Урок физики в 10-м классе по теме: "Принцип действия тепловых двигателей. КПД. Охрана окружающей среды"

Цели урока:

• объяснить принцип действия тепловых двигателей, определить КПД тепловых двигателей:
• показать значение тепловых двигателей в жизни человека;
• рассмотреть, в чем заключается вредное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду и здоровье человека;
• выяснить пути охраны окружающей среды;
• развивать монологическую речь учащихся;
• содействовать формированию навыков сравнения, выделения главного и второстепенного в изучаемом материале, обобщения, логического мышления.  
• поддерживать интерес к предмету, желание учиться.

Оборудование: плакаты устройства различных ТД и их модели, жидкостный манометр, теплоприемник, нагревательный элемент (электрическая плитка).

Подготовка: учащиеся готовят доклады по темам:

• «Загрязнение окружающей среды в Краснодарском крае»,
• «Основные источники загрязнения окружающей среды в Гулькевичском районе и ее состояние»,
• «Пути решения проблем, связанных с использованием тепловых двигателей: новые двигатели, биологическое топливо, использование газа, полное сгорание топлива, управление движением городского транспорта, особое покрытие дорог, экологическое воспитание водителей».

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Повторение теоретического материала по теме.

3. Объяснение нового материала.

4. Самостоятельная работа по группам. Доклады учащихся и их обсуждение.

5. Постановка домашнего задания.

6. Итоги урока.

Повторение теоретического материала по теме

Вы уже изучили законы термодинамики и знаете, что внутреннюю энергию тел можно использовать для совершения механической работы. В тепловых машинах внутренняя энергия, освобождаемая при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию. Это преобразование объясняется так: тела, расширяясь при нагревании, совершают работу. Т.к. газы и пары расширяются наиболее сильно, они используются в качестве рабочего тела.

Важно то, что речь идет не об однократном расширении. Для того чтобы тепловая машина работала непрерывно, нужно, чтобы акты расширения многократно повторялись. Повторяемость актов расширения означает периодический возврат системы в исходное состояние. Но каждое возвращение в исходное состояние требует совершения работы.

Очевидно, что полезный выход работы возможен в том случае, если работа возвращения в исходное состояние меньше, чем работа, получаемая при расширении.

Демонстрация принципа действия теплового двигателя: в трубку жидкостного манометра налита подкрашенная вода. Одно колено трубки соединено с теплоприемником. Теплоприемник нагревается, над нагретой электроплиткой, охлаждается погружением в холодную воду.

Наличие холодильника является обязательным условием действия любого теплового двигателя потому, что полезный выход работы может быть только в процессе передачи тепла от горячего тела (нагревателя) более холодному (холодильнику).

Таким образом, КПД ТД определится по формуле: h = (Q₁ - Q₂) / Q₁, h = 1 - Q₂ / Q₁ .

Инженеры, проектирующие машины, стремятся повысить КПД машин.

Подумайте, когда КПД будет максимален?

Законы термодинамики позволяют вычислить это значение - впервые это сделал французский ученый Сади Карно.

Он придумал идеальную тепловую машину рабочим телом, которой является идеальный газ.

В цикле Карно расширение газа происходит в два этапа. (На доске приведен график цикла Карно.)

1-2) изотермическое расширение при температуре нагревателя, происходящее с подводом теплоты.

2-3) адиабатное расширение сжатого газа (работа совершается газом за счет его внутренней энергии).

Возврат газа в исходное состояние за счет работы внешних сил происходит также в два этапа:

3-4) изотермическое сжатие при температуре холодильника;

4-1) адиабатного сжатия.

h = T ₁ - T ₂ / T ₁ (температура выражена в Кельвинах)

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, что любая реальная машина, работающая с нагревателем, имеющим Т₁ и холодильником имеющим Т₂ не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

После записи всех формул в тетради учащимся предлагается работа в группах. Каждая группа получает описание устройства и принципа действия какого-либо теплового двигателя. В течение 7-8 мин учащиеся знакомятся с описанием и выполняют предложенные задания.

Один представитель от каждой группы, используя плакат или модель, рассказывает об устройстве и работе двигателя.

Анализируя все ответы, приходим к выводу, что в любом двигателе нагревателем служит сгорающее топливо, рабочим телом - газ или пар, холодильником атмосфера или конденсатор.

Выписываем на доску подсчитанные КПД двигателей, по приведенным в карточках-заданиях данным. Обсуждаем вопрос о путях повышения КПД.

УЧИТЕЛЬ:

Более 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях, где используются мощные паровые турбины. На атомных электростанциях также установлены паровые турбины. На всех основных видах транспорта преимущественно используются тепловые двигатели.

Повсеместное применение тепловых двигателей с целью получения удобной для использования энергии связано с воздействием на окружающую среду.

Какие действия на окружающую среду оказывают ТД?

• загрязняют биосферу;
• повышают температуру окружающей среды;
• истощают природные ресурсы;
• влияют на состояние здоровья людей.

Доклады учащихся о загрязнении атмосферы в нашем крае и районе.

Заслушиваем сообщения учащихся, которые они готовят заранее, о влиянии работы тепловых двигателей на человека и окружающую среду, о путях уменьшения вредного действия тепловых двигателей.

Дом. задание. Пп 29, 30 упр. 6, зад 15. 16

Итоги урока.

 

Описание устройств тепловых двигателей

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания - это тепловая машина, в которой в качестве рабочего тела используются газы высокой температуры, образующиеся при сгорании жидкого или газообразного топлива непосредственно внутри камеры поршневого двигателя.

Первый поршневой двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 году французским инженером Э. Ленуаром. КПД этого двигателя был равен 3,3%. К его достоинствам можно отнести малые размеры и массу.

