Тепловые двигатели | Физика

Развитие техники во многом зависит от умения как можно более полно использовать те запасы внутренней энергии, которые содержатся в топливе.

Использовать внутреннюю энергию — значит совершить полезную работу, например переместить поршень, поднять груз и т. д.

Проделаем опыт. Нальем в пробирку немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением образовавшегося пара пробка выскочит и поднимется вверх. Сначала в этом опыте энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара. Затем пар, расширяясь, совершил работу — поднял пробку.

Если мы заменим пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку — плотно пригнанным поршнем, способным двигаться внутри цилиндра, то получим простейший тепловой двигатель.

Тепловым двигателем называют устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива.

Существуют разные виды тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, газовая и паровая турбины, реактивный двигатель. В каждом из них энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара), который затем, расширяясь, совершает работу. В процессе совершения этой работы часть внутренней энергии газа превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя.

Совершая работу, тепловой двигатель использует лишь некоторую часть той энергии, которая выделяется при сгорании топлива.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя находят по формуле

где Q — количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива; А — работа, совершаемая двигателем.

В результате того, что А всегда меньше Q, коэффициент полезного действия любою теплового двигателя оказывается меньше 100 %.

Первые тепловые двигатели были построены в конце XVIII в. Это были паровые машины.

Основной частью паровой машины является цилиндр, внутри которого находится поршень. Поршень приводится в движение паром, который поступает из парового котла.

Первая универсальная паровая машина была построена английским изобретателем Джеймсом Уаттом. Начиная с 1768 г. на протяжении многих лет он занимался усовершенствованием ее конструкции. При поддержке крупного промышленника Болтона за десять лет в период с 1775 по 1785 г. фирма Уатта построила 66 паровых машин: из них 22 для медных рудников, 17 для металлургических заводов, 7 для водопроводов, 5 для каменноугольных шахт и 2 для текстильных фабрик. За следующее десятилетие той же фирмой было поставлено уже 144 такие машины.

Изобретение паровой машины сыграло огромную роль в переходе к машинному производству. Недаром на памятнике Уатту написано: «Увеличил власть человека над природой».

1. Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую энергию тела. 2. Что называют тепловым двигателем? 3. Назовите виды тепловых двигателей. 4. Что называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя? 5. Кто изобрел паровую машину?

Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей. 10-й класс

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Цель урока: Разъяснить принцип
действия теплового двигателя.

Задачи урока:

Образовательные: познакомить
учащихся с видами тепловых двигателей, развивать
умение определять КПД тепловых двигателей,
раскрыть роль и значение ТД в современной
цивилизации; обобщить и расширить знания
учащихся по экологическим проблемам.

Развивающие: развивать внимание и
речь, совершенствовать навыки работы с
презентацией.

Воспитательные: воспитывать у
учащихся чувство ответственности перед
последующими поколениями, в связи с чем,
рассмотреть вопрос о влиянии тепловых
двигателей на окружающую среду.

Оборудование: компьютеры для
учащихся, компьютер учителя, мультимедийный
проектор, тесты (в Excel), Физика 7-11 Библиотека
электронных наглядных пособий. “Кирилл и
Мефодий”.

Ход урока

1. Оргмомент

2. Организация внимания учащихся

Тема нашего урока: “Тепловые
двигатели”. (Слайд 1)

Сегодня мы вспомним виды тепловых
двигателей, рассмотрим условия их эффективной
работы, поговорим о проблемах связанных с их
массовым применением. (Слайд 2)

3. Актуализация опорных знаний

Прежде чем перейти к изучению нового
материала предлагаю проверить как вы к этому
готовы.

Фронтальный опрос:

– Дайте формулировку первого закона
термодинамики. (Изменение внутренней энергии
системы при переходе ее из одного состояния в
другое равно сумме работы внешних сил и
количество теплоты, переданное системе. U=A+Q)

– Может ли газ нагреться или
охладиться без теплообмена с окружающей средой?
Как это происходит? (При адиабатических
процессах.) (Слайд 3)

– Напишите первый закон термодинамики
в следующих случаях: а) теплообмен между телами в
калориметре; б) нагрев воды на спиртовке; в)
нагрев тела при ударе. (а) А=0, Q=0, U=0; б) А=0, U= Q; в) Q=0, U=А)

– На рисунке изображен цикл,
совершаемый идеальным газом определенной массы.
Изобразить этот цикл на графиках р(Т) и Т(р). На
каких участках цикла газ выделяет теплоту и на
каких – поглощает?

(На участках 3-4 и 2-3 газ выделяет
некоторое количество теплоты, а на участках 1-2 и
4-1 теплота поглощается газом. ) (Слайд 4)

4. Изучение нового материала

Все физические явления и законы
находят применение в повседневной жизни
человека. Запасы внутренней энергии в океанах и
земной коре можно считать практически
неограниченными. Но располагать этими запасами
недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь
приводить в действие устройства, способные
совершать работу. (Слайд 5)

Что является источником энергии?
(различные виды топлива, энергия ветра, солнца,
приливов и отливов)

Существуют различные типы машин,
которые реализуют в своей работе превращение
одного вида энергии в другой.

