ТЕМА УРОКА: «Тепловые двигатели».
ЦЕЛИ УРОКА:
МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ:
Перышкин А.В. Физика 8 класс; компьютеры, мультимедийный проектор, экран, мультимедиа презентация.
МЕТОДЫ: словесные, наглядные, проблемно-поисковые.
ФОРМЫ РАБОТЫ: коллективная, индивидуальная.
ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА:
Ребята, прежде, чем мы перейдём к изучению нового материала, давайте вспомним ключевые термины, которые помогут нам определиться с темой сегодняшнего урока. А в этом нам поможет кроссворд, ключевое слово которого имеет непосредственное отношение к теме сегодняшнего урока.
СЛАЙД-2. Кроссворд.
Тема сегодняшнего урока – «Тепловые двигатели»
Сегодня на уроке мы:
- выясним, какие машины являются тепловыми двигателями;
- рассмотрим преобразование энергии в них;
- рассмотрим основные виды двигателей и их применение;
- изучим влияние на окружающую среду тепловых двигателей;
- определим возможные пути выхода из сложившейся экологической ситуации.
Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии, источниками которой являются различные виды топлива, ветер, солнце, приливы и отливы. Существуют различные виды машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Мы рассмотрим один из типов машин – тепловой двигатель.
СЛАЙД-4. Определение.
Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
Как же это происходит?
СЛАЙД-5. Анимационная модель работы простейшего теплового двигателя.
Если в цилиндр налить немного воды, затем закрыть плотно пригнанным поршнем, который может двигаться вдоль цилиндра, и нагреть воду до кипения, то под давлением пара поршень поднимется вверх, то есть совершит работу.
СЛАЙД-6. Завершение работы теплового двигателя (окончание работы слайда №5).
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Какие преобразования энергии здесь происходили? (энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию поршня).
СЛАЙД-7. Джеймс Уатт.
Такой двигатель был изобретен в конце XVIIв. Джеймсом Уаттом и усовершенствован в дальнейшем (сообщение учащегося).
СЛАЙД-8. Схема – классификация тепловых двигателей.
Существует несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара). Газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.
СЛАЙД-9. Структура двигателя и формула КПД.
Т.е. тепловой двигатель состоит из нагревателя (устройства, где сгорает топливо), рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты (Q1). Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу (Ап) за счет своей внутренней энергии. Часть энергии (Q2) передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Как называется величина, показывающая, какая часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу? (КПД)
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Вспомните, как найти КПД простого механизма? (Найти отношение полезной работы к затраченной)
Чтобы найти коэффициентом полезного действия теплового двигателя нужно найти отношение совершенной полезной работы (Ап) двигателя, к энергии, полученной от нагревателя (Q1).
То есть КПД показывает, какая часть энергии, выделяемой топливом, превращается в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Сравните значения Q1 и Q2. (Q1 > Q2)
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: На сколько Q1 > Q2? (на значение Ап)
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Как можно найти полезную работу? (Q1 – Q2)
Значит, Ап = Q1 – Q2 и
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Сравните значения Q1 – Q2 и Q1. (Q1 – Q2 Q1)
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Что можно сказать о значении дроби (меньше 1)
Значит, КПД всегда меньше 1, а если его выразить в процентах, то меньше 100%.
Задача: Чему равен КПД теплового двигателя, если в полезную работу превращается четверть энергии топлива? (25%)
Первые паровые машины имели КПД=0,3%. В последствии Дж. Уатт, усовершенствовав паровую машину, добился повышения КПД до 2,8%.
СЛАЙД-10. Устройство двигателя внутреннего сгорания.
Рассмотрим подробнее устройство и принцип действия двигателя внутреннего сгорания, так как такой тип теплового двигателя обычно устанавливают на большинстве автомобилей. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя.
На рисунке показан простейший двигатель внутреннего сгорания в разрезе.
Двигатель состоит из цилиндра 1, в котором перемещается поршень 2, соединенный при помощи шатуна 3 с коленчатым валом 4, на котором находится маховик 5.
В верхней части цилиндра имеется два клапана 6 и 7, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 6 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 8, а через клапан 7 выпускаются отработавшие газы.
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: На каком топливе работают двигатели внутреннего сгорания? (бензине, керосине, нефти или на горючем газе)
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Из чего состоит горючая смесь, поступающая в цилиндр? (из паров бензина и воздуха)
СЛАЙД-11. «Мертвые точки»
Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.
СЛАЙДЫ-12-14. Первый такт – ВПУСК.
При повороте вала двигателя в начале первого такта (впуска) поршень движется вниз. Объем над поршнем увеличивается. Вследствие этого в цилиндре создается разрежение. В это время открывается впускной клапан и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого такта цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 6 закрывается.
СЛАЙДЫ-15-16. Второй такт – СЖАТИЕ.
При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь. В конце второго такта (сжатия), когда поршень дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.
СЛАЙДЫ-17-18. Третий такт – РАБОЧИЙ ХОД.
Образующиеся при сгорании газы (температура продуктов сгорания достигает 1600—1800°С) давят на поршень и толкают его вниз. Под действием расширяющихся нагретых газов (третий такт) двигатель совершает работу, поэтому этот такт называют рабочим ходом. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик затем продолжает вращаться по инерции и перемещает скрепленный с ним поршень при последующих тактах. Второй и третий такты происходят при закрытых клапанах.
В конце третьего такта открывается выпускной клапан, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу.
СЛАЙДЫ-19-20. Первый такт – ВЫПУСК.
Выпуск продуктов сгорания продолжается и в течение четвертого такта (выпуска), когда поршень движется вверх. В конце четвертого такта выпускной клапан закрывается.
СЛАЙД-21. Анимационная модель полного цикла работы двигателя.
Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.
СЛАЙД-22. Анимационная модель работы четырёхцилиндрового двигателя.
В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый нал все время получает энергию от одного из поршней.
Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.
СЛАЙД-23. Применение тепловых двигателей.
Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно.
Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы, их устанавливают на речных и морских судах.
Паровые и газовые турбины нашли широкое применение на тепловых электростанциях, в качестве судовых двигателей, газовые турбины широко применяются в авиационных двигателях. Реактивные двигатели применяются в авиации, ракетостроении.
СЛАЙД-24. Экологические проблемы.
С развитием энергетики, автомобильного и других видов транспорта всё более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания. Это связано с действием различных факторов:
- при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха;
- сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа;
- при работе двигатели выбрасывают в атмосферу азотные и серные соединения, а так же свинец.
ПРИМЕР: Один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с выхлопными газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов.
ВОПРОСЫ УЧИТЕЛЯ:
Как вы думаете, что нужно сделать для того, чтобы избежать экологических проблем? (посадка лесов и сокращение их вырубки; установка фильтров на двигатели; переход на экологически чистые виды топлива; создание электромобилей или автомобилей, работающих на солнечных батареях и т.д.)
СЛАЙД-25. Физкультминутка.
ФИЗКУЛЬТМИНУТКА
СЛАЙД-26. Высказывание.
Вопрос №1
Горючая смесь, поступающая в цилиндр двигателя автомобиля, состоит из ...
Каким номером обозначен поршень?
1 2 3 4 5 6 7 8
Вопрос №3
Каким номером обозначен цилиндр?
1 2 3 4 5 6 7 8
Вопрос №4
Каким номером обозначена свеча?
1 2 3 4 5 6 7 8
Вопрос №5
Каким номером обозначен маховик?
