конспект урока для 10 класса "Преимущества и недостатки тепловых двигателей"

Конспект урока физики по теме: « Преимущества и недостатки тепловых двигателей »

(10 кл.)



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: 

Образовательные: расширить знания учащихся об истории открытия тепловых двигателей, познакомить с устройством и принципом действия «необычных» тепловых двигателей, с  ролью тепловых двигателей в современном мире, раскрыть сущность связанных с ними экологических проблем, обсудить пути решения этих проблем.

Развивающие : закрепить представления учащихся о классификации современных тепловых двигателей, о применении этих двигателей в различных сферах человеческой жизни, продолжить формирование навыков решения задач по определению КПД тепловых двигателей, развитие интереса к изучаемому предмету.

Воспитательные:   обратить внимание учащихся на положительные и отрицательные стороны использования тепловых двигателей, продолжить формирование активной жизненной позиции учащихся, чувства  гордости и уважения к  соотечественникам – ученым и изобретателям, убедить учащихся в жизненной важности бережного отношения к окружающей среде.



Оборудование:  ПК, интерактивная доска или мультимедийный проектор с экраном.



Ход урока:

Организационный момент.

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 >

		Классификация современных тепловых двигателей.

		Из истории создания тепловых машин.

		Тепловой насос.

		Двигатель внешнего сгорания.

		Пути повышения КПД тепловых двигателей.

		Применение тепловых двигателей.

	Экологические проблемы использования тепловых двигателей.



      Выступление 1 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 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 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 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 – стирлинг 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 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 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 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:

Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский  «Физика 10 кл.». -  Москва «Просвещение», 2009г.

И.Г. Кириллова « Книга для чтения по физике». - Москва «Просвещение», 1986г.

3. Н.И.  Дятчин «История развития техники: Учебное пособие». – Ростов-на-Дону «Феникс», 2001г.

4.  « Региональный компонент общего образования Архангельской области ». – Архангельск, 2006г.

5.  Белогубова М. «Экологические проблемы Архангельской области: причины обострения, пути решения».- Архангельск, 1991г.