Авторы:
Андрусенко Наталья Анатольевна, преподаватель физики и математики,
Манохина Елена Анатольевна, преподаватель химии и биологии,
КСиНТ г. Уральска Западно-Казахстанской области Республики Казахстан
Адрес ОУ: 090003 РК ЗКО г.Уральск, микрорайон Строитель 21/1
Интегрированный экологический урок "Значение тепловых двигателей. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды".
1 курс
Задачи:
Образовательные: познакомить учащихся с принципом действия тепловых двигателей, используя демонстрационный эксперимент; дать учащимся историческую справку о создании тепловых двигателей, показать взаимосвязь физики и техники; раскрыть роль и значение тепловых двигателей в современной цивилизации; научить учащихся оценивать степень влияния тепловых двигателей на окружающую среду.
Развивающие: развивать умение выделять главное, выдвигать гипотезы, делать выводы;
развивать познавательную деятельность учащихся.
Воспитательные: воспитание экологической культуры, патриотизма; развивать интерес учащихся к предмету.
Цель: разъяснить учащимся не только пользу, но и вред, который несут цивилизации использование тепловых двигателей, рассмотреть виды топлив, используемых в тепловых двигателях и токсичность выбросов отработанных топлив. Посмотреть на проблему с точки зрения экологических законов Барри Коммонера.
Оборудование: проектор, ПК, экран.
Тип урока: урок изучения нового материала с использованием ИКТ.
Методы урока: рассказ, эвристическая беседа.
Вид урока: интегрированный урок физики и экологии.
Содержание урока:
Организационный момент.
Повторение материала.
Объяснение нового материала.
Закрепление нового материала.
Рефлексия.
Домашнее задание.
Преподаватель физики. 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.
Кроссворд.
Один из способов изменения внутренней энергии тела (теплопередача).
Источник энергии, используемый в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту (топливо).
Кинетическая, потенциальная, внутренняя (энергия).
Дерево даешь – съедает, от воды – умирает (огонь).
От этой величины зависит скорость движения молекул (температура).
Единица измерения мощности (Ватт).
Процесс соединения молекул горючего с кислородом, при котором выделяется энергия (горение).
Единица измерения энергии (Джоуль).
Один из видов теплопередачи (излучение).
(Двигатели)
Преподаватель физики. Наш урок будет посвящён тепловым двигателям.
Преподаватель биологии. 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 двигателей.
Преподаватель физики. С тепловыми двигателями мы познакомились ещё в 8-м классе. Вспомним опыт, демонстрирующий работу пара. ( Демонстрируется опыт).
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.
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.
Ребята, сегодня мы с Вами проведем экологический урок на тему "Значение тепловых двигателей. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды". (Учащиеся записывают тему урока)
Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Сразу вспоминаются слова Кукольника:
"Дым столбом кипит - дымится пароход,
Пестрота, разгул, волненье, ожиданье, нетерпенье:
Веселится и ликует весь народ…
И быстрее, шибче воли
Поезд мчится в чистом поле!
Веселится и ликует весь народ...
1763 год - изобретение паровой машины Дж. Уаттом имело исключительно большое значение для перехода к машинному производству, стали возможным изобретения: парохода (1807 г.), паровоза (1814 г.), в 1889 г. Лавеленом изобретена паровая турбина, что позволило увеличить мощность электростанций.
Почти через 100 лет после изобретения Уатта и Ползунова француз Ленуар сконструировал двухтактный двигатель, в 1876 году немец Отто построил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.
Преподаватель биологии. Эйфория, вызванная развитием техники, быстро пошла на убыль, когда после взрыва атомной бомбы в Хиросиме, человечество поняло, что несет с собой стремительное развитие техники, когда мы стали понимать, что наши поля уже не так чисты, как во времена Кукольника и Глинки. Вот тогда, мы столкнулись с экологическим невежеством, ведущим человечество к пропасти. В начале 70-х на первый план стали выходить ученые - экологи, в эти годы Барри Коммонер и сформулировал свои экологические законы:
Все связано со всем.
Все надо куда-то девать.
За все надо платить.
Природа знает лучше.
Эти законы правильнее назвать "экологическими поговорками", ведь любая поговорка отражает опыт и чему-то учит неопытного. На тему нашего урока "Экология - тепловые двигатели" мы и посмотрим с точки зрения этих законов.
Так какие же цели, мы сегодня будем преследовать:
- выясним, в чем значение тепловых двигателей, возможно ли от них отказаться;
- основные виды двигателей, топливо и выбросы;
- загрязнение окружающей среды и влияние его на здоровье человека;
- возможные пути выхода из сложившейся экологической ситуации.
Преподаватель физики. Итак, значение тепловых двигателей.
Двигатели действительно составляют основу современной цивилизации. Без них мы не имели бы электроэнергии, не могли бы быстро перемещаться из одного места в другое, это различные виды транспорта. Транспорт обязательное звено между заводами изготовителями и потребителем.