1 2 3 4 5 6 7 8
Вопрос №6
Что происходит с горючей смесью и газом, образовавшимися от сгорания этой смеси, при первом такте?
1. Горючая смесь сжимается.
2. Газ, образовавшийся при сгорании горючей смеси, удаляется из цилиндра.
3. Сгорание горючей смеси и расширение газов, получившихся при сгорании.
4. Горючая смесь всасывается в цилиндр.
Вопрос №7
Что происходит с горючей смесью и газом, образовавшимися от сгорания этой смеси, при втором такте?
1. Горючая смесь сжимается.
2. Газ, образовавшийся при сгорании горючей смеси, удаляется из цилиндра.
3. Сгорание горючей смеси и расширение газов, получившихся при сгорании.
4. Горючая смесь всасывается в цилиндр.
Вопрос №8
На каком рисунке изображён рабочий ход?
1 2 3 4
Вопрос №9
На каком рисунке изображён выпуск?
1 2 3 4
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:
auto-dnevnik.com
Урок-лекция
Цель урока: познакомить учащихся с историей создания тепловых машин и применении их в технике; рассказать о развитие техники; объяснить устройство и принцип работы ДВС.
ХОД УРОКА
Изложение материала.
Что такое тепловая машина. (слайд 2)
Жизнь людей невозможна без использования видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.
Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.
Таким образом, машина – это устройство, которое служит для преобразования одного вида энергии в другой. Другого назначения у машины нет.
Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, генераторы преобразуют механическую в электрическую и так далее.
Тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счёт энергии топлива. К ним относятся: паровая и газовая турбины, двигатели внутреннего сгорания, дизель, паровая машина, реактивный двигатель.
Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепловых машин является то, что они изначально увеличивают свою внутреннюю энергию за счёт сгорания топлива, с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую.
История ДВС. (слайд 3,4)
Первое упоминание о тепловых двигателях относится к 200 г. до н. э. Герон Александрийский создал эолепил. Его можно назвать «прадедом» современных тепловых машин. Он представлял собой котёл, накрытый крышкой, от которой шла труба. В котле кипятили воду, а по трубе шёл пар. Под действием этого пара открывались двери храма, без помощи людей. Таким образом жрецы внушали людям своё всемогущество и силу.
«Дедом» тепловых двигателей является паровая машина непрерывного действия Ивана Ползунова (1763 г.). Она представляла собой цилиндр с поршнем, который мог подниматься под давлением пара и опускаться при его конденсации.
«Отцом» современных тепловых двигателей является Джёймс Уатт. В 1784 году он создал паровую машину с цилиндром двойного действия, в которой применил центробежный регулятор. Стоит отметить, что первые паровые машины были очень громоздки. Так паровая машина Уатта была высотой с трёхэтажный дом.
В тетрадях ребята записывают:»Виды тепловых машин»: паровая турбина, ДВС, дизель, реактивный двигатель.
Развитие техники. (слайды 5 – 12)
Процесс внедрения новых машин и технологий в сферу человеческой деятельности обычно бывает тернист и сложен.
Внедрение паровых котлов и машин в производство не имело несомненные достоинства, но и имело недостатки. Неполадки в котлах приводили к их частым взрывам и человеческим жертвам. Несомненно, это тормозило развитие отрасли, но процесс развития продолжался.
Первый паровоз построил англичанин Ричард Тревитик. Первая модель была неудачна как по конструкции, так и по невозможности применения на конной чугунной дороге – он ломал рельсы.
Родоначальником современной железной дороги – выдающийся английский изобретатель Джордж Стефенсон. В сентябре 1825 г. лучший из конструированных им паровозов, «Локомоушин», совершил первую поездку по линии Стоктон – Дарлингтон протяжённостью 21 км со скоростью около 12 км/ч.
В России первую железную дорогу с паровой тягой построил талантливый уральский мастер Мирон Ефимович Черепанов, которому помогал его отец Ефим Алексеевич Черепанов. Паровоз Черепановых начал ходить в августе 1834 г. в Нижнем Тагиле на Выйском заводе Демидовых. По железной дороге длиной 854 м перевозили груз массой до 3,3 т со скоростью 13 – 16 км/ч.
За более чем двухсотлетний период развития паровозов были построены очень удачные и экономичные для данного типа тепловых машин устройства. Лишь ближе к середине ХХ века на смену паровозам стали приходить электровозы и тепловозы.
В тепловозах вместо паровых машин стали применять двигатели внутреннего сгорания, а на электровозах – электрические двигатели. Скорости современных тепловозов и электровозов существенно отличаются от скоростей паровозов. Например: тепловоз ТЭ10Л – 100 км/ч;
тепловоз ТЭП60 – 160 км/ч;
электровоз ЭР-200 – 200 км/ч.
Сейчас созданы и более совершенные и экономичные модели тепловозов и электровозов.
Первый пароход «Клермонт» был построен в 1807 году американским изобретателем Р.Флтоном. Свой первый рейс он совершил из Нью-Йорка в Олбани по реке Гудзон со скоростью 9 км/ч. Он проплавал более 50 лет. Машина парохода вращала гребные колёса, находящиеся по бортам судна.
В России первый пароход «Елизавета» был сооружён в 1815 году. Он курсировал между Петербургом и Кронштадтом.
В 40-х годах 19 века на смену колёсам пришли гребные винты. К началу 20 века винтовые пароходы практически вытеснили суда с основных морских путей.
В 20 веке пароходы стали оборудовать мощными паротрубными установками. Они развивали скорость 62 км/ч.
В середине 20 века теплоходы вытеснили пароходы.
Первый аппарат тяжелее воздуха с мотором – аэроплан – сконструировали американские изобретатели братья Райт. 17 декабря 1903 года они же совершили на нём первый полёт. аэроплан пролетел 32 м, а сам полёт продолжался 59 секунд. Это был настоящий полёт, так был взлёт и была посадка. Первые самолёты были лёгкими, высота подъёма у них была небольшая и могли перевозить одного или двух человек, так как были оснащены маломощными двигателями. Скорость у них была около 30 км/ч.
Современные самолёты оснащены реактивными двигателями. Самолёты развивают скорость около 500 км/ч и более.
Ещё быстрее летают боевые самолёты: истребители способны летать в пять-шесть раз быстрее звука, то есть со скоростью почти 6000 км/ч.
Благодаря большой скорости, грузоподъёмности, надёжности в эксплуатации самолёт стал самым распространённым типом летательного аппарата.
Первый автомобиль с бензиновым двигателем появился в 1886 году. Создал его Г.Даймлер. Первые автомобили развивали скорость не более 25 км/ч.
Большая роль в развитии автомобилестроения принадлежит Генри Форду, который в начале 20 века начал выпуск автомобилей с конвейера.
В России первый автомобиль «Руссо-Балт» появился в 1908 году.
Большая часть современных машин оснащена бензиновыми двигателями. Более дешёвое топливо – дизельное – используется в дизельных двигателях, которые имеют большую мощность, чем бензиновые, но и более громоздки. Поэтому дизелями оснащают мощные автомобили – грузовики, тягачи, вездеходы.
Современные автомобили могут развивать скорость до 200 – 350 км/ч, а отдельные спортивные модели с газотурбинными двигателями разгоняются до 900 км/ч. Рекорд скорости принадлежит ракетному автомобилю «Траст SSC», который развил скорость 1227,9 км/ч.
Принцип работы ДВС. (слайд 13)
Теперь настало время узнать как работает двигатель внутреннего сгорания, который заставляет двигаться такие большие и тяжёлые машины.