Тепловой двигатель – устройство,
превращающее внутреннею энергию топлива в
механическую энергию. (Слайд 6)

Рассмотрим устройство и принцип
работы теплового двигателя. Тепловая машина
работает циклично.

Любая тепловая машина состоит из
нагревателя, рабочего тела и холодильника. (Слайд
7)

КПД замкнутого цикла (Слайд 8)

Q₁ – количество теплоты
полученное от нагревания Q₁>Q₂

Q₂ – количество теплоты отданное
холодильнику Q ₂<Q ₁

A^{/ =} Q ₁– |Q ₂| – работа
совершаемая двигателем за цикл ? < 1.

Цикл C. Карно (Слайд 9)

T₁ – температура нагревания.

Т₂ – температура холодильника.

1. – не зависит
   от Q, р, V топлива.
2. – является
   функцией только двух температур.

На всех основных видах современного
транспорта преимущественно используются
тепловые двигатели. На железнодорожном
транспорте до середины XX в. основным двигателем
была паровая машина. Теперь же главным образом
используют тепловозы с дизельными установками и
электровозы. На водном транспорте также
использовались вначале паровые двигатели,
сейчас используются как двигатели внутреннего
сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

Наибольшее значение имеет
использование тепловых двигателей (в основном
мощных паровых турбин) на тепловых
электростанциях, где они приводят в движение
роторы генераторов электрического тока. Около 80 %
всей электроэнергии в нашей стране
вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины)
устанавливают также на атомных электростанциях.
Газовые турбины широко используются в ракетах,
в железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяют поршневые
двигатели внутреннего сгорания с внешним
образованием горючей смеси (карбюраторные
двигатели) и двигатели с образованием горючей
смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

В авиации на легких самолетах
устанавливают поршневые двигатели, а на огромных
лайнерах – турбовинтовые и реактивные
двигатели, которые также относятся к тепловым
двигателям. Реактивные двигатели применяются и
на космических ракетах. (Слайд 10)

(Показ видеофрагментов работы
турбореактивного двигателя.)

Рассмотрим более подробно работу
двигателя внутреннего сгорания. Просмотр
видеофрагмента. (Слайд 11)

Работа четырехтактного ДВС.

1 такт: впуск.

2 такт: сжатие.

3 такт: рабочий ход.

4 такт: выпуск.

• Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2
клапана(впуск и выпуск), свеча.

• Мертвые точки – крайнее положение поршня.

Сравним эксплуатационные характеристики
тепловых двигателей.

КПД:

• Паровой двигатель – 8%
• Паровая турбина – 40%
• Газовая турбина – 25-30%
• Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%
• Дизельный двигатель – 40– 44%
• Реактивный двигатель – 25% (Слайд 112)

Тепловые двигатели и охрана
окружающей среды (Слайд 13)

Неуклонный рост энергетических
мощностей – все большее распространение
укрощенного огня – приводит к тому, что
количество выделяемой теплоты становится
сопоставимым с другими компонентами теплового
баланса в атмосфере. Это не может не приводить к
повышению средней температуры на Земле.
Повышение температуры может создать угрозу
таяния ледников и катастрофического повышения
уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются
негативные последствия применения тепловых
двигателей. Растет выброс в атмосферу
микроскопических частиц – сажи, пепла,
измельченного топлива, что приводит к увеличению
“парникового эффекта”, обусловленного
повышением концентрации углекислого газа в
течение длительного промежутка времени. Это
приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические
продукты горения, продукты неполного сгорания
органического топлива – оказывают вредное
воздействие на флору и фауну. Особую опасность в
этом отношении представляют автомобили, число
которых угрожающе растет, а очистка отработанных
газов затруднена.

Все это ставит ряд серьезных проблем
перед обществом. (Слайд 14)

Необходимо повышать эффективность
сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу
вредных веществ; добиваться более полного
сгорания топлива в автомобильных двигателях, а
также увеличения эффективности использования
энергии, экономии ее на производстве и в быту.

Альтернативные двигатели:

• 1. Электрические
• 2. Двигатели, работающие на энергии солнца и
  ветра (Слайд 15)

Пути решения экологических проблем:

1. Использование альтернативного
   топлива.

2. Использование альтернативных
   двигателей.

3. Оздоровление окружающей среды.

4. Воспитание экологической культуры.
   (Слайд 16)

5. Закрепление материала

Всем вам предстоит всего лишь через
год сдавать единый государственный экзамен.
Предлагаю вам решить несколько задач из части А
демоверсии по физике за 2009 год. Задание вы
найдете на рабочих столах ваших компьютеров.

