фізичних величин у рівняння (2) їх розміри (числове значення й одиниці) і отримаємо витрати пального в літрах на 1 двигун за 1 добу

,

де hf – кінська сила, дорівнює W = 736 (Вт), W = Дж/с.

V = 795 л за добу, що в перерахунку на 10000 машин становитиме

795 × 10⁴ л.

2. Треба розрахувати:

- скільки тепла від згоряння палива надійде на вулиці міста.

Розв’язання задачі:

Для визначення частки втраченої енергії Q_втр за згоряння палива Q_n, запишемо рівняння за даними задачі з урахуванням коефіцієнта конверсії h :

, (3)

або використавши фізичні величини:

(4)

Підставимо в наведене рівняння розміри фізичних величин (числові значення й одиниці)

Q_втр (Дж) = 795 × 10⁴ (л) × 0,8 (кг/л) × 40 (МДж/кг) × (1 – 0,25)

Q_втр = 19080 × 10¹⁰ Дж = 190,8 ТДж.

Таким чином, втрати тепла в навколишнє середовище склали 190,8 тераджоулей. Цієї енергії достатньо, щоб прогріти майже 455 тон води до 100 ° С.

3. Треба розрахувати:

- скільки повітря буде використано двигунами автомашин і викинуто забрудненим токсичними оксидами вуглецю, азоту і канцерогенними сполуками в навколишнє середовище.

Розв’язання задачі.

Необхідно використати стехіометричне рівняння горіння пального відповідно до його складу:

(5)

(6)

Визначимо маси вуглецю m_С і водню m_H у витраченому пальному відповідно до його відсоткового складу: 85% С; 15% Н.

За пропорцією молярних мас вуглецю й кисню та їхніх мас (кг) визначимо витрати кисню повітря за стехіометричними рівняннями (5) та (6):

, звідки

кг.

Відповідно маса кисню повітря на спалювання водню пального становитиме:

,

кг.

Разом витрата кисню на спалювання всього пального дорівнюватиме:

1441,6 × 10⁴ + 763,2 × 10⁴ = 2204,8 × 10⁴ кг.

Виходячи зі складу повітря за масою (кисень 23%), визначимо масу повітря m_пов (разом з азотом):

кг.

Об’єм повітря V_пов визначимо через його масу і густину (r _пов = 1,29 кг/м³).

м³.

4. Треба розрахувати:

- об’єм діоксиду вуглецю у вихлопних газах.

Розв’язання задачі.

Об’єм діоксиду вуглецю (V_CO2) визначимо виходячи з рівняння (5) відносно маси оксидного вуглецю пального, що її вже було враховано (m_C = 540× 10⁴ кг):

кг,

що становитиме за об’ємом Vм³ ( кг/м³):

м³.

Отже, на кожну людину мільйонного міста за добу автотранспорт викидає майже 75 л вихлопних газів з вмістом токсичних оксидів вуглецю й азоту (СО₂, СО, NO, NO₂) 10 літрів.

Задача № 2.

Танкер, промиваючи трюми, скинув в океан 4 тони дизпалива. Яку площу S поверхні океану покриє його пляма, якщо врахувати, що звичайна товщина h плівки дизпалива дорівнює двом (умовно) діаметрам молекул його вуглеводню, а густина дизпалива r = 800 кг/м³?

Розв’язання задачі.

За визначальним рівнянням , де V – об’єм палива, а h – товщина плівки. Об’єм визначаємо з рівняння:

м³. (7)

Розмір (діаметр) молекул вуглеводню палива беремо за 0,5 нм, тоді,

h = 2 × 0,5 = 1 нм, а площа плями:
^{м² (8)

Діаметр такої нафтової плями визначаємо з формули площі

км.

Задача 3.
Розрахувати забруднення атмосфери пожежною частиною викидами одиночного джерела та побудувати залежність С_м від Х_м.

Розв’язання задачі.

Максимальне значення приземної концентрації шкідливої речовини С_м (мг/м³) при викиді газоповітряної суміші з одиночної джерела з круглим устям досягається при несприятливих метеорологічних умовах (повітря, тиск тощо) на відстані Х_м (м) від джерела викиду і визначається за формулою:

, (9)
де М – маса шкідливої речовини, що викидається в атмосферу в одиницю часу (мг/с);
F – безрозмірний коефіцієнт, який враховує швидкість осідання шкідливих речовин в атмосферному повітрі; F = 1 ¸ 3;

m та n – коефіцієнти, що враховують умови виходу газоповітряної суміші з устя джерела викиду; в межах від 0 до 2;
h - безрозмірний коефіцієнт, що враховує вплив рельєфу місцевості; h =1;

Н – висота джерела викиду над рівнем землі (м);
V₁ – витрата газоповітряної суміші, (м³/с);

D Т – різниця між температурою газоповітряної суміші, що викидається Т_с та температурою навколишнього атмосферного повітря Т_пов (° С), (приймається середня максимальна температура повітря найбільш спекотного місяця року);

А – коефіцієнт, що залежить від температурної стратификації атмосфери. Для України він дорівнює 160.