Демонстрируется видеофрагмент о принципе работы ДВС.
Циклы работы ДВС. (слайд 14)
Ребята переносят информацию со слайда в тетрадь.
Формула для расчёта КПД ДВС. (слайд 15)
η = 
· 100%, где η – коэффициент полезного действия (КПД), измеряется в %;
А – полезная работа;
Q – количество теплоты, полученное от нагревателя.
КПД тепловых двигателей никогда не может быть более и быть равно 100%. Для современных паровых турбин КПД достигает 30-40%, для двигателей внутреннего сгорания 25-35%, для дизельных двигателей 35-42%.
Характеристики тепловых двигателей. (слайд 16)
Тепловые двигатели и окружающая среда. (слайд 17).
При использовании тепловых машин остро встаёт вопрос загрязнения окружающей среды.
Тепловые двигатели не только сжигают кислород, но и выбрасывает в атмосферу эквивалентные количества углекислого газа. Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Сейчас во всём мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно 200 – 250 млн т золы и около 60 млн т диоксида серы.
Поэтому очень большое внимание следует уделять развитию методов защиты окружающей среды от этих продуктов сгорания и создание новых альтернативных источников энергии. К ним можно отнести двигатели, работающие на солнечной энергии, на электрической энергии, на энергии приливных волн и так далее. Именно это направление является наиболее перспективным.
Кроме того, таки виды топлива как нефть, уголь, природный газ являются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 50 - 100 лет человечество столкнётся с проблемой нехватки традиционных видов топлива.
Итог урока.
Подводя итог урока, следует отметить, что с момента, когда Джеймс Уатт в 1768 г. построил первую паровую машину, до настоящего времени прошло 240 лет. За это время тепловые машины очень сильно изменили содержание человеческого труда. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин. Уровень развития любой страны определяется тем, какое количество различных машин приходится на душу населения.
Важным на современном этапе является создание новых экономических и экологически чистых машин. Это – машины нового века, новых технологий. Это – машины будущего.
Домашнее задание. (слайд 18)
infourok.ru
Это только часть нашей темы. Разберемся, что такое двигатель? Какие двигатели вы знаете? Какая энергия (энергия чего) может превращаться в механическую энергию?
Записать тему урока «Тепловой двигатель».
Тепловой двигатель –Тепловыми двигателями - называют устройства, в которых внутренняя энергия пара или газа (рабочего тела) превращается в механическую энергию.
Т.е. за счет внутренней энергии пара совершается полезная работа – поднимается груз, перевозится груз, откачивается вода и т.д.
Принцип действия тепловых машин. При нагревании внутренняя энергия газа или пара увеличивается, пар расширяется и совершает работу (выталкивает пробку из пробирки).
Существуют несколько видов тепловых двигателей:
- паровая машина;
- двигатель внутреннего сгорания; - паровая и газовая турбины;
- реактивный двигатель.
ДВС был создан в 1860 г. французским инженером Э.Ленуаром. Быстро пошло его усовершенствование и теперь это самый распространенный тепловой двигатель и двигатель вообще.
Рассмотрим простейший одноцилиндровый двигатель.
2-хтактный и 4-хтактные ДВС.
Устройство ДВС:
Коленчатый вал.
Цилиндр.
Поршень
Шатун
Впускной клапан.
Выпускной клапан.
Свеча зажигания.
Принцип работы ДВС:
Четырёхтактные ДВС работают на автомобилях и лёгких самолётах. На схеме показаны четыре такта работы двигателя:
Впуск -> Сжатие -> Рабочий ход -> Выпуск
Показываем анимацию двигателя.
Посмотрим, как работает ДВС.
Мертвые точки – верхняя и нижняя.
Ход поршня – расстояние между мертвыми точками.
1 рабочий цикл проходит за 4 хода (такта).
Повторим название тактов.
Применение ДВС
xn--j1ahfl.xn--p1ai
Урок по физике в 10-м классе "Тепловые двигатели"
Цель урока:
формировать понятия: тепловой двигатель, КПД теплового двигателя, КПД идеальной тепловой машины;
развивать умение решать задачи;
воспитывать бережное отношение к природе
Тип урока: изучение нового материала.
Используемые педагогические технологии: технология развивающего обучения ( автор Л.В.Занков, Д.Б. Эльконин, В.В. Давыдов), технология уровневой дифференциации ( автор Н.Ф. Фирсов), игровые технологии (автор Д.Б. Эльконин, К.Д. Ушинский, Д. Б. Никитин)
Оборудование: ноутбук, мультимедийный проектор, презентация (Приложение 1), модель ДВС, таблица.
Ожидаемый результат: усвоение понятия тепловой двигатель; принцип действия теплового двигателя; разновидность тепловых машин; практическое применение их.
Ход урока
Организационный момент
Актуализация знаний
В одно мгновенье видеть вечность,
Огромный мир - в зерне песка,
В единой горсти - бесконечность,
И небо - в чашечке цветка!
И.А.Бунин
• Фронтальный опрос
-Как определить изменение внутренней энергии согласно первого закона термодинамики.
-На что расходуется количество теплоты, переданное системе.
-Дайте формулировку первого закона термодинамики.
Опишите характер теплообмена газа в каждом процессе, составляющем замкнутый цикл Решите задачи (по вариантам):
При изотермическом сжатии газ передал окружающим телам теплоту 800 Дж. Какую работу совершил газ? Какую работу совершили внешние силы?
При адиабатном процессе газом была совершена работа 150 Дж. Как и насколько изменилась его внутренняя энергия?
Изучение нового материала.
Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии. Использовать эту энергию- это значит совершать за счет ее полезную работу. Рассмотрим источники, которые совершают работу за счет внутренней энергии. Учащиеся самостоятельно формулируют тему и определят основные задачи урока.
Учащиеся записывают в тетради тему урока «Тепловые двигатели»
Тепловой двигатель - устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую. 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.
Наличие нагревателя, рабочего тела, холодильника - принципиально
необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.
КПД замкнутого цикла
- количество теплоты, полученное от нагревания
- количество теплоты, отданное холодильнику
работа совершаемая двигателем за цикл
Цикл С. Карно
- температура нагревания
-температура холодильника
Закрепление материала
Какие машины называются тепловыми?
Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.
Что называют кпд теплового двигателя?
Назовите какие виды тепловых машин вам известны?
Учащиеся решают задачи.
уровень. Чему равен КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя 4550 , а температура холодильника 2730 ?
уровень. Тепловой двигатель совершает работу за цикл 100 Дж. Какое количество теплоты получено при этом от нагревателя, если КПД двигателя 20%?
уровень. Двигатель получает от нагревателя каждую секунду 7200 Дж теплоты и отдает в холодильник 6400 Дж. Определите КПД.
На рабочем столе компьютера учащиеся открывают папку «Проверь себя» и о листок самоконтроля с тестовым заданием.
1. Какие устройства относятся к тепловым двигателям:
а) устройства, превращающие тепловую энергию в механическую;
б) устройства, превращающие электрическую энергию в тепловую;
в) устройства, превращающие внутреннюю энергию в тепловую.
Какой элемент теплового двигателя совершает работу:
а) холодильник;
б) газ или пар;
в) нагреватель;
Какие условия необходимы для циклического получения механической работы в тепловом двигателе:
а) наличие нагревателя и холодильника;
б) наличие рабочего тела и холодильника;
в) наличие нагревателя и рабочего тела
КПД теплового двигателя всегда:
а) больше1;
б) равен 1;
в) меньше 1.