Использование ДВС: автомобили, тракторы, тепловозы, авиация, корабли.

Строение четырехтактного автомобильного двигателя.

• цилиндр,
• камера сгорания,
• поршень,
• входной клапан;
• выходной клапан,
• свеча;
• шатун;
• маховик.

Работа ДВС

1 такт - "всасывание" поршень движется вниз, через впускной клапан в камеру сгорания всасывается горючая смесь - пары бензина с воздухом. В конце такта всасывающий клапан закрывается;

2 такт - "сжатие"- поршень поднимается вверх, сжимая горючую смесь. В конце такта в свече проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется;

3 такт - "рабочий ход"- газообразные продукты сгорания достигают температуры 1600⁰ С и давления 1- 10 МПа, с большой силой давят на поршень, который опускается вниз, и с помощью шатуна и кривошипа приводит во вращение коленчатый вал;

4 такт - "выхлоп"- поршень поднимается вверх и через выходной клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Температура выбрасываемых газов 500⁰ С.

Виды топлива: бензин, природный газ.

Вопросы

• Что служит нагревателем, рабочим телом, холодильником в автомобильном ДВС?
• Рассчитайте КПД автомобильного ДВС.

Принцип действия работы четырехтактного дизеля

1 такт - "всасывание" атмосферного воздуха;

2 такт - "быстрое сжатие" воздуха, при этом температура .воздуха возрастает до 1000 ⁰С. В конце сжатия с помощью форсунки в камеру сгорания впрыскивается распыленное дизельное топливо, которое воспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха. (В дизеле не нужна свеча);

3 такт - "рабочий ход";

4 такт - "выхлоп".

Используемое топливо - керосин, нефть (более тяжелые сорта топлива, чем бензин). Дизели используют на тракторах, на разного рода судах, в автомобилях.

Вопросы

• Что является нагревателем, рабочим телом и холодильником в дизеле?
• В чем отличие дизеля от бензинового двигателя?

Паровая турбина

Паровая турбина является основной частью паросиловой установки. В паросиловой установке из котла в паропровод выходит перегретый водяной пар с температурой около 300-500 ⁰С и давлением 17-23 МПа. Пар приводит во вращение ротор паровой турбины, который приводит во вращение ротор электрического генератора, вырабатывающего электрический ток. Отработанный пар поступает в конденсатор, где сжижается, образовавшаяся вода с помощью насоса поступает в паровой котел и снова превращается в пар.

Распыленное жидкое или твердое топливо сгорает в топке, подогревая котел.

Строение турбины

• Барабан с системой сопел - расширяющиеся трубки особой конфигурации;
• ротор - вращающийся диск с системой лопаток.

Принцип действия

Струи пара, с огромной скоростью (600-800 м/с) вырывающиеся из сопел, направляются на лопатки ротора турбины, давят на них и приводят ротор во вращение с большой скоростью (50 об/с). Происходит преобразование внутренней энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины. Пар, расширяясь при выходе из сопла, совершает работу и охлаждается. Отработанный пар выходит в паропровод, его температура к этому моменту становится немного выше 100° С, далее пар поступает в конденсатор, давление в котором в несколько раз меньше атмосферного. Конденсатор охлаждается холодной водой.

Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Г. Лавалем в 1889г.

Используемое топливо: твердое - уголь, сланцы, торф; жидкое - нефть, мазут. Природный газ.

Вопросы

• Что служит нагревателем, рабочим телом и холодильником в паровой турбине?
• Рассчитайте КПД паровой турбины.

Газовая турбина

Важное преимущество этой турбины - упрощенное преобразование внутренней энергии газа во вращательное движение вала

Принцип действия

В камеру сгорания газовой турбины с помощью компрессора подается сжатый воздух при температуре примерно 200° С, и впрыскивается жидкое топливо (керосин, мазут) под большим давлением. Во время горения топлива воздух и продукты сгорания нагреваются до температуры 1500-2200°С. Движущийся с большой скоростью газ направляется на лопасти турбины. Переходя от одного ротора турбины к другому, газ отдает свою внутреннюю энергию, приводя ротор во вращение.

При выхлопе из газовой турбины газ имеет температуру 400-500 ⁰ С.

Получаемая механическая энергия используется, например, для вращения винта самолета или ротора электрического генератора.

Газовые турбины - это двигатели, обладающие большой мощностью, поэтому их применяют в авиации.

Вопросы

• Что является нагревателем, рабочим телом и холодильником в газовой турбине?
• Вычислите КПД газовой турбины.

Реактивные двигатели

Принцип действия

В камере сгорания сгорает ракетное горючее (например, пороховой заряд) и образовавшиеся газы с большой силой давят на стенки камеры. С одной стороны камеры имеется сопло, через которое продукты сгорания вырываются в окружающее пространство. С другой стороны расширяющиеся газы давят на ракету, как на поршень, и толкают ее вперед.

Пороховые ракеты являются двигателями на твердом топливе. Они постоянно готовы к работе, легко запускаются, но остановить или управлять таким двигателем невозможно.

Значительно надежнее в управлении жидкостные ракетные двигатели, подачу топлива в которые можно регулировать.

В 1903 г. К. Э. Циолковский предложил конструкцию такой ракеты.

Устройство:

1 - камера сгорания
2 - насосы
3 - выходное сопло
4 - жидкое горючее
5 - окислитель

Вопросы

• Что является нагревателем, рабочим телом и холодильником в реактивных двигателях?
• Рассчитайте КПД двигателя, если температура нагревателя 3500 ⁰ С, а холодильника 2500 ⁰ С.