Что общего во всех тепловых машинах?
Несмотря на большое разнообразие видов тепловых машин, все они имеют в основных чертах общий принцип действия. В работе двигателя можно выделить следующие общие черты:
а) превращение энергии топлива в тепловую;
б) необходимо наличие 2 тел с различными температурами: нагреватель, холодильник;
в) повторение циклов изменения состояния рабочего тела.
Рассмотрим устройство и принцип действия тепловых двигателей. Пользуясь схемой, запишите в таблице основные элементы теплового двигателя, принцип действия.
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 совокупность 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 = А расширения –
А сжатие. 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
Может ли КПД быть 100%?
Учащийся: Нет, так как 
Без холодильника круговой цикл не реализуется.
Преподаватель: Рассмотрим замкнутый процесс для максимального КПД. Это так называемый цикл Карно.
T1 – температура нагревания
Т2 – температура холодильника
Преподаватель физики: Когда КПД идеального теплового двигателя равен 100%?
Учащийся: Если Т2 = 0 К.
Преподаватель физики: 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?
Учащийся: Более полное сгорание топлива, а также использование энергии отработанного пара или газа приводит к повышению КПД.
Преподаватель физики: 98% производимой в мире энергии дают уголь, нефть, природный газ, т.е. топливо, которое используется на тепловых электростанциях (ТЭС) и только 2% - гидро- и атомные электростанции. Также в глобальном балансе загрязнения окружающей среды большую роль играет автотранспорт, доля которого в городах возрастает до 80%.
Паровая или газовая турбина сама по себе не дают больших загрязнений окружающей среды, но чтобы они заработали необходимо топливо. Топливо, которое используется в современной энергетике подразделяется на твердое, жидкое и газообразное. Постоянно растущие темпы добычи органических топлив приводят к резкому сокращению их запасов, с одной стороны, к тепловому и углекислому загрязнению биосферы, с другой стороны.
Преподаватель биологии: Известные запасы природного газа и нефти по некоторым расчетам будут исчерпаны через 40-50 лет. Запасов угля хватит на 100-200 лет. Перевод энергетики на угольную приведет к резкому выбросу углекислого газа в атмосферу, так как придется сжигать угля вдвое больше. Считают, что за последние 100 лет в атмосферу за счет сжигания топлива выделилось 250 млрд. тонн углекислого газа, против 320 млрд. тонн за все время существования человека. В настоящее время ежегодно в атмосферу выбрасывается 15 млрд. тонн этого газа, половина количества растворяется в океане (в океане СО2 в 60 раз больше, чем в воздухе).
Вопрос: К чему это приводит?
Ответ: Углекислый газ участвует в процессе фотосинтеза, а также задерживает часть инфракрасного излучения Земли. В результате наблюдается "парниковый эффект" - некоторое потепление атмосферы Земли.
Преподаватель биологии: Средняя температура - 10° С, за последнее время она поднялась на 1°С. Если сжигание топлива будет продолжаться в тех же масштабах, то к 2050 году температура может возрасти на 3°С., что чревато крупными отрицательными экологическими последствиями.
Возрастает и содержание пыли в атмосфере, в крупных городах до 100 мг/м3. Наличие пыли приводит к некоторому понижению температуры, Какой эффект в будущем ожидать - потепление или похолодание предсказать трудно. Наши тепловые станции усердно выбрасывают в атмосферу и пыль, и углекислый газ. Рассмотрим с помощью таблиц выбросы электростанций в атмосферу.
Таблица. "Структура твердого топлива"
Твердое топливо - это угли (бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы и торф.
Основная часть минеральной составляющей переходит в золу после сжигания в топке котла станции. В золе могут быть в небольших количествах разные вещества вредные для человека: германий, бор, мышьяк, ванадий, уран, ртуть, хлор и т.п.. А также в больших количествах оксиды кремния, алюминия, титана, калия, натрия и т.п. Все эти примеси распределяются по размерам частиц неравномерно. Обычно их содержание увеличивается с уменьшением размеров частичек золы. А именно они хуже задерживаются электрофильтрами.
Твердое топливо может содержать серу в виде колчедана (Fe2S) и пирита (FeS2). Эти соединения в результате горения превращаются в оксиды серы, причем 99% составляет сернистый ангидрид.
Жидкое топливо представляет собой мазут, сланцевое масло, дизельное и котельно-печное топливо. В жидком топливе отсутствует пиритная сера. При полном его сгорании твердых частиц в дымовых газах 0,1г/м. В мазуте содержится токсическое вещество пентаоксид ванадия (V2О5).
Газообразное топливо считается самым "чистым" органическим, топливом, так как при его сгорании из токсических веществ образуются только оксиды азота.
Если труба ТЭС имеет высоту 100м, то вредные вещества рассеиваются в радиусе 20 км, высотой 250 м - до 75 км. Чем выше труба, тем меньше концентрация выбросов, осаждаемых на землю.