При каком замкнутом процессе тепловой двигатель имеет максимальный КПД:
а) состоящий из двух изотерм и двух изобар:
б) состоящий из двух изохор и двух изобар:
в) состоящий из двух изотерм и двух адиабат.
Подведение итогов урока. Выставление оценок учащимся.
Домашнее задание. §58, стр. 282-283 I уровень: задача 2, 3. II, III уровень: задача 4, 5
doc4web.ru
Русская народная школа
МКОУ- СОШ №6 им.К.Д.Ушинского
Конспект урока.
«Виды тепловых двигателей.
Экологические проблемы использования тепловых машин».
Учитель: Зимина А.В.
2012год.
Цели урока:
Образовательные:
• Расширение и углубление учебного материала, ознакомление с новыми сведениями за счёт обращения к различным литературным источникам.
• Формирование экологического сознания учащихся.
• Привитие интереса к физике.
Развивающие:
• Развитие умения вести рассказ, выступать перед товарищами.
•Развитие творческих способностей учащихся.
Воспитательные:
• Воспитать чувство патриотизма, ответственности, ….
Участниками семинара являются учащиеся 8 класса. Учащимся предлагается самим выяснить виды тепловых двигателей, проблемы, связанные с их эксплуатацией. Экологическую безопасность машин работающих с использованием тепловых двигателей и написать сообщение, используя научно-популярные книги, журналы, газеты, или оформить газету. Используя полученные знания изобразить машины работающие с использованием тепловых двигателей.
За неделю до урока учащиеся сдают свои работы. Учитель изучает содержание сообщений и составляет план урока.
ХОД УРОКА
1.Организационный этап.
2 мин.
2.Изучение видов тепловых двигателей по схеме.
13 мин.
3. Обсуждение экологических проблем.
4 мин.
4. Экологическая викторина
15 мин.
5.. Подведение итогов
5 мин.
Воспитательные: воспитать чувство патриотизма, гордости
Учитель:
Сегодня мы с вами проводим урок –семинар по теме «Виды тепловых двигателей. Экологические проблемы использования тепловых машин».
Цель урока :
Учитель:
Эволюция, прогресс … истоки.
Действительно ли история развития тепловых двигателей - это история прогресса?
Что же такое 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.
История тепловых двигателей насчитывает не одно столетие, первые тепловые двигатели не всегда переводили тепло в движение, но они являлись прародителями современных двигателей.
Первым устройством для превращения теплоты в работу могла быть паровая пушка «Архитронито». Ее название можно перевести как сильный гром. Описание этого прибора имеется у Леонардо да Винчи, приписывающего его Архимеду. (картинка)
Прообразом теплового двигателя считается созданный в I в. до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил.(картинка) Этот эолипил представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. Для этого в вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками и под ним был установлен сосуд, частично заполненной водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, выделявшийся пар поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара.
Учитель:
Давайте мы совершим «экскурсию» в мире истории развития тепловых двигателей и выясним, где эти двигатели нашли применение. На доске у нас изображены «пункты» нашего путешествия. Первый «пункт» паровые машины и турбины.
Паровые машины и паровые турбины.
О движущей силе пара люди знали с глубокой древности. Первым устройством для превращения теплоты в работу могла быть паровая пушка "Архитронито". Ее название можно перевести как сильный гром. Описание этого прибора имеется у Леонардо да Винчи, приписывающего его Архимеду. Некоторые специалисты считают, что речь идет не о подлинном Архимеде и изобретение относится к более позднему периоду. Такая пушка вполне могла существовать, но ее нельзя, конечно, считать двигателем. Поэтому прообразом теплового двигателя считается созданный в I в. до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил и предназначалось как игрушка.
О том как развивалась история начина от парового двигателя до паровой турбины нам расскажет…….
Ученик делает доклад, подготовленный дома по заданию учителя.
Одним из первых попытался воспользоваться этой силой французский физик Дени Папен (1647-1714). Он пришел к идее пароатмосферного двигателя, представляющего собой цилиндр с поршнем, который мог подниматься под давлением пара и опускаться при его конденсации. Однако ученый так и не смог создать работоспособное устройство. УАТТ Джеймс (1736-1819) - английский изобретатель член Лондонского королевского общества с 1757 работал механиком в университете в Глазго, где познакомился со свойствами водяного пара и пользуясь котлом Д. Папена, (картинка) в 1765 построил экспериментальную машину с диаметром цилиндра 16 см, а в 1768 — первую большую паровую машину. К 1784 году создание универсального парового двигателя было фактически закончено, и он стал основным средством получения энергии в промышленном производстве. Уатт ввёл первую единицу мощности — лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности — ватт).
История техники полна примеров, когда изобретатели разных стран независимо друг от друга работали над решением общей задачи. Яркий пример такого «международного сотрудничества» – создание паровой турбины.
Первый важный шаг в разработке нового технического средства, потеснившего паровую машину, сделал шведский инженер Карл Густав Патрик Лаваль (1845-1913). Паровая турбина Лаваля представляет колесо с лопатками. Струя пара образующегося в котле, вырывается из трубы(сопла), давит на лопасти и раскручивает колесо. Экспериментируя с разными трубками для подачи пара, конструктор пришел к выводу, что они должны иметь форму конуса. Так появилось применяемое до настоящего времени сопло Лаваля.
Следующий шаг в разработке турбин сделал изобретатель из Англии Чарльз Алджернон Парсонс (1854 – 1931). Он соединил паровую турбину с генератором электрической энергии. С помощью турбины стало возможно вырабатывать электричество, и это сразу повысило интерес общества к паровым турбинам.
Учитель:
Мы с вами услышали о европейских физиках и инженерах, а были ли Российские инженеры , которые использовали силу пара? Конечно, и примером является Иван Иванович Ползунов. Рассказ о работе Ползунова нам подготовил(а)……
Ученик рассказывает о паровой машине И.И.Ползунова.
В алтайской глуши к шестидесятым годам XVIII в. сформировался замечательный человек. Изобретатель и конструктор, технолог и машиностроитель, строитель пильных мельниц и рудотолчейно-промывальных предприятий, знаток руд и строительных материалов, опытный горняк и металлург, механик и математик, физик и метеоролог, мастер тонких опытов и искусник в приборостроении, педагог и график - таким был этот выдающийся представитель русской технической мысли. – Иван Иванович Ползунов. Он поставил перед собой задачу создать "огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять". В 1765 г. началось строительство, но вести его пришлось в полном несоответствии с тем, как хотел изобретатель. Вместо небольшой опытной установки пришлось сразу приступить к сооружению огромной производственной "машины большого корпуса". Вопреки необходимости предварительно освоить новую технику и подготовить людей пришлось немедленно заняться грандиозным по тому времени строительством, сооружая машину, достигавшую высоты 11 метров. Основными помощниками Ползунова считались юные ученики, особенно Дмитрий Лезвин и Иван Черницын. На исходе 1765 г. теплосиловая установка Ползунова была закончена. На берегу заводского пруда возвышалось машинное здание высотой более 18 метров. В условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно, получить всеобщего распространения. Однако использование отдельных машин и, во всяком случае, использование уже построенной машины было и возможным, и целесообразным.
Учитель:
Я думаю, вы знаете, что в нашем городе есть улица имени Ивана Ивановича Ползунова. И после сегодняшнего урока вам будет понятно, за какие заслуги Иван Иванович был удостоен такой чести.