V₁ визначаємо за формулою:

(10)
де D – діаметр устя джерела викиду (труди), (м);
w ₀ – швидкість (середня) виходу газоповітряної суміші з устя джерела викиду, (м).

Відстань Х_м (м) від джерела викиду, на якому приземна концентрація С (мг/м³) досягає максимального значення, визначається за формулою

(11)

Задача 4.
Для захисту водних джерел в районі пожежної частини від нафтопродуктів, що потрапляють із стічними водами, коротко описати способи їх очистки і зробити розрахунки системи вертикальних відстійників очисних споруд.
Задана розрахункова продуктивність очисних споруд Q (м³/с). швидкість руху води у відстійнику 0,0005 м/с. Висота відстійника 6 м. Визначити кількість відстійників, необхідний для очищення стічних вод пожежної частини.

Розв’язання задачі.

Після попередньої очистки стічних вод у їхній склад вводяться хімічні речовини – коагулянти, які сприяють випаданню в осадок забруднюючих речовин. Як коагулянти використовують сірчанокислий алюміній або хлорне залізо. Очистка води здійснюється в спеціальних відстійниках. Частинки зважених речовин з щільністю, більшою за щільність води, під дією сил тяжіння осідають на дно відстійника, якщо вода знаходиться в спокою або рухається з невеликою швидкістю. Вертикальний відстійник являє собою циліндричний залізобетонний резервуар площею до 100 м². Вода, яка очищується, надходить через трубу в камеру, звільнюється від захисного повітря і проходить у відстійник. Зважені речовини під дією сили тяжіння опускаються на конічне дно відстійника і періодично виводяться через трубу. Очищена вода піднімається вверх, переливається через край відстійника і потрапляє в круговий жолоб, звідки відводиться через трубу за допомогою насосів або тече самостійно.

Розрахунок відстійників.

Сумарна площа відстійників визначається за формулою:
(12)
де Q – кількість води, яка надходить у відстійник за одиницю часу (м³/с);

V – оптимальна швидкість руху води у відстійнику (м/с).
Діаметр відстійника визначаємо за емпіричною формулою:
(13)
де Н – висота відстійника (м).
Швидкість води у центральній трубі відстійника знаходимо за формулою:
(14)
де D – діаметр відстійника, (м).
Поперечний переріз центральної труби складає:
(15)
де Q – кількість води, яка надходить у відстійник за одиницю часу (м³/с);

W – швидкість води в центральній трубі (м/с).
Кількість відстійників визначаємо за формулою:
(16)
де F₁ – сумарна площа відстійників (м²);

f – площа перерізу центральної труби (м²);

D – діаметр відстійника (м).
Кількість відстійників повинна бути парною.

Задача 5.
Визначити площу фільтра очисних споруд і час його промивки, якщо швидкість води у фільтрі 50 м/год і багноємність 60кг/м³, висота фільтруючого шару піску 1м, кількість зважених часток 0,1 кг/м³. Витрати води через фільтр такі ж, як і через систему відстійників.

Кінцевим етапом очистки воді від зважених частинок є фільтрація. Цей процес здійснюється шляхом пропускання води через шар дрібнодисперсного фільтруючого матеріалу. Ефект фільтрації залежить від розмірів частинок у воді, величини зернин фільтруючого середовища і швидкості фільтрації. Найбільше розповсюдження, як фільтруючого матеріалу. Отримав кар’єрний пісок, відмитий від глиняних часток і укладений на підтримуючі шари гравію. Фільтр являє собою резервуар, завантажений фільтруючим шаром піску товщиною 0,7 – 1,0 м з середнім розміром зернини 0,5 – 1,2 мм. Підтримуючий шар гравію має товщину 0,45 – 0,7 м. Вода, освітлена у відстійнику, надходить на фільтруючий шар піску, очищується і відводиться у резервуар з чистою водою. Вода на фільтр повинна надходити дуже повільно, щоб не погіршити роботу фільтруючого шару. Висота води над фільтруючим шаром піску та гравію повинна складати не менше 2 м.
Площу фільтра визначаємо за формулою:
, (17)
де Q – витрати води (м³/рік);

V – швидкість фільтрації (м/рік).
Під час роботи фільтри забиваються частинками забруднюючих речовин. Багно ємність фільтрів тим більша, чим більша пористість і товщина фільтру. Час до промивки або заміни фільтру знаходимо за формулою:
(18)
де Г – багно ємність фільтру (кг/м³);

V_ф – об’єм фільтруючого шару (м³);

m – кількість зважених частинок у воді (кг/м³);

Q – витрати води через фільтр (м³/год).

« ПЕРЕЛІК ПИТАНЬ ДЛЯ ВИКОНАННЯ КОНТРОЛЬНОЇ РОБОТИ. Варіанти задач »}