Выбросы автотранспорта.
Ну, кто из нас не хотел бы иметь свой автомобиль? Однако именно он дает в городах самый большой процент 80% загрязнений. Сегодня в мире более 600 млн. автомобилей (по данным на 1995г). В США автомобиль есть у каждого второго жителя, в Африке на 1000 человек приходится 9 автомобилей, в Индии - 2, в Китае - 0,4. Зато в Индии и Китае столько же, 600 млн. велосипедов - экологически чистых видов транспорта. В нашем городе в личном пользовании количество авто - растет с каждым днем. Следует вспомнить, что в 1900 году на нашей планете насчитывалось лишь 6 тыс. автомобилей.
Автомобильные двигатели делятся на два типа двигателей внутреннего сгорания - карбюраторные и дизельные.
В карбюраторе топливо объединяется со струей сжатого воздуха и подается в рабочий цилиндр, где воспламеняется от свечи зажигания. Сам цикл работы карбюраторного двигателя предопределяет неполное сгорание топлива, значит, и содержание в выхлопных газах токсических компонентов. На некоторых режимах работы содержание СО(угарного газа) достигает 12%. При высоких температурах и давлениях в цилиндре двигателя азот реагирует с остаточным кислородом, образуя оксиды азота, которые также являются токсическими веществами. В жидких топливах присутствует сера - в выбросах обнаружен сернистый ангидрид.
Чтобы топливо сгорало без детонаций (высокая температура - взрыв) в его состав вводят антидетонатор. Мощные двигатели работают с высокими степенями сжатия, а этого можно достичь, используя высокооктановый бензин. Для повышения октановых чисел вводят в топливо этиловую жидкость с тетраэтилсвинцом. Это сильно ядовитое вещество при реакции с кислородом образует ядовитые соединения свинца. Условия горения топлива в цилиндре способствует образованию ароматических соединений, например, 3,4-бензпирен. Если в составе газов есть сажа, такие углеводы адсорбируются ею, задерживаются в легких человека и способствуют заболеванию раком.
В дизельных двигателях сжигается высокомолекулярное тяжелое топливо типа лигроинов и керосинов. Топливо подается форсункой в цилиндр при подходе поршня к верхнему крайнему положению. Температура достигает 500-600°С, давление 3-3,5 МПа - это условия для образования оксидов азота. В дизельных двигателях идут одновременно процессы испарения топлива, окисления паров, а также догорания паров в процессе расширения. Поэтому в выбросах содержание угарного газа незначительно. Но догорание капель на выпуске приводит к большому образованию сажи. В выбросах дизельных двигателей больше содержится сернистого ангидрида, так как содержание серы и избытка кислорода способствуют его образованию. Благоприятны условия для образования канцерогенных веществ. Свинца в отработанных газах дизельных двигателей нет, так как к топливу не добавляют антидетонаторов.
Выбросы автотранспорта при наличии ветра оседают вдоль трасс на расстоянии 500 м, в безветренную погоду до 100м. Все растения в этой полосе насыщены ядовитыми соединениями свинца. Содержание токсических веществ в выбросах зависит и от скорости автомобиля. Так, "Москвич - 408" при скорости 70 км/ч выбрасывает 0,2-0,3% угарного газа, а при скорости 100 км/ч или на холостом ходу - до 12%. Можно сделать вывод, что большое содержание этого газа на автостоянках, когда водители прогревают двигатели. Такая стоянка находится рядом с нашим колледжем.
Но кроме подвижных средств в нашем городе имеются всевозможные мастерские и большое количество автостоянок. Например, при ремонте двигателей они подлежат обкатке на обкаточных станциях, где их используют во всех режимах работы (на малых, холостых и максимальных ходах). В это время в зоне завода выбрасываются в больших количествах токсические вещества. Потом двигатель подвергается покраске в специальных камерах. Но как показывает опыт, из-за халатности персонала испарения ацетона, растворителей без очистки вентиляцией выпускаются в атмосферу. Большой вред наносят окружающей среде вылитые на землю отработанные масла. Дополнительно надо сказать, что окружающую среду автотранспорт загрязняет еще и своим шумом. Когда под высоким давлением отработанный газ выходит из цилиндра происходит громкий хлопок. Чтобы снизить звук применяют глушители: Это расширение в выхлопной трубе, в котором находятся сетчатые цилиндры, способствующие уменьшению звука, но глушители забирают много энергии. Например, если двигатель имеет 80 л.с., то при глушении звука потери составят до 20%, останется 64 л.с. Поэтому на высококлассных автомобилях мощные двигатели и мощные глушители, а это требует дополнительного потребления топлива, а значит, возрастают и выбросы в атмосферу. В городе основными загрязнителями среды является легковой транспорт.
Преподаватель физики: Я хочу предложить вам такую методику оценки количества выбросов от автотранспорта.
Находясь на остановке "Пединститут" в 17 часов за 10 минут я насчитала, что мимо меня проехало более 300 автомашин с двигателями внутреннего сгорания.