Учитель:
Одна из главных областей применения паровых турбин – двигательные установки средств передвижения. Паровозы, пароходы – прогрессивные средства передвижения 19 века. ЧЕРЕПАНОВЫ, российские изобретатели, крепостные заводчиков Демидовых: отец Ефим Алексеевич (1774-1842) и сын Мирон Ефимович (1803-49). Построили первый в России паровоз. Паровые автомобили- первые самодвижущиеся экипажи. Телега – впереди которой медный котел подвешен, будто суп везут. В 1869 году во Франции братьями Пьером и Эрнестом Мишо был создан первый мотоцикл. Он представлял собой велосипед с маленьким одноцилиндровым паровым двигателем. Блок на двигателе соединялся с блоком на заднем колесе с помощью гибкого кожаного ремня.
Неудобство паровых машин привело к быстрой замене парового котла на двигатель внутреннего сгорания.
Учитель:
Вот мы с вами и переходим к следующему «пункту» нашей экскурсии – двигателю внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.
Создавали двигатель внутреннего сгорания в середине XIX века, когда на транспорте безраздельно господствовала паровая машина. В то время улицы освещались газовыми фонарями. Свойства нового топлива натолкнули на мысль, что перемещать поршень в цилиндре может не пар, а газовая смесь.
Первый двигатель, работавший на светильном газе, изобрел в 1860 году французский механик Этьен Ленуар (1822-1900).Конструкция имела все основные черты бедующих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндр с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл. И все же конструкция Ленуара была прообразом реального двигателя, она требовала серьезного усовершенствования. Коэффициент полезного действия этого двигателя был всего лишь 4%.
В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В 1897 нем. инженер Р. Дизель, работая над повышением эффективности двигатель внутреннего сгорания, предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого двигателя внутреннего сгорания на заводе Л. Нобеля в Петербурге (ныне «Русский дизель») в 1898—99 позволило применить в качестве топлива нефть. В результате этого ста двигатель внутреннего сгорания становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем.
В 1883 году Готлиб Даймлер предлагает конструкцию двигателя, который работает и на газе, и на бензине. Переход от газа на бензин позволил почти в два раза увеличить мощность двигателя.
В 1901 в США был разработан первый трактор с двигателем внутреннего сгорания. Дальнейшее развитие автомобильных позволило братьям О. и У. Райт построить первый самолёт с двигателем внутреннего сгорания., начавший свои полёты в 1903. В том же 1903 русские инженеры установили двигатели внутреннего сгорания на судне «Вандал», создав первый теплоход. В 1924 по проекту Я. М. Гаккеля в Ленинграде был создан первый, удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз.
Применение двигателя внутреннего сгорания.
Газотурбинные двигатели.
Газотурбинный двигатель был создан в первой половине XX века. Основной частью двигателя стала газовая турбина. Воздух в газотурбинных двигателях сжимается компрессором и подается в камеру сгорания, в которую вводится жидкое топливо или горючий газ. На электростанциях газотурбинные установки используются в пиковое время. Дело в том что в потребление электроэнергии в разное время суток очень неравномерно. Изменить режим работы паровой турбины нелегко, так как пар аккумулирует большое количество теплоты и для охлаждения нужно много времени. Газотурбинные двигатели легко ввести в работу. Их запускают в момент, когда потребление резко возрастает.
Наибольшее распространение газотурбинные двигатели получили в авиации, в качестве тяговых двигателей грузовых автомобилей, кораблей и подводных лодок. (картинка)
Реактивные двигатели.
Реактивные двигатели подразделяются на воздушно-реактивные и ракетные. Воздушно реактивные двигатели используются для полетов в плотных слоях атмосферы. Ракетные двигатели могут работать в безвоздушном пространстве, то есть в космосе. (картинка ) Поршневые моторы внутреннего сгорания верой и правдой служили авиации долгие годы. Росла их мощность, но настал момент, когда моторы по габаритам, и по весу сделались просто не подъемными для крылатых машин. И тогда на смену им пришли реактивные двигатели. Подавляющее большинство таких двигателей обходится без воздушных винтов.
Упрощенная реактивного движения двигателя выглядит так: турбина(1) вращает вентилятор (2) , который разгоняет поток воздуха, поступающего в камеры сгорания (3). Здесь он смешивается с топливом из бака (4), смесь сгорает, и образуется смесь газа, значительно превышающая массу воздуха, поступившего в двигатель. Вырываясь наружу, струя горячего газа создает тягу, приводящую в движение самолет.
Пневматические двигатели.
Пневматические двигатели представляют собой поршневую машину, «топливом» для которой служит сжатый воздух или углекислый газ. Они работают почти бесшумно, им не нужны горючие вещества, они не выделяют вредных выхлопных газов, просты в эксплуатации.
Паровые машины оказались победителями среди тепловых машин. Они единственные служат и сейчас на тепловых и атомных электростанциях и мощных судах!
Тепловые двигатели имеют исключительно важное значение в жизни человеческого общества, развитии техники, энергетики и транспорта. Изобретение паровой машины имело исключительно большое значение для перехода к машинному производству, сделало возможным изобретение парохода(1807), и паровоза (1814).Изобретение паровой турбины позволило резко увеличить мощности электростанций. В настоящее время паровая турбина—основной первичный двигатель на тепловых и атомных электростанциях.
Учитель: Сегодня невозможно представить себе человечество без тепловых машин.Но велик и вред, который приносят тепловые машины.. Возникла ситуация, когда человек должен бороться за сохранения своего дома -природы. Какие экологические проблемы стоят перед человечеством в связи с использованием тепловых двигателей?
Тепловые потери в различных тепловых двигателях приводят к повышению внутренней энергии окружающих тел и в конечном счете атмосферы. Сформулируем первую проблему.
Ученики: Тепловое загрязнение.
Учитель: Какие последствия это может вызвать?
Ученики: Это может привести к интенсивному таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, к изменению природных комплексов, что существенно изменит условия жизни человека на планете.
Учитель: Велики потери топлива при хранении и заправке, за счёт проливов, утечек, испарения. Сформулируем вторую проблему.
Ученики: Происходит загрязнение атмосферы, почв.
Учитель: К каким последствиям может это привести?
Ученики: Гибели растений, животных и в конечном итоге – людей.
Учитель: Как можно решить эти проблемы?
Ученики: Там, где хранится горючее, не должно быть сквозняков; заливать бензином канистры или цистерны лучше полностью, под “горло”, чтобы площадь поверхности бензина была минимальной, это уменьшит его потери на испарение. Использование очистных сооружений.
Учитель: Использование ракетных реактивных двигателей на жидком топливе и атомных электростанций приводит к попаданию радиоактивных веществ в атмосферу, почву и воду.
Сформулируйте эту проблему?
Ученики: Радиоактивное загрязнение среды.
Учитель: Какие проблемы это может вызвать?
Ученики: Тяжелые заболевания людей и животных, генные мутации.
Учитель: как можно решить эти проблемы?
Ученики: Уменьшить потери радиоактивных веществ, устройство надежных могильников радиоактивных отходов.
Учитель: Тепловые машины могут нанести огромный вред окружающей среде, Однако человечество не может отказаться от использования машин в своей деятельности. Чтобы произвести одну и ту же необходимую работу, следует повысить КПД двигателя, что позволит расходовать меньше топлива, т. е. позволит не увеличивать энергопотребление. Бороться с негативными последствиями применения тепловых машин можно только путем увеличения эффективности использования энергии, путем ее экономии.
