Разделы: Физика, Конкурс «Презентация к уроку»
Загрузить презентацию (1,1 МБ)
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цель урока: Ознакомление с устройством и принципом действия тепловых двигателей.
Оборудование: пластилин, проектор, компьютер.
Сегодня мы изучаем премудрости циклических процессов.
Ход урока
1. Постановка проблемы, актуализация знаний.
Слайд 2 (демонстрация опыта). Превратить механическую энергию во внутреннюю (в тепло) достаточно легко. Кусок пластилина поднимаем на высоту 1 м над столом, отпускаем. Пластилин испытывает абсолютно неупругий удар, механическая энергия пластилинового шарика переходит во внутреннюю энергию шарика и стола.
Но никто никогда не видел картинки наоборот. Пластилин, лежащий на столе, не начнёт взлетать вверх, поднимаясь на определённую высоту. Возникает вопрос: можно ли сделать так, чтобы внутренняя энергия превращалась в механическую? Оказывается можно.
Слайд 3. Берём чайник, ставим на горелку, доводим до кипения, струю пара направляем на вертушку – получаем движение.
Но циклическим такой процесс не назовёшь. Вода выкипит, надо пополнять потери воды, такой двигатель проработает недолго.
Наша цель - создать циклический тепловой двигатель.
Слайд 4. Тепловой двигатель – это устройство, в котором происходит преобразование внутренней энергии в механическую работу.
2. Изучение нового материала (Изобретение теплового двигателя по подъёму за один цикл одного кирпича на высоту h).
Слайд 5. Возьмём цилиндр с поршнем. Если поршень невесомый, то на поршень кладём 2 кирпича, если поршень обладает массой, то масса поршня должна равняться массе кирпича.
Без учёта атмосферного давления, на поршень со стороны кирпичей действует давление . Первоначально оба кирпича находятся на высоте h, объём газа V. Первая точка на графике 2Р,V. Для подъёма включаем горелку.
Слайд 6. Будет происходить изобарическое расширение газа, т.к. давление определяется только силой тяжести. При достижении высоты 2h, один кирпич можно забрать, но опасно, второй кирпич улетит вверх. Чтобы этого избежать, в цилиндр устанавливаем ограничительное кольцо.
Слайд 7. Нам надо ехать за вторым кирпичом – убираем горелку, но сразу поршень опускаться не будет, должен остыть – изохорическое охлаждение газа.
При дальнейшем охлаждении – изобарное сжатие – поршень опускается вниз. Дошли до первоначальной высоты – можно класть второй кирпич, но опасно – все провалится вниз. Нужно ещё одно ограничительное кольцо - снизу.
Слайд 8. Включаем горелку. Давление растёт, но поршень не перемещается – изохорический нагрев до 2Р – принципиальное устройство любой тепловой машины.
Слайд 9. Затем всё повторяется в той же последовательности.
Слайд10. Три главных элемента любой тепловой машины: холодильник (резервуар, забирающий “лишнюю” теплоту – например, окружающая среда, нагреватель (резервуар тепла), рабочее тело.
Слайд 11. Принцип действия тепловой машины представлен на слайде
Слайд 12. Важнейшей характеристикой теплового двигателя является КПД. (Записываем формулы).
Проблемный вопрос:
Каков может быть максимальный КПД тепловой машины?
Слайд 13. Всю эту работу по анализу тепловых машин провёл Сади Карно. Доказал, что машина, работающая между Т нагревателя и Т холодильника имеет максимальный КПД, если работает по двум изотермам и двум адиабатам. Слайд 14.
Идеальная тепловая машина – машина, работающая по циклу Карно, т.е. машина, имеющая максимальный КПД.
Слайд 15. При решении задач могут помочь рекомендации, представленные на слайде.
3. Обобщение и систематизация знаний (определение тепловой машины, формулы для КПД теплового двигателя и идеальной тепловой машины)
4. Первичный контроль знаний (слайды 16-23)
5. Решение задач (слайды 24-29)
6. Домашнее задание: параграф 82 прочитать, записи выучить, упр 15 (11,12) решить.
xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai
ГОУ ВПО
АМУРСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФИЛИАЛ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ В г. СВОБОДНОМ
Кафедра «Физика»
Реферат по теме:
«Тепловые двигатели. Холодильные машины. Цикл Карно и его КПД»
Выполнила: студентка I курса
Плюйко Марина
Группа: ИЭ
Проверил: Кравцова Н. А.
г. Свободный 2010
План
1. Тепловые двигатели
1.1. Циклы теплового двигателя
1.2. КПД теплового двигателя
1.3. Круговые процессы
2. Цикл Карно
2.1. КПД цикла
2.2. Холодильные Машины
Содержание
Введение
1. Тепловые двигатели
1.1. Циклы теплового двигателя
1.2. КПД теплового двигателя
1.3. Круговые процессы
2. Цикл Карно
2.1. КПД цикла
2.2. Холодильные Машины
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В XVII в. был изобретён тепловой двигатель, который в последующие годы был усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок.
Двигатель тепловой — это машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки колеса турбины, сообщая ему вращение. Примерами поршневых двигателей являются паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизельные). Турбины двигателей бывают газовые (например, в авиационных турбореактивных двигателях) и паровые.
К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.
Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю).
В поршневых тепловых двигателях горячий газ расширяется в цилиндре, перемещая поршень, и тем самым совершает механическую работу. Для превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала обычно используется кривошипно-шатунный механизм.
В двигателях внешнего сгорания (например, в паровых машинах) рабочее тело нагревают за счет сжигания топлива вне двигателя и подают в цилиндр газ (пар) под высокими температурой и давлением. Газ, расширяясь и перемещая поршень, охлаждается, а давление его падает до близкого к атмосферному. Этот отработанный газ удаляется из цилиндра, а затем в него подается новая порция газа – либо после возврата поршня в исходное положение (в двигателях одинарного действия – с односторонним впуском), либо с обратной стороны поршня (в двигателях двойного действия). В последнем случае поршень возвращается в исходное положение под действием расширяющейся новой порции газа, а в двигателях одинарного действия поршень возвращается в исходное положение маховиком, установленным на валу кривошипа. В двигателях двойного действия на каждый оборот вала приходится два рабочих хода, а в двигателях одинарного действия – только один; поэтому первые двигатели в два раза мощнее при одинаковых габаритах и скоростях.
В двигателях внутреннего сгорания горячий газ, который перемещает поршень, получают за счет сжигания смеси топлива и воздуха непосредственно в цилиндре.
Для подвода свежих порций рабочего тела и выпуска отработанного газа в двигателях применяется система клапанов. Подвод и выпуск газа производятся при строго определенных положениях поршня, что обеспечивается специальным механизмом, который управляет работой впускных и выпускных клапанов.
Теоретически любой газ можно использовать в качестве рабочего тела такого двигателя, однако на практике используется только пар, поскольку он может запасти больше энергии, чем какое-либо иное столь же доступное рабочее тело. Если в качестве рабочего тела применить воздух, то для получения той же мощности его придется разогреть до более высокой температуры. А для этого потребуется более сложный нагреватель, чем паровой котел, и более надежная теплоизоляция всех элементов системы.
В двигателях внутреннего сгорания источником тепла является химическая энергия топлива, а его сгорание происходит внутри двигателя. Поэтому для таких двигателей не требуется котел или какой-то другой внешний нагреватель. Рабочим телом теоретически могут служить многие горючие вещества, однако практически все современные двигатели такого рода работают на бензине или дизельном топливе.
Цель данной работы – рассмотреть тепловые двигатели, Цикл Карно.
Для реализации данной цели в реферате предстоит решить следующие задачи:
— изучить понятие и общие положения о тепловых двигателях;
— рассмотреть коэффициент полезного действия теплового двигателя;
— рассмотреть принцип работы Цикла Карно и его КПД.
Цель и задачи работы обусловили выбор ее структуры. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы.
1. Тепловые двигатели
Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.
Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):
A = Q .
Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние
1.1. Циклы теплового двигателя
Рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания имеет четыре стадии: топливовоздушная смесь подается в цилиндр, затем она сжимается, сжигается, и, наконец, отработанные газы удаляются из цилиндра. После этого новый цикл начинается с подачи свежей порции смеси топлива и воздуха. В дизельных двигателях топливо и воздух подаются в рабочий цилиндр раздельно, но в остальном цикл тот же. Существуют два основных цикла работы двигателей: четырехтактный (в котором при каждом ходе поршня вверх или вниз выполняется одна из стадий) и двухтактный (в котором при каждом ходе выполняются две стадии).
Четырехтактный цикл. В четырехтактном цикле впускной клапан открывается, когда поршень находится в верхней точке цилиндра, и свежая порция топлива и воздуха засасывается в цилиндр поршнем, опускающимся вниз и создающим разрежение. Когда поршень достигает нижней точки, впускной клапан закрывается, а поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. Когда поршень достигает верхней точки, смесь воспламеняется, и образующиеся горячие газы, расширяясь, толкают поршень вниз. Когда поршень оказывается в нижней точке, открывается выпускной клапан, а на следующем такте поднимающийся поршень выталкивает отработанные газы, освобождая цилиндр для новой порции топливовоздушной смеси. Весь процесс совершается за четыре хода поршня (вверх или вниз), т.е. за два оборота коленчатого вала. Во время рабочего хода маховик запасает энергию, чтобы поршень мог совершить три других хода до следующего рабочего. Первый двигатель с этим циклом построил в 1876 в Германии Н. Отто.
Двухтактный цикл. В двухтактном цикле свежая порция топливной смеси подается в цилиндр, когда поршень находится в нижней точке; затем смесь сжимается при движении поршня вверх и воспламеняется в конце хода сжатия, как и в четырехтактном цикле. В конце рабочего хода вниз отработанные газы выталкиваются из цилиндра свежей порцией смеси. Таким образом, в двухтактном цикле на каждом обороте вала совершается рабочий ход. Когда при ходе сжатия поршень поднимается, вследствие создающегося под ним разрежения в картер засасывается очередная порция топливной смеси. Во время рабочего хода эта смесь сжимается, пока клапаны не откроют доступ свежей смеси в рабочий цилиндр, а отработанным газам – в атмосферу. Можно обойтись и без клапанов, если правильно рассчитать форму поршня и расположение впускных и выпускных отверстий.
1.2. КПД теплового двигателя
Назначение теплового двигателя — производить механическую работу. Но только часть теплоты, полученной двигателем, затрачивается на совершение работы. Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия двигателя (к. п. д.).
Рассмотрим вопрос об учете энергии, расходуемой в двигателе. Обычно это энергия смеси: топливо — кислород воздуха. Ее легко оценить, если известны количество топлива и его удельная теплота сгорания, т. е. количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Удельную теплоту сгорания различных сортов топлива определяют, сжигая небольшую порцию топлива в закрытом сосуде, помещенном в калориметр.
1.3. Круговые процессы
Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V ) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A 1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A 2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A 1 + A 2 на диаграмме (p, V ) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.
Рисунок 3.11.1.
Круговой процесс на диаграмме (p, V ). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd
Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой –холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q 2 < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно
Q = Q 1 + Q 2 = Q 1 – |Q 2 |.
При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики,
ΔU = Q – A = 0
Отсюда следует:
A = Q = Q 1 – |Q 2 |.
Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q 1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действияη тепловой машины:
Модель. Термодинамические циклы.
Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.
Рисунок 3.11.2.
Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник;3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q 1 > 0, A > 0, Q 2 < 0;T 1 > T
В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.
Рисунок 3.11.3.
Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)
2. Цикл Карно
В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).
Рисунок 3.11.4.
Цикл Карно
Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T 1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A 12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q 1 = A 12. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A 23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T 2. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T 2 < T 1. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A 34 < 0 и отдает тепло Q 2 < 0, равное произведенной работе A 34. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T 1, газ совершает работу A 41 < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:
A = A 12 + A 23 + A 34 + A 41
На диаграмме (p, V ) эта работа равна площади цикла. Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли ΔU его внутренней энергии. Для одного моля газа
A = –ΔU = –CV (T 2 – T 1 ),
где T 1 и T 2 – начальная и конечная температуры газа.
Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам
A 23 = –A 41
По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть
1.1. КПД цикла
С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T 1 и холодильника T 2:
Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:
ηКарно = ηmax
Модель. Цикл Карно
1.2. Холодильные машины
Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной. В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p, V ) обходятся против часовой стрелки.
Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.
Рисунок 3.11.5.
Энергетическая схема холодильной машины.
Q 1 < 0, A < 0,Q 2 > 0, T 1 > T 2
Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q 2 | от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением
т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении βх может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно
Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q 1 | нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность βТ теплового насоса может быть определена как отношение
т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:
|Q 1 | > |A |,
Следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно
Заключение
Итак, машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использования внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Кроме того, существуют машины, в которых нагревание производится Солнцем, а также проекты машин, использующих разности температур морской воды. Однако пока ни те, ни другие не имеют заметного практического значения. В настоящее время эксплуатируются также тепловые машины, использующие теплоту, выделяющуюся в реакторе, где происходит расщепление и преобразование атомных ядер.
К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.
В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта.
Для усиления мощности и лучшей системы обеспеченности равномерности вращения вала, используют 4,8 и более цилиндровых двигателей. Особенно мощные двигатели на теплоходах, тепловозах. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.
Тепловые двигатели — паровые турбины — устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном — поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном — ДВС и паровые турбины; на железнодорожном — тепловозы с дизельными установками; в авиации — поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.
Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов. Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу две-три тонны — свинца.
Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды — использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.
Список использованной литературы
1.
2. www.edu.yar.ru
3. www.wikipedia.org
4. www.physics.ru
5. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов/А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002.-718с.: ил.
6. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл.ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская Энциклопедия».1976. Т. 25 – Струнино – Тихорецк. 1976. 600с. с ил. 27 л. ил., 3 л. карт.
7. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл.ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская Энциклопедия».1973. Т. 11 Италия – Кваркуш. 1973. 608 с. с ил. 27 л. ил., 12 л. карт., 1 карта вкладка
www.ronl.ru
Разделы: Физика
Пояснительная записка
За многолетнюю работу в школе я использовала разные формы проведения урока по данной теме. Меня заинтересовала возможность соединения знаний и умений учащихся, полученных ими в Центре дополнительного образования детей “Реальная школа” (ЦДОД), с показом результатов их работы в рамках урока с применением ИКТ. В основу урока было положено использование опережения знакомства с тепловыми двигателями при изучении разных специальностей в ЦДОД и предельная интенсификация организации познавательной деятельности уч-ся. Все учащиеся класса посещают ЦДОД, где обучаются по специальностям: информационные технологии, инженерное конструирование, автослесарь. И так как они знакомятся с некоторыми вопросами темы раньше, чем будет изучение в школе, то появилась возможность представления знаний, полученных вне урока, в виде презентаций. Эта работа способствовала формированию особых навыков: умения ставить и решать проблемы в контексте интеграции различных наук. Основные требования к презентации содержали вопросы по применению явлений, законов физики в природе и технике. Был объявлен конкурс презентационных работ учащихся, подведение итогов которого состоялось после серии уроков. Жюри в составе учителей физики и информатики, учащихся, членов родительского комитета, заместителя директора школы определили лучшие презентации, которые вошли в электронную копилку кабинета физики.
Цели урока:
1. Образовательные:
2. Развивающие:
3. Воспитательные:
Демонстрация:
Ход урока
На доску проецируется цели и план урока через мультимедийную установку. (Приложение.)
Учитель: Возникновение жизни ознаменовало начало особого этапа в развитии нашей планеты. Сейчас масса “человечества” составляет ничтожную долю общей массы живых существ на планете – около 0,0002%. Однако эта “крупица” способна радикально перестроить биосферу Земли. И вероятно, что уже сама планета Земля посылает сигналы SOS во Вселенную. Почему? У Земли много проблем, и одна из них – использование тепловых машин.
Наш урок будет посвящён тепловым двигателям. (Учитель формулирует цели и задачи урока).
С тепловыми двигателями мы познакомились ещё в 8-м классе. Вспомним опыт, демонстрирующий работу пара. (Ученик демонстрирует опыт и комментирует его).
Ученик: В пробирку нальём немного воды, закроем пробкой и будем нагревать воду в пробирке. Внутренняя энергия воды увеличивается, вода интенсивно испаряется, увеличивается внутренняя энергия пара, давление пара увеличивается, и пробка с шумом вылетает из пробирки. Паром совершается работа за счёт внутренний энергии воды.
Учитель: Вероятно, с этого опыта началась служба пара человечеству. Подобное превращение энергии топлива в механическую энергию происходит в тепловых двигателях: если вместо пробирки взять металлический цилиндр, а вместо пробки поршень, то пар совершит работу по подъему поршня.
Давайте сформулируем понятие тепловых двигателей. (Учащиеся дают ответ и записывают в тетрадь первый вопрос плана).
Учитель: А затем началась эпоха изобретения и усовершенствования тепловых машин. Лучшая презентация по теме “История изобретения тепловых двигателей” у А. Гребенкиной. Предоставляем ей слово.
(Ученики записывают второй вопрос плана и делают краткие записи во время выступления ученицы).
Учитель: Почти через 100 лет после изобретения Д.Уатта и И.Ползунова французский инженер Ленуар сконструировал двухтактный двигатель, а в 1876 г. немецкий изобретатель Отто построил четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания. Что же общего во всех тепловых машинах? Какие основные части они должны иметь? В этом нам поможет разобраться следующий эксперимент с использованием двух установок. Первая установка – U-образная стеклянная трубка, до половины заполненная водой, одно колено трубки соединено резиновой трубкой с теплоприёмником, во второе колено помещён поплавок с флажком. Вторая установка - бытовой светильник.
Учитель: Что общего в устройстве и принципе действия этих установок? (Учитель демонстрирует модель теплового двигателя, попеременно опуская теплоприёмник в горячую и холодную воду, поплавок при этом поднимается и опускается)
Учитель: Какие основные части теплового двигателя можно выделить на этой модели? Объяснить принцип её действия.
Ученик: При опускании теплоприёмника в горячую воду воздух в теплоприёмнике нагревается, расширяется, давление воздуха на воду в этом колене увеличивается и уровень воды опускается. Во втором колене уровень воды повышается, поднимая поплавок. При охлаждении теплоприёмника в холодной воде давление воздуха в нем уменьшается и уровень воды в колене с поплавком понижается. Цикл повторяется многократно. Основные части этой установки: горячая вода, воздух, холодная вода. (Учитель в это время ставит таблички с надписью: нагреватель, холодильник, рабочее тело).
Ученик: Основные части теплового двигателя: нагреватель – горячая вода, холодильник – холодная вода, рабочее тело – воздух.
Учитель: Обобщая опыт, можно сделать следующий вывод. От горячей воды воздух получает количество теплоты Q1, расширяясь при нагревании, совершает положительную работу, затем отдаёт некоторое количество теплоты Q2 холодильнику, при этом система возвращается в исходное состояние. Если с поплавком связать какой-либо передаточный механизм, то такая модель могла бы совершить работу, например, по поднятию груза.
Рассмотрим работу светильника. (В светильнике с подсветкой опускаются и поднимаются парафиновые шарики в жидкости). Объяснить принцип действия и назвать основные части этой установки.
Ученик: В этой установке, как и в тепловых двигателях, есть нагреватель, отдающий энергию нижнему слою воды, в котором лежит парафин. За счёт части этой энергии нагретая вода, поднимаясь вверх, совершает работу по преодолению силы тяжести и трения и поднимает парафиновые шарики. Верхние слои воды холодные, поэтому шарики охлаждаются и вместе с холодными слоями воды они опускаются на дно. В этом случае тоже можно выделить три части: нагреватель, рабочее тело – вода, холодильник – холодная вода, окружающая среда.
Учитель: Почему в тепловых двигателях используют пар (газ), а не жидкость?
Ученик: Жидкость трудно изменяет объем, пар и газ легко изменяют объем.
Учитель: Обобщая эксперименты, можно выделить основные части и общие принципы работы любых тепловых двигателей. Лучшая презентация по теме “Общие принципы работы тепловых двигателей” у В. Михалёва. (Учитель просит учащихся записать четвёртый вопрос плана и делать краткие записи по ходу презентации).
(Ученик демонстрирует презентацию и комментирует слайды, см. Приложение).
Основные части любого теплового двигателя.
1. Нагреватель сообщает энергию рабочему телу. Он имеет температуру на сотни или тысячи градусов больше температуры окружающей среды. В паровых машинах, паровых турбинах в роли нагревателя выступает паровой котел. В ДВС и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.
2. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ или пар, который совершает работу при расширении.
3. Холодильник возвращает систему в исходное состояние: по мере совершения работы газ или пар теряет энергию и неизбежно охлаждается, до некоторой температуры Т2 –температуры холодильника. Холодильником обычно является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы. Тогда температура холодильника может быть ниже температуры атмосферы.
Принцип действия рассмотрим на принципиальной схеме тепловых двигателей. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А и передаёт холодильнику количество теплоты Q2 меньше Q1. Количество теплоты Q1, получаемое от нагревателя, положительно. Количество теплоты Q2, отдаваемое холодильнику, отрицательно. Для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл должен быть замкнутым. Замкнутый цикл представляет собой совоокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Работа теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов расширения и сжатия газов. Сжатие не может быть самопроизвольным, оно происходит только под действием внешней силы, например, за счет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа А = Арасширения – Асжатие. Так как изменение объёма при расширении и сжатии должно быть одинаковым, то давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расширении. Таким образом, перед сжатием газ должен быть охлажден, т. е. приведен в контакт с холодильной машиной.
