Тепловые двигатели

Конспект урока физики

для 10 класса учителя МОУ СОШ №14 Лужновой Г.В.

Тема урока: Тепловые двигатели.

Цели урока:

1.     ввести понятие о тепловом двигателе и его устройстве;

2.     показать взаимосвязь развития физики и техники на примере принципов действия тепловых двигателей;

3.     раскрыть роль тепловых двигателей в современной цивилизации.

План урока

Ход урока.

I  Вопросы для организации фронтального повторения:

1.     Допускает ли первый закон термодинамики теплообмен от менее нагретого тела к более нагретому?

Ответ: Первый закон не запрещает этого процесса, он требует лишь сохранения энергии.

2.     Наблюдаются ли такие процессы в природе и технике?

Ответ: В природе – нет, в технике – да.

3.     Какие параметры газа меняются при сжатии?

Ответ: Давление возрастает, объем уменьшается, температура увеличивается.

4.     О чем говорит второй закон термодинамики? Можно ли его сформулировать так: без совершения работы тепло переходит лишь от более нагретого тела к менее нагретому, а не наоборот?

Ответ: Можно.

II Слайд 1

Мощный расцвет промышленности и транспорта в 19 веке был связан с изобретением и совершенствованием тепловых двигателей. Наша цивилизация – машинная цивилизация, причем большая часть машин – это тепловые машины разных видов. Принцип их работы основан на законах термодинамики. Без тепловых двигателей жизнь общества резко затормозилась бы. Не ездили бы машины, не летали бы самолеты, электроэнергия была бы в дефиците… вот почему так важно изучить работу тепловых двигателей.

Слайд 2.

На уроке мы рассмотрим следующие вопросы:

· Определение понятия «тепловой двигатель»

· Виды двигателей

· Устройство тепловых двигателей

· Принцип действия тепловых двигателей

· Применение тепловых двигателей

· Экологические проблемы

Идея создания теплового двигателя состоит в превращении части внутренней энергии тела (топлива) в механическую энергию других тел. Таким образом возникает возможность совершения механической работы.

Слайд 3.

Тепловой двигатель  - устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую.

Вопросы беседы:

1.     В каком случае термодинамическая система совершает работу?

Ответ: При расширении.

2.     В каких процессах работа совершается наиболее эффективно?

Ответ: В изотермическом и адиабатном.

Идея преобразования внутренней энергии топлива в механическую работу состоит в следующем: внутренняя энергия топлива при его сгорании преобразуется во внутреннюю энергию высокотемпературного газа и при  расширении газа частично превращается в работу.

Слайд 4.

Виды двигателей:

·        ДВС – двигатель внутреннего сгорания (слайд 5)

·        Турбореактивный (слайд 6)

·        Ракетный (слайд 7).

Разные двигатели устроены по-разному, но у всех есть общие элементы:

1.                      Объект, который совершает работу – это газ, его называют рабочим телом.

2.                      Элемент по преобразованию внутренней энергии топлива во внутреннюю энергию газа – нагреватель.

3.                      Не вся энергия превращается в работу, часть ее отдается холодильнику.

Как обеспечивается постоянная работа теплового двигателя? С теоретической точки зрения процесс должен быть круговым, т.е. система должна возвращаться в первоначальное состояние. Рассмотрим машины, которые выполняют работу в результате реализации круговых процессов – циклов.

Слайд 8.

Цикл работы ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выхлоп, поэтому такой двигатель называют четырехтактным.

Проблему преобразования теплоты в полезную работу впервые исследовал Сади Карно в 1824 г. В своей работе он дал ответ на вопросы, актуальные и сейчас. Существует ли предел улучшения работы теплового двигателя?

Важнейшей характеристикой теплового двигателя является КПД – коэффициент полезного действия – отношение энергии, которая пошла на работу, ко всей энергии, полученной от сгорания топлива: h =  . Из формулы следует, что КПД всегда меньше 1. Для идеального цикла Карно    h = 1 – Т₂/Т₁, где Т₁ – температура нагревателя, Т₂ – температура холодильника. КПД цикла Карно не зависит от выбора рабочего тела.

Слайд 9.

Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивают возможности удовлетворения жизненных потребностей человека.

Слайд 10.

Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых двигателях топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов:

· Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. Дальнейшее существенное увеличение концентрации СО₂ в атмосфере может привести к повышению ее температуры – «парниковый эффект».

· При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего его содержание в воздухе постепенно уменьшается.

При сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека (Слайд 11).

III  Отработка и углубление изученного материала продолжается при решении задач (слайды 12 -15).

IV  Домашнее задание: подготовка к конференции на тему «Тепловые двигатели и их роль в жизни человека».

Примерные задания:

1.     ДВС: виды, применение, характеристики.

2.     Турбореактивный двигатель.

3.     Дизель.

4.     Проблемы повышения КПД тепловых двигателей.

5.     Экологические проблемы использования тепловых двигателей.