Мы с вами обсудили экологические проблемы, теперь проведем викторину на эту тему.
Вопросы к экологической викторине:
1. Почему бочка для хранения бензина должна закрываться пробкой с резиновой прокладкой, причем очень плотно?
2. В какое время года потери бензина на испарение максимальны и почему?
3. Почему резервуары с бензином предпочтительнее размещать под землёй?
4. Подсчитано, что если для заправки бензином использовать ведро, то в год потери горючего (на одну автомашину) составят до 200 кг. Каковы причины этих потерь?
По окончании викторины учитель просит учащихся на листочке ответить на вопрос: “Что может сделать каждый из вас, чтобы спасти Землю от загрязнения двигателями внутреннего сгорания?”.
Листочки с ответами учащиеся прикрепляют к заранее оформленной газете о двигателях внутреннего сгорания.
Учитель: Мы с вами обсудили тему “Тепловые двигатели: “за” и “против”. Узнали о видах тепловых двигателей, историю их развития и где они используются. Обсудили экологические проблемы, связанные с применением тепловых машин, каждый из вас сделал для себя вывод, как он будет беречь Землю.
Далее идёт обсуждение экологических проблем.
Сейчас было названо несколько экологических проблем:
Повышение теплового фона планеты
- загрязнение воздушного бассейна,
- загрязнение водоёмов,
- загрязнение почв,
- шумовое загрязнение.
Какие пути решения этих проблем вы можете предложить?
Далее учащиеся, подготовившие сообщения на эту тему, рассказывают о возможности решения этих проблем:
- очистные фильтры,
- другие виды топлива,
- электромобили.
Благодарю всех ребят, принявших активное участие в подготовке и проведении урока. Все получат отличные оценки.
Однако при повышении ежегодного использования первичных энергоресурсов всего в 100 раз средняя температура на Земле повысится примерно на 1°С. Дальнейшее повышение температуры может привести к интенсивному таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, к изменению природных комплексов, что существенно изменит условия жизни человека на планете. Но темпы роста энергопотребления увеличиваются, и сейчас создалось такое положение, что до увеличения температуры атмосферы потребуется всего несколько десятков лет.
Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества, например сернистые соединения (при сгорании каменного угля), оксиды азота, углеводороды, оксид углерода (угарный газ СО), хлор и т. д. Эти вещества попадают в атмосферу, а из нее — в различные части ландшафта.
Особую опасность в увеличении вредных выбросов в атмосферу представляют двигатели внутреннего сгорания, установленные на автомобилях, самолетах, ракетах.
Применение паровых турбин на электростанциях требует много воды и больших площадей, занимаемых под пруды для охлаждения отработанного пара.
Из-за большого энергопотребления в ряде регионов планеты возможность самоочищения их воздушных бассейнов оказалась уже исчерпанной. Необходимость значительно снизить выброс загрязняющих веществ привела к использованию новых видов топлива, в частности к строительству атомных электростанций (АЭС).
Но на атомных электростанциях встают другие проблемы: захоронение опасных радиоактивных отходов, а также проблема безопасности. Это показала катастрофа на Чернобыльской АЭС. При решении экологических проблем, связанных с использованием тепловых машин, важнейшую роль должны играть постоянная экономия всех видов энергии, переход на энергосберегающие технологии.
infourok.ru
Цели урока:
Образовательная: рассмотреть устройство и принцип действия ДВС; показать области их применения, выявить проблемы, возникающие при их эксплуатации; рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях, объяснить принцип действия тепловых двигателей.
Развивающая: развивать монологическую речь учащихся, развивать умения излагать и воспринимать новый материал; содействовать формированию навыков сравнения, обобщения, логического мышления, поддерживать интерес к предмету.
Воспитательная: показать значение тепловых двигателей в жизни человека; объяснить принцип действия тепловых двигателей, рассмотреть, в чем заключается вредное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду и здоровье человека; выяснить пути охраны окружающей среды.
Оборудование к уроку: компьютер, мультимедиапроектор, экран, штатив, пробирка, пробка, стакан с водой, спиртовка.
Раздаточный материал: Групповая работа по карточкам.
Информационные технологии: презентация «Тепловые двигатели».
Ход урока:
I. Организационный этап.
Здравствуйте. Я рада вас видеть. Сегодня проведу у вас открытый урок по физике. Надеюсь, что наш урок будет для вас интересен и полезен. Проведем разминку и настроимся на физику. Однако, будьте внимательными, так как после разминки вы должны будете сформулировать тему урока.
II. Подготовка учащихся к учебно - познавательной деятельности.
Класс делится на 2 группы
В 3 веке до нашей эры великий греческий математик и механик
Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.
Опыт
«Преобразование энергии газа в механическую энергию».
Приборы и материалы: штатив, пробирка, пробка, стакан с водой, спиртовка.
Использовать внутреннюю энергию – значит совершить за счет нее полезную работу, например поднять груз, перевезти вагоны и. т. п. А это, в свою очередь, означает, что внутреннюю энергию необходимо превратить в механическую.
1. Как это сделать с помощью приборов и материалов которые у вас есть?
Какая группа быстрее соберет схему опыта, по данным приборам и материалам.
2. Что мы будем наблюдать?
Вывод опыта: 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.
Групповая работа по карточкам. Раздаю карточки.
Кроссворд
Процесс понижения температуры тела. (ТЕМПЕРАТУРА)
Вещество, удельная теплоемкость которого равна 4200 Дж/кг ͦС. (ВОДА)
Жидкость, которая применяется в термометрах в районах Крайнего Севера. (СПИРТ)
Один из видов осадков. (СНЕГ)
Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. (ПЛАВЛЕНИЕ)
Физическая величина, которая характеризует степень нагретости вещества. (ТЕМПЕРАТУРА)
Один из факторов, влияющих на скорость испарения. (ВЕТЕР)
Греческая буква, обозначающая удельную теплоемкость вещества. (ЛЯМБДА)
Расплавленный металл, способный заморозить воду. (РТУТЬ)
По вертикали в выделенном столбике читаем «ДВИГАТЕЛЬ».
Это только часть нашей темы. Разберемся, что такое двигатель? Какие двигатели вы знаете? Какая энергия (энергия чего) может превращаться в механическую энергию?
Записать тему урока «Тепловой двигатель».
Тепловой двигатель – Тепловыми двигателями - называют устройства, в которых внутренняя энергия пара или газа (рабочего тела) превращается в механическую энергию.
Т. е. за счет внутренней энергии пара совершается полезная работа – поднимается груз, перевозится груз, откачивается вода и т. д.
Принцип действия тепловых машин. При нагревании внутренняя энергия газа или пара увеличивается, пар расширяется и совершает работу (выталкивает пробку из пробирки).
Существуют несколько видов тепловых двигателей:
- паровая машина;
- двигатель внутреннего сгорания;
- паровая и газовая турбины;
- реактивный двигатель.
ДВС был создан в 1860 г. французским инженером Э. Ленуаром. Быстро пошло его усовершенствование и теперь это самый распространенный тепловой двигатель и двигатель вообще.
Рассмотрим простейший одноцилиндровый двигатель.
2 - хтактный и 4 - хтактные ДВС.
Устройство ДВС:
Коленчатый вал.
Цилиндр.
Поршень
Шатун
Впускной клапан.
Выпускной клапан.
Свеча зажигания.