Эффективность работы теплового двигателя характеризует величина КПД. Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А, совершаемой двигателем, к количеству теплоты Q1,, полученному от нагревателя
(Учитель обращает внимание учеников на запись в тетради формулы КПД и предлагает решить устно задачи к §59 (№2,4) по учебнику Касьянова В.А. 10-й класс, профиль).
Учитель: Может ли КПД быть 100%?
Ученик: Нет, так как Без холодильника круговой цикл не реализуется.
Учитель: Рассмотрим замкнутый процесс для максимального КПД. Это так называемый цикл Карно. Лучшая презентация по теме “Работа Сади Карно” у Э.Киселева. (Ученики записывают 5-й пункт плана и во время демонстрации презентации делают рисунки и записи. Учитель предлагает решение задачи №3 к в §59. После решения анализируется таблица КПД тепловых двигателей в §59).
Учитель: Когда КПД идеального теплового двигателя равен 100%?
Ученик: Если Т2 = 0 К.
Учитель: Практически сделать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю, нельзя. Для паровой машины Т2. ограничено той температурой, при которой при данном давлении происходит конденсация пара. Верхний предел определяется техническими возможностями материала котла, т.к. с увеличением температуры растёт давление пара. В ДВС верхний предел определяется температурой сгорания топлива, нижний – температурой выхлопных газов. Реальный КПД меньше теоретического. Увеличение КПД – важнейшее народнохозяйственная задача. Какие пути повышения КПД возможны?
Ученик: Более полное сгорание топлива, а также использование энергии отработанного пара или газа приводит к повышению КПД.
Учитель: Группа учеников, которые занимаются в Центре Дополнительного Образования Детей (ЦДОД) по специальности “инженерное конструирование”, работали над этим вопросом. (Четыре ученика по своим чертежам основных деталей ДВС: клапана, поршня, шатуна, шестерни, - рассказали об их назначении, показали настоящие детали и эти детали на модели ДВС, пояснили, как можно, совершенствуя конструктивные элементы, увеличить КПД).
Учитель: Обобщение по вопросам основного устройства и принципа действия ДВС проведет ученик Д.Черных, занимающийся в ЦДОД по специальности “автослесарь”. (Ученик проводит обобщение, комментируя слайды презентации, см. Приложение).
Учитель: Тепловые двигатели играют огромную положительную роль в нашей жизни. (Выступления уч-ся о положительной функции тепловых двигателей. Используя материал стенных газет, ученики рассказали о применение различных тепловых двигателей).
Учитель: Вернемся к проблеме, обозначенной в начале урока. Почему Земля посылает SOS во Вселенную, когда такая положительная роль у тепловых двигателей. С чем это связано?
(Ученики рассказывают об отрицательной роли тепловых двигателей и охране окружающей среды от их вредного воздействия. Группа уч-ся разработала листовки, которые содержали призывы обратить внимание на экологические проблемы и способы ликвидации вредных воздействий тепловых двигателей на окружающую среду).
(Учитель подводит итоги, объявляет оценки, еще раз отмечая победителей конкурса презентационных работ, дает задание на дом: §59, конспект урока, задача №5)
Приложение.
xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai
Разделы: Физика
Цель: формирование знаний о принципе действия тепловых двигателей.
Задачи
Тип учебного занятия: изучения нового материала.
Методы
Средства обучения:
Ход учебного занятия №11
1 Организационно-мотивационный этап. (5 мин)1.1 Мотивация.1.2 Предварительное определение уровня знаний обучающихся (лист с заданием 11.1).2 Организация самостоятельной работы обучающихся по вопросам темы учебного занятия (учебный материал 11, закрепляющий материал – лист с заданием 11.2). (32 мин) 2.1 Принцип действия теплового двигателя. 2.2 Цикл Карно. 2.3 КПД теплового двигателя. 3 Подведение итогов учебного занятия. (8 мин)3.1 Проверка степени усвоения материала (лист с заданием 11.3).3.2 Проверка средств обучения и деятельности педагога (заполнение дневника урока).3.3 Домашнее задание. №676 Задачник «Физика 10-11 классы». Автор А.П. Рымкевич.
Лист с заданием 11.1
Предварительное определение уровня знаний
Мотивация
Тепловые двигатели появились в начале XVIII в. в период интенсивного развития металлургической и текстильной промышленности, в России паровой двигатель был создан И.И.Ползуновым (1765). В 1784 г. английский изобретатель Дж. Уатт получил патент на универсальный паровой двигатель. В годы жизни французского физика С.Карно (1796-1832) наилучшие паровые машины имели КПД 5%. Это навело ученого на мысль исследовать причины несовершенства тепловых машин и найти пути повышения их КПД. В 1824 г. С.Карно издал работу «Размышления о движущей силе огня, и о машинах, способных развивать эту силу». Эта работа вошла в сокровищницу мировой науки и поставила ее автора в ряды основоположника термодинамики. В ней был предложен цикл идеальной тепловой машины.
Благодаря неравнодушным ученым и конструкторам, усовершенствовавшим первые паровые двигатели, современное общество имеет высокоразвитую структуру транспорта и энергетики, а мы имеем возможность изучить принцип действия теплового двигателя и его характеристики.
Учебный материал 11
Тепловые двигатели
Принцип действия теплового двигателя
Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Энергия в тепловом двигателе, выделяющаяся при сгорании топлива, путем теплообмена передается газу. Газ, расширяясь, совершает работу против внешних сил, приводя в движение механизм. Схема теплового двигателя показана на рис. 1.
Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника.
Рабочее тело (газ или пар) при расширении совершает работу, получая от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Температура нагревателя Т1 остается постоянной за счет сгорания топлива. При сжатии рабочее тело передаёт некоторое количество теплоты Q2 холодильнику, имеющему температуру Т2<Т1. Тепловой двигатель должен работать циклически. Если тело из начального состояния переводится в конечное состояние, а затем через другие промежуточные состояния возвращается в начальное состояние, то совершается круговой процесс, или цикл.
| Рисунок 1 - Схема теплового двигателя |
| ||||||||||||||||||||||
После окончания цикла тело возвращается в своё первоначальное состояние, его внутренняя энергия принимает начальное значение.Поэтому работа цикла может совершаться только за счёт внешних источников, подводящих теплоту к рабочему телу. Реальные тепловые двигатели работают по разомкнутому циклу, т.е. после расширения газ выбрасывается, а в машину вводится и сжимается новая порция газа.
Цикл Карно
Различают прямой (цикл тепловой машины) и обратный (цикл холодильной машины) циклы.
Рабочий цикл Карно состоит из двух равновесных изотермических и двух равновесных адиабатных процессов (рис. 2).
Равновесным называют процесс, в котором газ проходит ряд следующих друг за другом равновесных состояний. Параметры двух таких соседних состояний отличаются на бесконечно малую величину. В идеальной машине, работающей по циклу Карно, отсутствуют всякие потери на теплопроводность, трение и другие потери. В качестве рабочего вещества выбирается идеальный газ.
На участке 1-2 (изотерма) идеальный газ совершает работу по изотермическому расширению за счет теплоты, полученной от нагревателя. Внутренняя энергия газа не изменяется, так как T=const. При адиабатном расширении (участок 2-3) газ совершает работу за счет изменения внутренней энергии, так как при этом процессе газ теплоты не получает. При изотермическом сжатии (участок 3-4) выделяющаяся теплота полностью передается холодильнику, внутренняя энергия не меняется. При адиабатном сжатии (участок 4-1) работа идет на повышении внутренней энергии газа, теплоты идеальный газ не получает. Итак, идеальный газ возвращается в первоначальное состояние и, следовательно, к первоначальному состоянию его внутренней энергии. От нагревателя идеальный газ получил количество теплоты Q1, холодильнику отдал Q2; следовательно, согласно первому началу термодинамики, в работу превращено количество теплоты, равное Q1-Q2.
КПД теплового двигателя
| Величина | (1) |
называется коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины. КПД цикла Карно можно выразить через температуры нагревателя Т1 и холодильника Т2.
(2) |
Коэффициент полезного действия определяется лишь температурами нагревателя и холодильника и не зависят от рода вещества.
Из формулы (2) следуют выводы:
В настоящее время усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателя за счёт уменьшения трения частей машины, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т.д. Реальные возможности для повышения КПД здесь ещё остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара приблизительно таковы: Т1 =800 к, Т2 =300К. При этих температурах максимальное значение КПД
Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь 40%.
Повышение КПД тепловых двигателей, приближение его к максимально возможному – важнейшая техническая задача.
Лист с заданием 11.2
Закрепляющий материал
Ответьте на вопросы и выполните задания
1. Какое устройство называется тепловым двигателем?
2. Заполните таблицу №1, используя предложенные выражения и располагая их в правильной последовательности.
Энергия выделяется. Энергия передаётся газу. Газ расширяется. Газ совершает работу. Механизм приходит в движение. Топливо сгорает.
3. Подберите название таблице, запишите его.
Таблица 1
| № | Название таблицы |
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
6 |
|
4. Начертите предложенную схему, заменив цифры названиями основных частей теплового двигателя
5. Верны ли утверждения:
6. В чем различие между циклами идеальной и реальной машин?
7. Соотнесите элементы левого столбца с описанием этапов работы газа, указанных в правом столбце.
Участки цикла Карно | Работа газа | ||
1. | 1-2 | a. | Изотермическое сжатие, при котором выделяющаяся теплота полностью передается холодильнику, внутренняя энергия не меняется. |
2. | 2-3 | b. | Изотермическое расширение газа за счет теплоты, полученной от нагревателя. |
3. | 3-4 | c. | Работа, равная нулю. |
4. | 4-1 | d. | Совершение работы за счет изменения внутренней энергии газа. |
5. |
| e. | Повышение внутренней энергии газа при адиабатном сжатии. |
8. Запишите формулы (1) и (2). Распишите буквенные обозначения.
9. Какие выводы можно сделать из формулы (2)?
10. Какова приблизительная разница между максимально возможным и реальным КПД паровой турбины?
11. Решите задачу: Температура нагревателя идеальной тепловой машины 127oС, а холодильника 37o С. Количество теплоты, получаемое машиной от нагревателя, равно 60 кДж. Вычислить КПД машины и количество теплоты, отдаваемое холодильнику.
Лист с заданием 11.3
Проверка степени усвоения материала
Выполните задания теста, выбрав к каждому вопросу по одному правильному ответу.
1. Выберите верное определение. Тепловые двигатели это…
a) устройства, преобразующее механическую работу во внутреннюю энергию газа;
b) устройства, преобразующее внутреннюю энергию топлива в тепловую энергию;
c) устройства, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу;
d) устройства, преобразующее тепловую энергию во внутреннюю энергию топлива.
2. К основным элементам теплового двигателя не относится
a) рабочее тело;
b) идеальный газ;
c) нагреватель;
d) холодильник.
3. Рабочим телом теплового двигателя могут быть
a) пар и газ;
b) вода и газ;
c) твердое топливо и воздух;
d) воздух и вода.
4. Цикл Карно не содержит
a) изотермического расширения;
b) адиабатного расширения;
c) изотермического сжатия;
d) изобарного сжатия.
5. КПД теплового двигателя определяется по формуле
6. Для повышения КПД тепловой машины не нужно
a) увеличивать температуру нагревателя и уменьшать температуру холодильника;
b) уменьшать трения частей машины;
c) увеличивать температуру холодильника и уменьшать температуру нагревателя;
d) уменьшать потери топлива.
Эталон ответа: 1-с, 2-b, 3-a, 4-d, 5-a, 6-c.
Приложение 1.
Методическая модель учебного занятия
| Этап | Содержание и структура учебного занятия | Деятельность преподавателя | Деятельность обучающихся | Средства обучения | Планируемые результаты | Время, мин. |
1. Организационно-мотивационный этап | Актуализация. Предварительное определение уровня знаний обучающихся. | Объясняет, какую тему и почему предстоит изучить. Знакомит с алгоритмом проведения занятия | Знакомятся с информацией. Отвечают на вопросы. | Лист с заданием 11.1. | Готовность студентов к работе. | 5 |
2. Организация самостоятельной работы обучающихся по вопросам темы учебного занятия | Освоение нового материала. Формирование компетентностных качеств. | Организует самостоятельную работу.Организует дискуссию
| Знакомятся с вопросами закрепляющего материала, отвечают на них. Обсуждают проблемы, проводят поиск путей их решения. | Учебный материал 11,лист с заданием 11.2 | Готовность студентов к выявлению проблем и поиску их решений. Понятый студентами материал учебного занятия. | 32 |
3. Подведение итогов учебного занятия | Проверка степени усвоения материала. Рефлексия. Заключение. | Анализирует полученные знания, подводит итоги учебного занятия. | Оценивают личностную удовлетворенность, средства обучения и деятельности педагога. | Бланк проверки степени усвоения - лист с заданием 11.3 материала, дневник учебного занятия. | Удовлетворенность занятием. | 8 |
Список использованных источников.
1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. [Текст]: Учебник. - М: Изд-во «Дрофа», 2015. - 446 с.
2. Касьянов В.А. Физика. 10 класс. Базовый уровень. [Текст]: Учебник. - М.: Издательский центр "Академия", 2013. - 282 с.
3. Рымкевич А.В. Сборник задач по физике. Задачник. М: Изд-во «Просвещение», 2015. – 196с.
Электронные ресурсы.
1. Тепловые двигатели. Википедия. Интернет-энциклопедия [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org, свободный. – Загл. с экрана.
xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai
Урок по физике
«Принцип действия тепловых двигателей. КПД»
10 класс. Физика.
Цель урока: Изучить устройство и принцип действия теплового двигателя, используя технологию развития критического мышления.
Задачи урока:
Продолжить изучение темы «термодинамика».
Разъяснить устройство теплового двигателя.
Продолжить формировать информационную культуру учащихся путём анализа и структурирования информации.
Ход урока:
Стадия вызова.(5 минут)
Ученикам раздаются карточки с таблицей, в которой пустые клетки нужно заполнить. Таблица составлена по теме «Количество теплоты».
Таблица полностью заполненная:
Количество теплоты.
Буквенное обозначение
Единица измерения
Формула
Процесс
Q
Дж
c*m*(t2-t1)
Нагревание или охлаждение
Qпл.
Дж
λ*m
Плавление или кристаллизация
Qп.
Дж
r*m
Кипение (парообразование) или конденсация
λ
Дж/кг
Qпл./m
Плавление или кристаллизация
r
Дж/кг
Qп./m
Кипение (парообразование) или конденсация
c
Дж/кг*К
Q/m*(t2-t1)
Нагревание или охлаждение
Раздаточный материал для учеников.
Таблица для учеников:
Количество теплоты.
Буквенное обозначение
Единица измерения
Формула
Процесс
c*m*(t2-t1)
Нагревание или охлаждение
Qпл.
Плавление или кристаллизация
r*m
Кипение (парообразование) или конденсация
λ
Плавление или кристаллизация
r
Дж/кг
Дж/кг*К
Нагревание или охлаждение
После заполнения таблицы вывести правильную таблицу на экран или записать на доске. Ученики обмениваются работами и проверяют соседа.
Учитель собирает работы.
Стадия осмысления. (20 минут). Изучение нового материала.
1).Объяснение учителя . Устройство и принцип действия теплового двигателя. Опыт. Цикл Карно.
Численность населения на Земле очень быстро увеличивается. Около 200 тыс. лет назад - 1 млн. человексейчас - более 6 млрд. человектолько в городах - 4 млрд. человек
Резко возрастает потребление топлива и энергии (выработка энергии за последние 100 лет на душу населения увеличилась в 20 раз).
Как следствие возникают экологические проблемы.
Часть таких проблем возникает из-за тепловых двигателей.
Тепловой двигатель- это устройство, превращающее внутреннюю энергию топлива в механическую.
Давайте проследим часть пути развития тепловых машин.
Герон Александрийский — древнегреческий математик и механик, в 1 в.н.э. изобрёл паровую машину.
Томас Севери - английский механик и изобретатель, в 1698 году изобрёл паровую машину для откачивания воды из угольных шахт.
Томас Ньюкомен – английский инженер, в 1710 году изобрёл паровую машину, в которой в двигателе пар внутри цилиндра толкал вверх поршень.
Джеймс Уатт - шотландский инженер и изобретатель, в 1769 году изобрёл машину, в которой пар направлялся в отдельную камеру для конденсата.
Иван Иванович Ползунов - русский изобретатель, в 1766 году изобрёл двухцилиндровую паровую машину.
И это только небольшая часть изобретателей, которые работали над созданием тепловых машин.
В основном рабочим телом теплового двигателя является газ, который совершает работу при расширении, а холодильником является атмосфера.
Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Работа любого теплового двигателя циклична.
Каждый цикл состоит из разных процессов:
- получение энергии от нагревателя;- рабочего хода;- передача неиспользуемой части энергии холодильнику
Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника, и это принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.
2).По учебнику ученики находят и зарисовывают схему теплового двигателя в тетрадь. (назначение каждой части)
Зарисуйте в тетрадь из учебника стр.235 рис.170-«Принцип действия теплового двигателя».
3). Объяснение учителя. КПД.
Если бы теплота смогла самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.
Работа совершаемая двигателем равна:
A’ = Q 1- |Q 2|
Q1 – количество теплоты, полученное от нагревания Q1>Q2
Q2 - количество теплоты, отданное холодильнику Q 21
КПД теплового двигателя – это отношение работы совершаемой двигателем, к количеству теплоты полученному от нагревателя.
КПД замкнутого цикла
η=А/Q1=(Q1-Q2 )/Q1
η<1 !!!! – у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику.
Представляет большой интерес нахождение максимально возможного КПД теплового двигателя. Впервые это сделал французский инженер и учёный Сади Карно.
Карно изобрёл машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальный газ – это газ взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало.
ηmax=(T1-T2)/T1
T1 – температура нагревания
Т2 – температура холодильника
КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.
Главное значение доказательства Карно – любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру T1, и холодильника с температурой T2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.
η =1 если температура холодильника равна нулю.
Температура холодильника практически не м ожжет быть ниже температуры окружающего воздуха.
Увеличиваться температура нагревателя может, но любая материя, а особенно твёрдые тела, при нагревании теряют свои свойства упругости и начинает плавится..
Рефлексия.(15 минут)
Карточки с текстом или ссылки на Интернет - тексты: прочитав текст, ученикам предлагается написать эссе на тему: «Тепловые двигатели. Польза человеку и вред окружающей среде».
Учитель собирает задания и один из учеников читает своё эссе. Обобщаем тему урока, делая общий вывод о вреде тепловых двигателей для окружающей среды и о пользе для человека.
Домашнее задание (5 минут):
1. §84-учить придерживаясь ответов на вопросы стр.238
2. упр.15 (1,2)
infourok.ru
Тема: Тепловые двигатели. ДВС. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей. 8 класс
Цели:
Изучить устройство, принцип действия и назначение тепловых машин на примере двигателя внутреннего сгорания.
Рассмотреть историю развития тепловой машины, экологические проблемы и перспективы развития.
Совершенствовать навыки работы с оборудованием, самостоятельного поиска в интернете необходимого материала. Формировать умение делать выводы по полученным результатам. Развивать умение общаться друг с другом.
Оборудование:
Модель ДВС.
Карточки для физического диктанта.
Презентация к уроку.
План урока:
1.История развития тепловых двигателей
2. Изучить устройство, принцип действия и назначение тепловых машин на примере двигателя внутреннего сгорания.
3.КПД тепловых двигателей
4.Экологические проблемы и перспективы развития.
Ход урока
До начала урока проверим, как вы уяснили прошлый материал и подготовились к уроку.
Физический диктант.
1. Беспорядочное движение частиц, из которых состоит тело, называется…
2. Энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называется…
3. Перечислите способы изменения внутренней энергии
4. В каких единицах измеряется внутренняя энергия?
5. Устройство, преобразующее внутреннюю энергию в механическую называется
Работа пара и газа при расширении.(презентация Тлатовой Мадины)
Пар или газ, расширяясь, может совершить работу. При этом внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию.Устройства, в которых внутренняя энергия пара или газа (рабочего тела) превращается в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.
Простейший тепловой двигатель (сообщение Ортабаева Альберта)
Простейший "одноразовый" тепловой двигатель (паровая машина).
При нагревании воды в закрытой пробкой пробирке увеличивается количество пара, находящегося под пробкой, и повышается его давление на пробку. Наконец, давление пара выталкивает пробку, при этом пар совершает работу. Часть первоначальной энергии пара пошло на совершение работы по выталкиванию пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в механическую энергию. Так как пар выходит еще достаточно горячий, то оставшуюся энергию он отдает окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру
ДАВНЫМ - ДАВНО ...
Две с лишним тысячи лет тому назад, в 3 веке до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунки пушки Архимеда были найдены позднее в рукописях Леонардо да Винчи. При стрельбе один конец ствола сильно нагревали на огне . Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась, и пар, расширяясь с силой и грохотом выбрасывал ядро. Ствол пушки представлял собой, как бы цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.
II. 1.Запасы внутренней энергии огромны. Очень важно умело и грамотно использовать ее запасы, содержащиеся в топливе. Использовать внутреннюю энергию - значит, совершить за счет нее полезную работу. Послушаем краткую историю создания тепловых машин.
История ДВС.
Двигатель дизеля.
Реактивный двигатель.
Существуют различные виды тепловых двигателей:
Паровые
машины
ДВС
Турбины
Реактивные
двигатели.
Архимед
Леонардо да
Винчи
Джеймс Уатт
И.Ползунов
Карно
Н.О. Дизель
Даймлер
Лаваль
Д. Бранка
Герон (древний Китай)
Кибальчич
Циолковский
.А теперь более подробно рассмотрим устройство и принцип работы ДВС. Выясним, почему этот вид теплового двигателя называют ДВС.
ДВС состоит из цилиндра, вдоль которого перемещается поршень и двух клапанов. Точки изменения направления скорости поршня называют мертвыми. Таких точек две – верхняя и нижняя.
Работа двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов:
Первый такт. При движении поршня вниз за счет работы внешних сил открывается впускной клапан и рабочая смесь подается в цилиндр. Когда поршень достигает крайнего нижнего положения, впускной клапан закрывается.
Первый такт (всасывыние) закончен.
Второй такт (сжатие) также идет также под действием внешней силы. Оба клапана закрыты, и газ сжимается, так как поршень движется из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку. Газ нагревается.
Третий такт – вспышка и рабочий ход. При достижении поршнем крайнего верхнего положения искра запальной свечи воспламеняет смесь, давление газа резко возрастает и поршень перемещается вниз при закрытых клапанах. Во время третьего такта газ совершает положительную работу за счет уменьшения внутренней энергии т.е. внутренняя энергия превращается в механическую.
Как вы видите во время III –го такта топливо сгорает внутри цилиндра – отсюда и название ДВС.
Четвёртый такт – выхлоп. Когда поршень достигает крайнего нижнего положения, открывается выпускной клапан и продукты сгорания через выхлопную трубу выбрасываются в окружающую среду (слайды )
Вопрос после просмотра слайдов: покажите основные части ДВС.
ДВС был изобретен сравнительно недавно, около 100 лет тому назад немецкий механик Даймлер получил патент на изобретение бензинового двигателя, который стал применяться на первых автомобилях.
3.Для характеристики работоспособности двигателей вводят понятие коэффициента полезного действия. С этим понятием вы были уже знакомы в курсе физики 7-го класса. Впервые ввел в науку и технику понятие коэффициента полезного действия двигателя французский инженер Садди Карно.
4.Тепловые двигатели и охрана окружающей среды
При работе тепловых двигателей в атмосферу выбрасывается огромное количество теплого пара или газа, что приводит к дополнительному нагреванию атмосферы. Большая электростанция мощностью 1 тыс. МВт, работающая на угле производит 6 млн. т. углекислого газа, что эквивалентно выхлопам 2 миллионов автомобилей. В последующие десятилетия общее всемирное производство углекислого газа удвоится т.к. США, Китай, Индия и другие страны строят новые электростанции. Соединяясь с водяными парами в атмосфере, углекислый газ образует угольную кислоту. Даже очень слабая (в тысячу раз менее кислая, чем апельсиновый сок, продаваемый в магазинах) угольная кислота «чистого» дождя за столетия разъедает кирпич, металл, мрамор.
При сжигании топлива образуются оксиды азота (в угольных котлах на 1м3 дыма — несколько грамм, в газовых — до 5г). За год только в России в воздух выбрасывается 2 млн. т. NOх. Попав в атмосферу и растворяясь в дождевой воде, они становятся азотной кислотой. Реагируя с содержащимися в воздухе разнообразными примесями, они образуют токсичные соединения, которые выпадают на поверхность воды и суши (а также на наши головы) с кислотными дождями.
Последствиями настоящих кислотных дождей является засорение (засоление) почв, открытых и подземных вод, гибель лесов, нарушение химического состава в экосистемах. Кроме того, в «кислой» воде лучше растворяются такие опасные металлы как кадмий, ртуть, свинец, содержащиеся в почве и донных отложениях, что влияет на чистоту потребляемой людьми и животными воды.
Кроме того, при работе двигателей внутреннего сгорания в атмосферу выбрасываются свинец и другие вредные вещества.
Решение проблем, возникающих при работе тепловых двигателей, ученые и конструкторы видят в увеличении КПД тепловых двигателей, в создании условий для наиболее полного сгорания топлива, в улавливании и переработке углекислого газа и окислов азота, в замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические.
III. Выводы:
1.Необходимо создавать и использовать двигатели с высоким КПД.
2. Применять двигатели, которые не оказывали бы вредного воздействия на окружающую среду.
3. Создание экологически чистого топлива.
Но это все глобальные планы. А что мы можем сделать для улучшения экологической чистоты нашей атмосферы сегодня, сейчас. Если мы дома выключим лишнюю лампочку, которая зря горит – мы уже делаем шажок по улучшению экологии. Постоянно, без особой нужды перестанем гонять машины – опять меньше загрязняется атмосфера. И если каждый из нас на своем месте будет стараться делать хоть что-то положительное, то мы добьёмся улучшения. Я хочу закончить свой урок словами поэта Булата Окуджавы:
Возьмёмся за руки, друзья!
Возьмёмся за руки, друзья,
Чтобы не пропасть поодиночке.
.
IV.Домашнее задание: пар. 22-24, задачи В.И. Лукашик № 1143, 1145
infourok.ru
Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа № 20»
г. Энгельса Саратовской области
Конспект урока по физике в 8 классе«Тепловые двигатели и развитие техники».
подготовила
учитель физики
Николаева Галина Ивановна
Энгельс 2010
Текст заголовка
Николаева Галина Ивановна,
учитель физики
высшей категории
МОУ «Средняя общеобразовательная школа № 20»г.Энгельса Саратовской области
Подзаголовок
К конспекту урока прилагаются презентации, выполненные учащимися 8 класса.
Урок по теме: Тепловые двигатели и развитие техники.
Цели урока:
образовательная: познакомить с историей создания тепловых двигателей; рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях; повторить принцип действия теплового двигателя и показать положительную и отрицательную роль тепловых машин в жизни человека; выяснить пути охраны окружающей среды;
развивающая: развитие умений работать в диалоге, развитие познавательной самостоятельности обучающихся;
воспитательная: продолжить развитие интереса к предметам естественнонаучного цикла и желания учиться.
Эпиграф: …Может собственных Платонов
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля рождать.
Ломоносов М.В. (1711-1765 гг.)
Демонстрации:1. Действие моделей ДВС, паровой машины и турбины.2. Принцип действия двигателя внутреннего сгорания.3. Презентации, выполненные обучающимися, через мультимедийный проектор.
Список используемой литературы:Пёрышкин А.В. Физика. 8 кл.: - М.: Дрофа, 2004.Алексеева М.Н. Физика – юным. : - М.: Просвещение, 1980. Балашов М.М. О природе. Книга для учащихся 8 кл. – М.: Просвещение.
Орлов В.А. Тематические тесты по физике. 8 класс: - Москва «Вербум – М», 2000
Пояснительная записка:На урок отводится два часа. Урок проводится в виде диалога, в ходе которого излагается новая и повторяется изученная информация, учащиеся выступают с сообщениями, темы которых задаются заранее. Сообщения учащихся сопровождаются мультимедийными презентациями. В ходе урока все учащиеся делают краткие записи в тетрадях, записывая свои мнения по данной проблеме. Проверка знаний проводится по тестам.
План урока
Организационный момент
Защита презентаций
Домашнее задание
Учитель. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ
До конца XVII — 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 цехи, а позднее более крупные производства — мануфактуры, где труд был разделен на отдельные несложные операции. Поскольку простую операцию быстрее и лучше может выполнить машина, появляются различные машины и станки, приводимые в движение от водяного колеса. На смену мануфактурам приходят фабрики и заводы. Для изготовления машин и станков требовалось много металла. Чтобы плавить металл, необходимо топливо. Сначала использовались дрова, а затем каменный уголь, который нужно было добывать из глубоких шахт.
Но как приводить в действие машины, если вблизи от завода нет реки? Как откачать воду из шахты и спасти ее от затопления? Как поднять уголь на-гора? Чем заменить лошадей, доставляющих уголь и руду с шахт и рудников к плавильным печам? Как, наконец, кораблям, перевозившим сырье для фабрик и вырабатываемые ими товары, избавиться от парусов и не зависеть от воли ветра? Требовался такой двигатель, который мог бы выполнить всю эту работу, не будучи связанным с водой и не зависящим от погоды. Новый двигатель должен был быть универсальным, т. е. приводить в действие самые разнообразные машины. Нужны были двигатели различной мощности, которые устроили бы владельцев небольших мастерских и хозяев крупных фабрик и заводов, рудников, шахт. Новый двигатель должен был работать за счет нового источника энергии, который нетрудно доставить в любое место и в любое время года. И поскольку двигатель собирались ставить на транспортные машины, то он должен был иметь небольшие размеры и вес и работать от источника энергии, который находился бы тут же, на машине. И человек такой двигатель построил. Это были тепловые двигатели, появление которых совершило целый переворот в жизни человечества.
Существуют различные виды тепловых двигателей:
| ДВС | Турбины | Реактивные двигатели | |
| Архимед Леонардо да Винчи Джеймс Уатт И. Ползунов Карно | Н.О. Дизель Даймлер | Лаваль Д.Бранка | Герон Кибальчич Циолковский |
Простейший "одноразовый" тепловой двигатель (паровая машина).
Опыт: 
При нагревании воды в закрытой пробкой пробирке увеличивается количество пара, находящегося под пробкой, и повышается его давление на пробку. Наконец, давление пара выталкивает пробку, при этом пар совершает работу. Часть первоначальной энергии пара пошло на совершение работы по выталкиванию пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в механическую энергию. Так как пар выходит еще достаточно горячий, то оставшуюся энергию он отдает окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру.
Учитель: ДАВНЫМ – ДАВНО…. А сейчас нас познакомят с историей создания тепловых машин.
Презентация № 1 «История создания тепловых двигателей»
После презентаций ребята делают краткие записи в тетрадях, что им понравилось. Задают вопросы ребятам по теме их презентации.
Учитель: отгадайте загадку: Что за домики подряд
На колесах стоят,
Подбежал к ним сам собой
Самовар с трубой,
Ухватил, покатил – и след простыл.
Презентация № 2 «Возникновение парового транспорта».
Учитель: Все физические явления, законы находят применение в повседневной жизни человека. Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива. Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.
Идея создания ДВС родилась ещё в 17 в. и принадлежит французскому изобретателю Дени Папену.
Презентация № 3 «ДВС».
Учитель: Где используется тепловой двигатель?
Ученик: Применение ДВС чрезвычайно разнообразно. Карбюраторные ДВС установлены на автомобилях, вертолетах, тракторах. Дизели широко применяют на транспорте – в тепловозах, теплоходах, тяжелых автосамосвалах. Кроме 4-хтактных ДВС применяют 2хтактные ДВС, например, на мотоциклах. У этих двигателей каждый второй ход рабочий.
ТЕСТЫ ПО ВАРИАНТАМ – заполняются после презентации №3
Учитель: Человек думал о полетах в космос, о больших скоростях.
Первая ракета была изобретена в Древнем Китае.
Почему взлетает ракета? Порох, сгорая, образует много газов. Они вытекают струей из отверстия (дюзы) вниз и, взаимодействуя с корпусом ракеты, толкают ее вверх.
Ученик: Принцип действия ракетного двигателя состоит в следующем:
Горючее, а в первых ракетах это был пороховой заряд, сгорает в камере сгорания, и образовавшиеся газы с большой скоростью вылетают из отверстия - сопла. Вылет газов сопровождается отдачей.В результате этой отдачи возникает сила, приложенная к двигателю и направленная противоположно направлению вылета газовой струи.
Развитие реактивных двигателей началось в 40-вых годах 20 века. Первое применение они нашли в военной технике: в гвардейских минометах "Катюша", в немецких ракетах ФАУ, затем в реактивных самолетах.
Презентация № 4 «Космос. Реактивное движение»
Учитель. Развитие научно-технического прогресса в связи с открытием и созданием тепловых машин охватывает время с 17 до середины 20 века. Для улучшения своего благосостояния человек изобретает не только машины. Изменяется химическое воздействие человека на биосферу, происходит рассеивание загрязнений на огромные территории, многократно повышается выработка электрической энергии за счет сжигания горючих ресурсов. Таким образом, кроме положительного эффекта от приобретения тепловых машин, проблема имеет и другую, отрицательную, сторону.
Что является главной причиной загрязнения воздуха в городе?
Ученик. Главной причиной загрязнения воздуха в городах являются автомобили. Сегодня в мире их насчитывается более полумиллиарда.
Презентация № 5 «Охрана окружающей среды»
Учитель. Итак, мы видим, что научный прогресс человек использует на благо себе, но за счет изменения окружающей среды. Это изменение негативно сказывается и на самом человеке, на его здоровье. Так что же нам - отказаться от всех достижений цивилизации и вместо автомобилей опять ходить пешком?Ученик: Нет, отрицательные последствия технического прогресса следует преодолевать, не отказываясь от технического развития вообще. Необходимо существенно изменять технологии в производстве тепловых машин.
Учитель: Каковы же пути решения этой проблемы?
Ученики говорят о новых технологиях в машиностроении, о создании экологически чистого автомобиля, который работает на экологически чистом топливе; об электромобилях, машинах, работающих на солнечных батареях.
Подводятся итоги урока.
Д.З. 1. подготовить сообщение или презентацию, газету, «раскладушку» (исходя из возможности каждого) по вопросу «Автомобиль будущего»;
2. написать небольшую заметку «Что мне понравилось сегодня на уроке»
Список использованной литературы
1. А.В. Перышкин Физика 8 класс, Дрофа. М: 2004 г.
2. М.Н. Алексеева. Физика - юным. Изд-во «Просвещение», 1980 г.
Использованные материалы и Интернет-ресурсы
1. http://www.hnet.ru/news/chronograph/id/711/2. http://ukrtrains.narod.ru/teh/par/parovozi2.htm
3. http://www.novoteka.ru/r/Politics.International.Organizations.UN?lastdate=/2009-06-7
4. http://www.ingenerov.net/tehnichka/
5. http://tv.akado.ru/programs/mashina_bydyschego__zhapredelnye_ra.html
6. http://www.photoshopcs5.ru/4052-mashiny-budushhego.html
globuss24.ru