Вопрос: Какое количество выбросов приходится за рабочий день (10 часов напряженного движения транспорта) на один жилой дом длиной примерно в 100 м?
Я рассуждала так:
На пути 100 км двигатель приблизительно сжигает от 8 до 16 л бензина, возьмем среднее 10 л. На пути в 1 км – 0,1л.
На пути длиной в один дом, 100 м - 0,01 л. Проедет за 10 часов уже не 500 авто-, а в 60 раз больше:
500x6x10 = 30 000 автомобилей.
Значит, они сожгут 300 литров бензина и выпустят в атмосферу такое же количество газа.
Мы знаем, что для сгорания 1 кг бензина требуется 2,5 кг кислорода.
Средняя плотность бензина 700 кг/м3, значит масса сгоревшего топлива: m= ρV
Мы не только приобрели токсические выбросы, но и потеряли большое количество кислорода.
Пожалуйста, дома сделайте аналогичные расчеты для своей улицы и для своего дома. Это первое практическое домашнее задание.
Преподаватель биологии: Большую опасность для биосферы представляют не только автомобили, но и самолёты. Авиация является одним из главных виновников «парникового эффекта». В результате работы двигателей самолетов образуется очень много углекислого газа, а оксидов азота примерно в два раза больше, чем углекислого газа. Один современный лайнер при перелете из Европы в Америку сжигает 100 тонн горючего и выделяет в атмосферу 80 тонн углекислого газа. Для сравнения: 1 га леса выделяет в год 200 кг кислорода. Значит, чтобы компенсировать затраты кислорода на такой полет 500 га леса должны давать кислород в течение года.
Ракетное топливо.
На космодроме Капустин Яр с 1988 по 1991 год методом подрыва на грунте было уничтожено 619 ракет СС-20. Ракеты укладывались как поленья, в связки по 2 - 9 штук и взрывались каждые 20 мин. в течение 2 суток каждый месяц. В атмосферу был выброшен ядовитый букет в тридцать тысяч тонн из азота и его окислов, окислы углерода и алюминия, свинец, хлор. Проливные кислотные дожди уничтожили в Астраханской области 50% урожая, произошел массовый падеж овец. Именно в 1989 году в Ахтубинском роддоме стали рождаться "желтые дети". Синдром "желтых детей" наблюдался в Алтайском крае, месте падения первых ступеней ракет-носителей.
Какие же болезни человек получает, вдыхая отравленный выбросами воздух или съедая продукты, выращенные на отравленных землях.
Сернистый ангидрид (SO2) - раздражает верхние дыхательные пути (хронические риниты, катары, бронхиты с приступами астмы), нарушаются обменные и ферментативные процессы. В крови происходят изменения эритроцитов, уменьшается содержание гемоглобина.
Окись азота (NO) - кровяной яд, уничтожает гемоглобин, оказывает прямое действие на центральную нервную систему.
Двуокись азота (NO2) - раздражающее действие на верхние дыхательные пути, сильное отравление приводит к отеку легких.
Окислы азота при попадании в кровь превращаются в нитраты и нитриты, которые действуют на артерии, вызывают расширение сосудов и снижение кровяного давления, уничтожают гемоглобин.
Окись углерода (угарный газ – СО) - понижает содержание кислорода в крови, она становится не способной переносить кислород от легких к тканям. Возможно удушение при больших количествах (в гаражах). Повышает уровень сахара в крови, страдает нервная система, человек не может ровно писать, ослабляется логическая и зрительная память, уменьшается поле зрения, глаукома. Двуокись углерода (углекислый газ – СО2) - наркотик, раздражает кожу и слизистые оболочки. Особенно чувствительны к нему сердечные и легочные больные.
Соединения ванадия (V2О5) - яды, вызывающие изменения в кровообращении, органах дыхания, нервной системе, обмене веществ, аллергические заболевания кожи.
Соединения свинца - яд, действующий на все живое, вызывает изменения в крови и сосудах, проникая в организм, отлагается во внутренних органах и костях. Под влиянием ряда причин могут возникать вспышки отравления, и после прекращения взаимодействия со свинцом. Отравления свинцом коварны, они возможны при очистке наждачной бумагой корпуса автомобиля, значительное количество свинца заносится домой на рабочей одежде, коже. Благоприятное влияние на течение свинцовой интоксикации дает пектин (много в крыжовнике). Отравления возможны, если употреблять в пищу молоко от коров, которые питались травой или сеном, скошенным вдоль дорог.
«Все связано со всем» - мы внедряемся в литосферу, забираем топливо, нарушаем баланс, получаем от топлива отработанного ядовитые выбросы, нарушаем экологическое равновесие.
«Все надо куда-то девать» - если мы не находим рационального способа утилизации отходов, то загрязняется атмосфера, дожди уносят токсические вещества в землю и водоемы.
«За все надо платить» - если мы не хотим платить своим здоровьем и жизнью, то надо вкладывать деньги в разработку безотходных производств, строительство могильников ядовитых отходов, надежных очистительных сооружений, фильтров, реконструкцию и наладку систем очистки.
«Природа знает лучше» - не надо стараться быть умнее природы. Нужно изымать столько природных ресурсов, сколько она сама может восстановить, надо сохранять естественные механизмы сохранения экологического равновесия. Зеленые зоны, парки, скверы, газоны поглотят ядовитые вещества. Но мы не должны жечь опавшую листву в городе, она ядовита. А зимой тот же свинец оседает в снег, потом вместе с талой водой уходит в поля, огороды. Значит должны быть в городе хвойные растения.
Человек должен понять, что жизнь на Земле зависит от его отношения к природе, от гармонии между ними.
Когда огромный мир противоречий,
Насытится бесплатною игрой, -
Как бы прообраз боли человечной,
Из бездны вод встает передо мной.
И в этот час печальная природа,
Лежит вокруг, вздыхая тяжело,
И не мила ей дикая свобода,
Где от добра неотделимо зло.
Н. Заболоцкий
Закрепление нового материала
Преподаватель физики:
1.Какие устройства называют ТД?
Устройства, в которых внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию, называются ТД
2.Что называется коэффициентом полезного действия?
Это физическая величина равная отношению полезной работы к затраченной. ή= Ап / Аз
3.Что нам известно об этой величине?
Эта величина выражаются в процентах. Ее значение ни при каких условиях не может быть больше 100%.
4.Что в тепловых машинах совершает полезную работу?
Полезную работу совершает рабочее тело – газ или пар.
5.Если газ получил от нагревателя количество теплоты Q1 , а отдал холодильнику количество теплоты Q2 , то как можно определить работу газа?
Работу газа можно определить, как разность (Q1 - Q2).
6.Какая энергия тратится в тепловых двигателях?
Энергия, которую газ получает от нагревателя (топлива) Q1 .
7.Можно ли огнестрельное оружие отнести к ТД?
Да, так как внутренняя энергия газов превращается в кинетическую энергию пули.
8.Можно ли человеческий организм отнести к ТД?
Можно, так как внутренняя энергия превращается в механическую энергию
Или можно дать
Тестовое задание.
1. Какие устройства относятся к тепловым двигателям:
а) превращающие тепловую энергию в механическую;б) электрическую энергию в тепловую;в) внутреннюю энергию в тепловую)
2. Какой элемент теплового двигателя совершает работу:
а) холодильник; б) газ или пар; в) нагреватель;
3. 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
4. КПД теплового двигателя всегда:
а) больше1; б) равен 1; в) меньше 1.
5. 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.
Учитель биологии: А теперь рассмотрим экологические задачи:
1. Объясните, почему в крупных городах главные автомобильные магистрали необходимо проектировать параллельно, а не поперек направлению основных ветров.
2. Во льдах Гренландии, датированных 800 г. до н.э., содержится 0,0004 мкг свинца на 1 кг льда. Льды, образовавшиеся в 1753 г., содержат свинца в 25 раз больше; лед, образовавшийся в 1969 г., содержит 0,2 мкг свинца на 1 кг, т.е. в 500 раз больше. Объясните, как свинец попадает в льды Гренландии. Почему содержание свинца во льдах растет?
Учащиеся читают
Экологический манифест
Часть I
Природа!
Тысячелетиями мы боролись с нею, покоряли её, преобразовывали, нещадно уничтожали. Миллион транзисторов не заменит куска хлеба, голодному, миллиард телевизоров не спасёт от жажды, триллион автомашин не даст глотка воздуха задыхающемуся. Шум – враг номер один. Он физический наркотик, калечит тело и душу. Тишина нужна миру.
Мировая свалка и сточная яма – Океан – уже задыхается от грязи, теряет способность к самоочищению. Артерии планеты – реки – не должны вспухать склеротичными тромбами. Она – Природа – была и всегда будет сильнее человека, ибо она его породила.
Он лишь миг в его жизни.
Она же вечна и бесконечна.
Человек для неё “деталь”.
Она для него – всё.
А потому – не вреди!
Часть 2
Люди, прозрейте!
Труд вас сделал разумными.
Земля дала пищу и кров.
Капитал обогатил.
Наука повела в будущее.
Но вы обманываете себя. Вы идёте в грядущее через минное поле опасных изобретений. Угроза нависла над природой. Призрак экологического кризиса стал грозной явью. Его тяжёлая поступь слышна в аномалиях климата, кислотных осадках. Безумная техника сминает природу, кромсает биосферу, давит человечество, травит Землю.
Этот путь окончен.
Мы – за науку и технику здоровья и жизни.
Мы – против техники и науки разрушения.
Объединимся же под знаком мудрости экологического гуманизма!
Гений человечества должен служить только людям, их процветанию.
Оценка знаний ребят.
Задание на дом.
Преподаватель физики: «Невежество - ночь ума, ночь безлунная и беззвездная», - произнес Цицерон более тысячи лет назад.
«Что мы пьем, что едим, чем дышим?» - часто сетует обыватель. А что я делаю? какова моя позиция в ситуации «экология - тепловые двигатели» - на эту тему вам придется подумать дома и со своими размышлениями прийти на следующий урок.
Итак, дома: 1. Расчет токсических выбросов на Вашей улице.
2. Размышления на тему "Моя позиция в ситуации "Экология - тепловой двигатель".
3. § 5.9.
Преподаватель биологии: Я думаю, что Вашим размышлениям поможет высказывание Н.Г. Чернышевского:
"Где является человек, там природа должна воссоздаваться трудом человека".
Литература:
1.Кронгарт Б., Кем В., Койшыбаев Н. Физика: Учебник для 10 классов. – Алматы: Мектеп, 2006. – 140-147 с.
2.Хорошавин С.А. Демонстрационный эксперимент по физике в школах и классах с углубленным изучением предмета: Механика. Молекулярная физика: Книга для учителя. – М.: Просвещение, 1994. – 368 с.
3. Алексеев С.В. Экология: Учебное пособие для учащихся 9 классов общеобразовательных учреждений разных видов. СПб: СМИО Пресс, 1998. – 352 с.
4. Федорова М.З., Кучменко В.С., Воронина Г.А. Экология человека: Культура здоровья: Учебное пособие для учащихся 8 класса общеобразовательных учреждений. – М.: Вентана-Граф, 2007. – 144 с.
5. Жигарев И.А. Основы экологии. 10 (11) класс: сборник задач, упражнений и практических работ к учебнику под редакцией Н.М. Черновой «Основы экологии. 10 (11) класс»/ И.А. Жигарев, О.Н. Пономарева, Н.М. Чернова. – 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2007. – 206 с.
6. Неделя экологии в школе/авт.-сост. Г.А. Фадеева. – Волгоград: Учитель, 2007. – 66 с.
infourok.ru
Тепловой двигатель (паровая машина) сыграл и продолжает играть чрезвычайно важную роль в развитии нашей цивилизации. Его изобретение и внедрение в производство, транспорт и другие сферы деятельности человека послужили причиной промышленной революции XVIII столетия, открыли новые горизонты в нашей жизни.
Работа теплового двигателя базируется на действии водяного пара или других газов. Устройства с использованием упругого действия воздуха и водяного пара были известны еще в античном мире. Известнейшие из них сконструировали древнегреческие изобретатели из города Александрии: Ктезибий, Филон и Герон.
Начиная с 80-х годов XVIII столетия, универсальный тепловой двигатель Уатта нашел широкое применение во всех отраслях хозяйства многих стран. Например, в Великобритании создали свыше 300 таких двигателей для текстильной, горной, металлургической, пищевой отраслей. Паровой двигатель стимулировал развитие новых рабочих машин, транспорта.
Так родилась и утвердилась в разных сферах паровая машина. С
того времени тепловой двигатель постоянно совершенствовался, яркими примерами чего является развитие паровозов, двигателей внутреннего сгорания. Но это уже совсем другие истории. И, несмотря на то, что с конца XIX столетия во многих случаях паровая машина была заменена электрическим двигателем, она сыграла особую роль в техническом прогрессе человечества, а сотни мастерских конструкций тепловых двигателей 18-ХХ столетий представляют собой образцы высокого взлета научно-технического и инженерного гения человека.
Дви́гатель, мотор (от лат. motor приводящий в движение) — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX века наряду со словом «мотор», которым с середины XX века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
Двигатели подразделяют на первичные и вторичные. К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, а ко вторичным — преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками.
К первичным двигателям (ПД) относятся ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо и гиревой механизм — их приводит в действие сила гравитации(падающая вода и сила притяжения), тепловые двигатели — в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии. Ко вторичным двигателям (ВД) относятся электродвигатель (электромотор), пневмодвигатель, гидродвигатель (гидромотор).
Поршневые двигатели — камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма. ДВС классифицируют: а) По назначению - делятся на транспортные, стационарные и специальные. б) По роду применяемого топлива - легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо). в) По способу образования горючей смеси - внешнее (карбюратор) и внутреннее у дизельного ДВС. г) По способу воспламенения либо искра либо сжатие. д) По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, горизонтальные, вертикальные, V-образные, оппозитные.
studfiles.net
Класс разбивается на группы: проводится большая подготовительная работа, заранее ребята находят информацию по заданным темам, которые просматриваются учителями физики и экологии; готовятся выступления на уроке. Выступления групп сопровождается электронной презентацией. Возможны прения.
Выбирается группа – представители прессы: сотрудники различных газет, журналисты, фотокорреспонденты ( не менее 4 чел.)
План конференции:
История развития тепловых двигателей. Краткий экскурс.
Значение тепловых двигателей в развитии техники, особенно энергетики и транспорта.
Вредные выбросы в атмосферу в результате сгорания топлива.
Экологические проблемы.
Пути разрешения проблемы охраны окружающей среды.
Ведущая: Сегодня у нас проводится пресс-конференция по следующей теме
« Значение тепловых двигателей и охрана окружающей среды»
Цель данной конференции: прослушав сообщения специалистов различных областей науки и техники по данной теме, обсудив их, принять свое решение, как внести нам свой посильный вклад в решение экологической проблемы.
Всем докладчикам просьба сдать материалы своих выступлений в пресс-центр для обобщения.
Тепловыми двигателями называются машины, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую. Чтобы осознать громадное значение тепловых двигателей в жизни человеческого общества совершим небольшой исторический экскурс в прошлое.
1). 1-ый выступающий:
Итак – конец 17 века и век 18-ый.
1698 год – англичанин Севери
1705 год – англичанин Ньюкомен
1707 год – француз Папен
1763 год – русский Ползунов
1774 год – англичанин Уатт разработали различные по конструкции и назначению паровые машины – первые тепловые двигатели. И это изобретение стало первым действительно интернациональным изобретением.
А почти через 100 лет после изобретения универсальной паровой машины француз Ленуар сконструировал первый двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Через 16 лет, в 1876 году немецкий конструктор Отто построил первый четырехтактный двигатель.
Изобретение поровой машины имело исключительно большое значение для перехода к машинному производству, сделало возможным создание парохода (1807 г.) и паровоза (1814 г.)
Я еще не устал удивляться
Чудесам, что есть на земле, -
Самосвалу, свистку паровоза,
Автомобилю во дворе.
Самолеты летят сквозь тучи,
Ходят по морю корабли, -
Как до этих вещей могучих
Домечтаться люди смогли!
Я вверяю себя трамваю,
На такси приеду домой,
Человеку стоит дивиться
Человеческим чудесам.
Существуют три основных типа тепловых двигателей:
Паровые турбины. (устанавливаются на всех ТЭС, АЭС, водном транспорте, ж/д транспорте в настоящее время практически вытеснены).
Двигатели внутреннего сгорания. (автомобильный транспорт, авиация, с/х и строительная техника).
Реактивные двигатели. (авиация, космонавтика).
2-ой выступающий: Интересно отметить, что КПД первых паровых машин составляло всего 2-3% и физики терялись в догадках, почему он так низок. Французский ученый Сади Карно описал цикл работы идеальной тепловой машины, показал, как можно рассчитать ее максимальное КПД. Расчеты по формуле Карно показали, что первые тепловые машины не могли иметь КПД выше 7-8%, а если учесть неизбежные утечки тепла в атмосферу, то и те 2-3% следовало признать значительным достижением. Довольно быстро наряду с паром, как и предсказывал Карно, в турбинах стали использовать и газ, который можно нагреть до высокой температуры. Если температура горячего газа в турбине 800 К (527о С), а холодильник уменьшает ее до 300К (27оС), то максимальное КПД не может быть выше 62%. Неизбежные потери приводят, как всегда, к уменьшению этой цифры. У лучших образцов турбин, устанавливаемых на современных электростанциях КПД примерно 35-40%.
3-ий выступающий: В настоящее время широко обсуждаются перспективы энергетики и транспорта.
1. Первая основная концепция связана с развитием тепловых двигателей; она предусматривает повышение их КПД в результате увеличения рабочей температуры в камерах сгорания, что ведет к созданию конструкций двигателей из новых жаропрочных керамических материалов.
2. Вторая базируется на замене нефтяных топлив на альтернативные, в частности на газообразные и газовые конденсаты. Автомобили, двигатели которых работают на таком топливе уже существуют, имеются пассажирские воздушные лайнеры, работающие на криогенном топливе – жидком водороде и жидком природном газе, ТУ-155.
2). Слово предоставляется экологам:
Прогнозы изменения климата вследствие работы тепловых машин:
Парниковый эффект».
Озоновые «дыры».
Кислотные дожди, стимуляция раковых заболеваний, шумовые болезни.
Экологическая ситуация в Чувашии и в городе Шумерля.
3). Охрана окружающей среды.
Чтобы уменьшить загрязнения окружающего воздуха работающими тепловыми двигателями, необходимо обеспечить:
Более полное сгорание топлива.
Более тщательная очистка газов, выделяющихся топками электростанций и двигателями внутреннего сгорания.
Поиск более «чистого» горючего.
infourok.ru
Открытый урок в 9 классе.
СОШ п Пушкино. Советского района, Саратовской области.
Предмет: Физика.
Учитель: Пугаченко.Е.А.
Тема : «Техническое и экологическое значение тепловых двигателей. »Тип урока: Урок формирования знаний.
Вид урока : Урок – лекция.
Методы обучения :
* по степени активности учащихся – частично- поисковый, проблемный. * по источникам – словесные, наглядные, практические.
*контроля – фронтальный устный, индивидуальный письменный.
Формы организации учебного занятия : фронтальная , индивидуальная самостоятельная.
Используемая литература :
Мякишев. Г.Я, Буховцев .Б.Б, Сотский. Н. Н – Физика – 10 класс ,Просвещение – М,2006 год.
Громов .С .В. Физика – 11 класс, Просвещение – М,2002 год.
Рымкевич. А .П. Сборник задач по физике, Просвещение – М,1999год.
Орлов .В .А. Ханнанов. Н .К. Фадеева. А. А. Контрольные измерительный материалы , Просвещение – М ,2003 год.
Кудрявцева П.С. Курс истории физики , Просвещение – М, 1989 год.
Оборудование : Мультимедийная установка.Цели и задачи урока : 1) Обучающая – Сформулировать основные понятия присущие тепловым двигателям , раскрыть научное , мировоззренческое и экологическое значение тепловых
2) Развивающая – Продолжить формирование умений выполнять операции анализа, синтеза, классификации, способность наблюдать, делать выводы, выделять существенные признаки объекта, выдвигать гипотезы и применять их при решении задач разного уровня.
3) Воспитательная – Воспитывать способность следовать нормам поведения, исполнять законы общества, потребности личности, аккуратности записей в тетрадях и тестах, внимательности при объяснении и закреплении материала.Ход урока: I Организационный этап.
1.Приветствие и подготовка учащихся к работе на уроке, организация внимания.
2.Сообщение темы ,целей и задач нового материала.
II Введение новых знаний :
IV Обобщение, первичное закрепление и систематизация знаний
1.Устная работа:
А) Какие двигатели называются тепловыми?
Б) Когда и кем был изготовлен первый тепловой двигатель?
В) Из каких основных элементов состоит тепловой двигатель?
Г ) Как найти КПД теплового двигателя?
Д) Как найти КПД реально существующих тепловых машин ?
2.Решение качественных задач:
1). Определите КПД паровой турбины мощностью 2 • 105кВт, зная, что паровой котел турбины потребляет 170 т бурого угля в час. Удельная теплота сгорания бурого угля 16 800 кДж/кг.а) 25% в) 24%
6)21% г) примерно 30%
2). Какую массу антрацита надо сжечь в котельной установке с КПД, равным 60%, чтобы 5т воды, поступающей в нее при 10 °С, нагреть до 100 °С и 500 кг превратить в пар при 100 °С?а) 3 га б) 400 кг в) 150 кг г) 129,4 кг3.Тестирование с целью проверки степени усвоения изученного на уроке .I - вариант
1.Какие устройства называют тепловыми двигателями ?
а) устройства превращающие энергию топлива в механическую энергию
б) устройства превращающие механическую энергию в энергию топлива
в) устройства которые работают без затрат энергии2. Какое топливо используется для работы тепловогодвигателя?
а) твердое в) газ
б) жидкое г) все виды топлива
3. Какие процессы составляют работу тепловых двигателей?
а) процессы нагревания газа
б) периодические повторяющиеся процессы сжатияи расширения газа
в) процессы охлаждения газа
г) процессы впускания топлива и выпускания газа
4. Какой двигатель использовался на первом автомобиле?
а) реактивный двигатель
б) паровая машина
в) паровая турбина
г) двигатель внутреннего сгорания
5. Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания?
а) И. Ньютон в) Э. Ленуар
б) В. Паскаль г) Д. Стефенсон
6. Когда газ в цилиндре двигателя внутреннего сгорания обладает большей внутренней энергией: к концутакта сжатия или к концу рабочего хода?
а) на протяжении всей работы двигателя внутренняяэнергия не меняется
б) определенно ответить нельзя
в) к концу рабочего хода
г) к концу такта сжатия
II – вариант
1.Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания?
а) И. Ньютон в) Э. Ленуар
б) В. Паскаль г) Д. Стефенсон
2. Какое преобразование энергии характерно для теплового двигателя?
а) потенциальная энергия превращается в кинетическую
б)кинетическая энергия превращается в потенциальную
в) кинетическая энергия превращается во внутреннюю
г) внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя3. При работе всех тепловых машин используются...
а) только процессы впускания топлива
б) только процессы сжатия газа
в) только процессы расширения газа
г) замкнутые (круговые) процессы
4. Какие тепловые двигатели были построены самымипервыми?
а) реактивные двигатели
б) двигатели внутреннего сгорания
в) паровые машины
г) газовые турбины
5. Какие тепловые двигатели являются наиболее экономичными?
а) карбюраторные в) ракетные
б) дизельные г) газотурбинные
6. Каков КПД тепловых двигателей?
а) всегда > 1 в) всегда > 100%
б) всегда = 1 г) всегда
IV. Подведение итогов урока :
Озвучивание оценок за урок.
«Развитие Ж/д транспорта в России.»
« Сравнительная характеристика тепловозов и электровозов .»
5-bal.ru