Принцип работы ДВС:
Четырёхтактные ДВС работают на автомобилях и лёгких самолётах. На схеме показаны четыре такта работы двигателя:
Впуск - > Сжатие - > Рабочий ход - > Выпуск
Показываем анимацию двигателя.
Посмотрим, как работает ДВС.
Мертвые точки – верхняя и нижняя.
Ход поршня – расстояние между мертвыми точками.
1 рабочий цикл проходит за 4 хода (такта).
Повторим название тактов.
Применение ДВС
Весь материал - смотрите документ.
videouroki.net
Разделы: Физика
Форма проведения: урок-конференция.
Цель урока: обобщить знания учащихся о современных тепловых двигателях, выяснить роль тепловых двигателей в жизни мирового сообщества в целом и нашего региона в частности.
Задачи:
Оборудование: ПК, интерактивная доска или мультимедийный проектор с экраном.
Ход урока
1. Организационный момент.
2. Актуализация знаний:
Фронтальный опрос по вопросам:
А) Какое устройство называется тепловым двигателем ?
Б) Приведите примеры тепловых двигателей.
В) Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела в тепловом двигателе?
Г) Что называется КПД двигателя?
Д) Как рассчитать максимальное значение КПД теплового двигателя?
3. Изучение нового материала.
Учитель: На сегодняшнем уроке – конференции, мы заслушаем доклады, посвященные истории создания тепловых двигателей и их влиянию на жизнь человека. Доклады будут сопровождаться показами слайдов из презентации “Тепловые двигатели :“за” или “против”?” (Приложение 1). По ходу урока учащиеся заполняют рабочую карту ученика (Приложение 2).
План конференции: (Слайд 2)
Выступление 1-го докладчика. (Слайд 3)
Современные тепловые машины можно условно разделить на три группы : турбины, поршневые двигатели (ДВС) и реактивные двигатели. Каждая из групп, в свою очередь делится на подгруппы. Турбины бывают паровые и газовые, поршневые двигатели – карбюраторные и дизельные, реактивные двигатели – пороховые, воздушно-реактивные и жидкостно-реактивные.
Учитель: “Ни одно изобретение 18 столетия нельзя приписать одному лицу. Каждое изобретение имеет своих авторов, но включает опыт целого ряда предшествующих открытий и разработок ”. Это высказывание Карла Маркса справедливо и для истории изобретения тепловых двигателей.
Выступление 2-го докладчика. (Слайды 4–11)
Первым устройством для превращения теплоты в работу была паровая пушка “Архитронито”. Ее название можно перевести как “сильный гром”. Описание этого прибора имеется у Леонардо да Винчи, приписывающего Архимеду. Прообразом теплового двигателя считается созданный в 1 веке до н.э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый “Эолипил”. Он представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. По существу, эолипил – это не что иное, как паровая реактивная турбина.
Первым механическим двигателем, нашедшим практическое применение, была паровая машина Томаса Сейвери, построенная в Англии в 1698 году. Она предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Первая удачная паровая машина с поршнем была создана французом Дени Папеном в 1707 году. Она могла приводить в действие насосы. Услышав о паровой машине Папена, Томас Ньюкомен попытался построить более совершенную модель. Его паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 году. Она оказалась на редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет. Проект первой в мире паровой машины, способной непосредственно приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил 25 апреля 1723 года русский изобретатель Иван Иванович Ползунов. Его машина работала непрерывно, и все действия проходили в ней автоматически. В 1766 году машина была сдана в эксплуатацию, но проработала всего 3 месяца. Примерно в то же время в Англии над созданием паровой машины работал шотландец Джеймс Уатт. Начиная с 1763 года, он занимался усовершенствованием малоэффективной пароатмосферной машины Ньюкомена. И только в 1782 году Уатт создал первую универсальную машину двойного действия, которая использовалась для приведения в действие станков прядильных и ткацких фабрик, а позже – и других промышленных предприятий. Паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции.
Идея создания ДВС родилась в 1674 году и принадлежит Дени Папену. Однако, при первом же испытании, его машина была разрушена взрывом. Французский изобретатель Этьен Ленуар в 1860 году применил искру для зажигания горючей смеси в цилиндре ДВС. Он был компактным, легким и простым в эксплуатации, но его КПД не превышал 5 %. В 1876 году немецкий конструктор Николаус Отто создал первый четырехтактный ДВС, КПД которого был равен 22%. Двигатель Отто работал на смеси светильного газа с воздухом, что было дорого. В 1880 году О.С.Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В таком двигателе смешивание топлива с воздухом происходит вне цилиндра – в специальном узле – карбюраторе. В 1897 году немецкий инженер Рудольф Дизель предложил двигатель с воспламенением от сжатия, который теперь носит его имя – дизельный двигатель. КПД дизеля – 44%.
В 1903 году К.Э. Циолковский предложил реактивный двигатель для космической ракеты, в котором топливом служил бы жидкий водород, а окислителем – жидкий кислород. На слайде дана схема такой ракеты, взятая из работы Циолковского. Подобная жидкостно-реактивная ракета была создана в 1933 году под руководством С.П. Королева. Дальнейшая успешная разработка ракетно-космической техники позволила осуществить запуск первого в мире ИСЗ и полет вокруг Земли первого в мире космонавта Ю.А. Гагарина.
Учитель: Может ли холодное тело быть нагревателем? Нет? Вы ошибаетесь. Например, чтобы заморозить начавшее таять мороженое, мы кладем его в “морозилку” холодильника. Мороженое холоднее, чем воздух в комнате, но теплее, чем воздух в морозильной камере. Значит мороженое будет нагревать воздух внутри холодильника. Спустя какое-то время оно отдаст воздуху некоторое количество теплоты, охладится и перестанет таять.
Выступление 3-го докладчика. (Слайд 12)
Как устроен и работает холодильник? Радиатор – чёрная решётка позади холодильника, испаритель – морозильная камера внутри него и компрессор – насос с электродвигателем. Радиатор и испаритель сделаны из металлической трубки, заполненной легко сжижающимся газом – хладоном или другим газом.
Компрессор откачивает хладон из испарителя и под большим давлением накачивает его в радиатор. Поскольку при этом над хладоном совершается механическая работа, то, согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия газообразного хладона возрастает. Он нагревается приблизительно до 60–70 °С. Двигаясь по радиатору, газообразный хладон передаёт свою теплоту воздуху в комнате и постепенно сам охлаждается почти до комнатной температуры. Поскольку хладон сжат компрессором, то есть находится под давлением, то по мере охлаждения в радиаторе он постепенно становится жидким – конденсируется. В месте перехода трубки радиатора в трубку испарителя (на рисунке отмечено синим кружком) расположен дроссель – узкое отверстие. Дроссель препятствует свободному циркулированию хладона, то есть способствует наличию высокого давления в радиаторе. Поскольку из испарителя хладон постоянно откачивается компрессором, то, продавливаясь через дроссель, сжиженный хладон попадает в область низкого давления. При атмосферном давлении жидкий хладон кипит примерно при +20 °С. В трубке испарителя давление ниже атмосферного, поэтому хладон закипает и кипит там примерно при –20 °С, снова превращаясь в газ. Вспомним, что кипение невозможно без постоянного поступления теплоты (Q = r·m). Поэтому трубка испарителя интенсивно “отбирает” теплоту у продуктов в морозильной камере. При этом продукты охлаждаются, а хладон в трубке нагревается, и его температура возрастает примерно до –10 °С. Далее хладон снова попадает в компрессор и продолжает циркулировать, становясь то жидким и горячим, то газообразным и холодным. Как видите, холодильник не “вырабатывает” холод, а является тепловым насосом. Он, перемещая хладон по замкнутой системе трубок, тем не менее, “перекачивает” теплоту из морозильной камеры наружу.