6. Подведение итогов урока

С момента, когда была построена первая
паровая машина, до настоящего времени прошло
более 240 лет. За это время тепловые машины сильно
изменили содержание жизнь человека. Именно
применение этих машин позволило человечеству
шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.

Выставляет оценки за работу на уроке.

7. Домашнее задание:

§ 82 (Мякишев Г.Я.),
упр. 15 (11, 12) (Слайд 17)

8. Рефлексия

Прежде чем покинуть класс просьба
заполнить таблицу.

Спасибо за работу.

На этом наш урок окончен.

Литература:

1. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс: учеб. Для
   общеобразоват. Учреждений: базовый и профил.
   уровни/18-е изд. – М.:Просвещение, 2009.
2. Демкович В.П. Сборник задач по физике. 10-11 кл. –
   М.: ООО “Издательство Астрель”, 2001.
3. Волков В.А. Универсальные поурочные разработки
   по физике. 10 класс. – М.: ВАКО, 2006.

Видео-1

Видео-2

Тест

Презентация

Типы тепловых двигателей — двигатель внутреннего сгорания и двигатель внешнего сгорания

Тепловые двигатели можно найти везде, куда бы вы ни пошли. В холодильнике есть тепловой двигатель, который помогает охлаждать продукты. Вы также можете найти тепловые двигатели в своем автомобиле. Они также присутствуют во всех видах кондиционеров. Основное значение тепловой машины состоит в том, чтобы производить механическую энергию с помощью тепловой энергии. Существуют две основные классификации тепловых двигателей, основанные на процессе сгорания. Двумя типами тепловых двигателей являются двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания. Прежде чем мы рассмотрим классификацию тепловых двигателей, давайте разберемся, что же такое тепловой двигатель.

Что такое тепловая машина?

Мы знаем, что тепловой двигатель используется для производства механической энергии, используя тепловую энергию в качестве источника. Если быть точным, он использует топливо, такое как бензин или дизельное топливо, и преобразует свою химическую энергию в тепловую путем его сжигания. Затем эта тепловая энергия используется для перемещения механических частей, производя таким образом механическую энергию. По определению, это считается термодинамической системой.

Рассмотрим систему теплового двигателя, как показано на рисунке. Для работы тепловой машины нам нужны три основных компонента. Этими компонентами являются двигатель, который производит работу, источник, который обеспечивает тепловую энергию при более высоких показаниях температуры, и поглотитель, используемый для охлаждения двигателя для защиты двигателя от перегрева. Теперь, когда вы знаете, как работает тепловой двигатель, мы рассмотрим различные типы тепловых двигателей.

1. Двигатель внутреннего сгорания

Как следует из названия, сгорание топлива, обычно называемое сгоранием, происходит внутри системы. Он широко известен как двигатели внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания — это тип теплового двигателя, который использует рабочее топливо, такое как бензин и дизельное топливо, в качестве источника тепловой энергии. Принцип работы заключается в том, что он производит работу за счет сжигания топлива и создания среды высокого давления. Затем это высокое давление используется для запуска турбины или поршня, который преобразует тепловую энергию в механическую.

Двигатель внутреннего сгорания подразделяется на три основных типа, а именно:

Преимущества двигателей внутреннего сгорания

Недостатки двигателей внутреннего сгорания

2. Двигатель внешнего сгорания

Как следует из названия, сжигание топлива, или обычно известное как сгорание, происходит вне системы. Он широко известен как двигатель EC. В этом двигателе тепло от сгоревшего топлива передается вторичной жидкости, которая служит топливом для двигателя.

Примеры: В паровой машине теплота сгорания используется для производства пара, который используется в поршневой машине для выполнения полезной работы.

В газовой турбине замкнутого цикла теплота сгорания во внешней топке передается газу, обычно воздуху, который является рабочим телом цикла.

Преимущества двигателей с электронным управлением

Недостатки двигателей с электронным управлением

Интересные факты 

Типы тепловых двигателей [внутреннего и внешнего сгорания]

Двигатель внутреннего сгорания

25 апреля 2018 г. 5 декабря 2021 г. Напишите комментарий о типах тепловых двигателей [внутреннего и внешнего сгорания] | Сравнение

Содержание

Что такое тепловая машина?

Прежде чем перейти к тепловым двигателям (Классификация тепловых двигателей), давайте сначала разберемся, что такое двигатель.

Двигатель — это устройство, которое преобразует одну форму энергии в другую.

Двигатели можно разделить на два типа, т. е. двигатели внутреннего сгорания и двигатели не внутреннего сгорания. Примерами двигателей не внутреннего сгорания являются ветряная турбина и гидротурбина. Примером двигателя внутреннего сгорания является тепловой двигатель.

Теперь перейдем к определению тепловых двигателей.

Тепловая машина представляет собой устройство, преобразующее химическую энергию топлива в тепловую энергию и использующее эту тепловую энергию для выполнения полезной работы.