Тепловой насос можно использовать не только в качестве холодильника или кондиционера; его можно использовать и в роли обогревателя. Зимой, например, можно “отбирать” теплоту у морозного воздуха за окном и передавать её воздуху в комнате. В магазинах бытовой техники можно встретить “обратимые” кондиционеры, которые летом перекачивают теплоту из комнаты на улицу, а зимой – с улицы в комнату.
Выступление 4-го докладчика. (Слайды 13–15)
В 1816 году Роберт Стирлинг (Шотландия) изобрел воздушный двигатель. Он содержит жидкость или газ, которые движутся в замкнутом объеме цилиндра, а топливо сгорает не внутри, а вне двигателя. Поэтому двигатель Стирлинга относится к двигателям внешнего сгорания. Он может работать от любого источника тепла! Принцип работы двигателя заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела (газа) в цилиндре с поршнем. Существует несколько разных вариантов двигателя Стирлинга : α – стирлинг, β -стирлинг и γ – стирлинг.
α – ρ
тирлинг имеет 2 цилиндра, соединенных между собой через регенератор. Поршни прикреплены шатунами к общему валу под углом 90º. Газ нагревается в горячем цилиндре, его давление увеличивается. Поршень этого цилиндра опускается, а поршень холодного цилиндра смещается вправо, проворачивая вал. Одновременно поршень горячего цилиндра начинает выталкивать газ в холодный цилиндр через регенератор. Регенератор охлаждает горячий газ с одной стороны, и нагревает холодный– с другой. За счет этого экономится часть подводимой к двигателю энергии и КПД повышается. Двигатель Стирлинга используется для приведения в действие водяных насосов, используя энергию Солнца, а также для выработки электроэнергии.Учитель: У всех тепловых двигателей КПД невысок, он не достигает даже 50%. А это означает, что более половины энергии, содержащейся в топливе, теряется. Перед учеными встал вопрос: как повысить КПД? Как уменьшить потери?
Выступление 5-го докладчика. (Слайды 16, 17)
Общий КПД теплового двигателя складывается из 3 основных частей : термодинамического КПД, механического КПД и топливной эффективности. Термодинамический КПД показывает, какая часть выделяемого в двигателе тепла превращается в полезную работу, а какая – уходит в окружающее пространство. Механический КПД показывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно тратится на преодоление различных механических сопротивлений, а какая – передается потребителю. Топливная эффективность показывает, какое количество топлива эффективно сгорело в двигателе, а какая часть топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания. Исходя из выше сказанного для повышения КПД двигателей необходимо:
1. Увеличение разности температур нагревателя и холодильника. 2 .Уменьшение трения частей двигателя . 3. Уменьшение потерь топлива вследствие его неполного сгорания (улучшение качества топлива).
Т.о. необходимо совершенствовать конструкцию двигателей.
Выступление 6-го докладчика. (Слайды 18–21)
Применение тепловых двигателей :
1. Турбинных: Паровые турбины устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в движение генераторы электрического тока, а также на всех атомных электростанциях для получения пара высокой температуры. Также паровые турбины ставятся на больших кораблях. Газовые турбины используются в газотурбинных установках самолетов ИЛ-18, АН-22 (Антей ). Они постепенно вытесняют паровые турбины на водном транспорте особенно на кораблях военно-морского флота. Газотурбинные двигатели мощностью до 440 Вт используют на большегрузных автомобилях.
2. Поршневых: Самый распространённый тип современного теплового двигателя – двигатель внутреннего сгорания (карбюраторный и дизельный) Они устанавливаются на автомобилях, самолётах, танках, тракторах, моторных лодках , вертолетах и т. д.
3. Реактивных: В зависимости от того, используется или нет при работе реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса – воздушно-реактивные и реактивные. Наиболее широко они используются на летательных аппаратах, таких как реактивные самолёты и ракеты-носители, а также в устройстве метеорологических и боевых ракет.
Учитель: С момента, когда была построена первая паровая машина, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно изменили жизнь человека. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин, значительно усовершенствовать промышленность, сельское хозяйство и бытовую жизнь человека. Но у каждой “медали” есть своя оборотная сторона, существуют и негативные последствия применения тепловых двигателей.
Выступление 7-го докладчика. (Слайды 22–25)
При работе тепловых двигателей для охлаждения используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов), в результате чего происходит повышение температуры окружающей среды, называемое “тепловым загрязнением”. Этот эффект усиливается тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли, что приводит к “парниковому эффекту”. Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу углекислый газ, угарный газ, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов. Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно более 200 млн. т золы и более 60 млн. т оксида серы. Кроме промышленности, воздух загрязняют и различные виды транспорта, прежде всего автомобильный. Жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей. Автомобиль стал причиной гиподинамии, главным истребителем невосполнимых природных ресурсов, загрязнителем земли, воды и воздуха, источником шума и опасности.
Пути предотвращения вредных воздействий: переход электрических станций на ядерное горючее, очистка дымовых газов от оксида серы, замена жидкого и твердого топлива на газообразное. В больших городах следует заменить двигатели внутреннего сгорания электродвигателями, т.е. шире использовать трамваи, троллейбусы, развивать метрополитен, а в качестве индивидуального транспорта использовать велосипеды или электровелосипеды, прокладывая для них специальные дорожки. Наиболее перспективными считаются электромобили и автомобили с двигателями, работающими на водороде. Продуктом сгорания в водородном двигателе является обычная вода. Можно использовать автомобили, работающие на солнечной энергии.
Учитель: Главными источниками выбросов в атмосферу Архангельской области являются предприятия: ЦБК Архангельска и Котласа, ТЭС Архангельска, Северодвинска, Новодвинска , “Северное машиностроительное предприятие”, “Звездочка” (г.Северодвинск). На долю автотранспорта области приходится 26 % всех вредных выбросов. Особенно напряженная обстановка имеет место в Архангельске и Новодвинске. Эти города входят в перечень городов страны с наибольшим уровнем атмосферного загрязнения. Среди негативных последствий на природу Архангельской области значительное место занимают полеты космических аппаратов с космодрома Плесецк (слайд 26 ).
В наше время люди, принимающие ответственные технические решения, должны владеть основами естественных наук, быть экологически грамотными, осознавать свою ответственность за действия и понимать, какой вред они могут принести природе. По нашему мнению автомобиль и другие тепловые двигатели в жизни и деятельности современной цивилизации просто необходим. Но всякие недоработки научно-технического прогресса необходимо устранять своевременно с той целью, чтобы сохранить в чистоте окружающую среду. Поэтому всем нам необходимо задуматься над вопросом: тепловой двигатель – это добро или зло? Решение этой проблемы в первую очередь зависит от нас с вами (Слайд 27).
4. Подведение итогов урока: заполнение п.8 рабочей карты ученика (Приложение 2).
5. Домашнее задание: повторить §82 [ 1 ], решить задачу [ 4 ]:
Мощность Архангельской ТЭС 450 МВт. За сутки ТЭС потребляет 1400 т мазута. Определите КПД этой станции. Удельная теплота сгорания мазута 3,9 * 10 ⁷ Дж / кг (Слайд 28).
Литература:
xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai
