Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей.
план-конспект урока по физике (10 класс)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ №74.

ОРГАНИЗАЦИОННАЯ СТРУКТУРА УРОКА

ПЛАН – КОНСПЕКТ ЗАНЯТИЯ.

1. Организационный.    (1 мин).

(Слайд 1).

Добрый день! Я рада  видеть вас и думаю, что сегодня мы с вами  поднимемся  выше еще на одну ступеньку знаний.

2. Целеполагание.      (3 мин).

- Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Вспомним опыт, демонстрирующий работу пара.

 (Слайд 2).

Опыт:                                                                                                      

-В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. ( Пробка вылетает).

• За счет чего выскочила пробка?  (За счет давления пара).

• В какую энергию перешла энергия топлива? (Энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу – выталкивает пробку).

• Как вы думаете, где данное явление используется в технике? (Используется в работе тепловых двигателей).

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.

И тема нашего занятия: “Тепловые двигатели”(учащиеся записывают тему в тетради).

(Слайд №3).

         Целями нашего  занятия будут:

1. Изучить принципиальную схему теплового двигателя;
2. Понять физическую суть и практическое значение КПД тепловых машин;
3. Изучить устройство, принцип действия и назначение  двигателя внутреннего сгорания;
4. Изучить влияние тепловых двигателей на окружающую среду.
5. Осознать необходимости физических знаний для применения в профессии.

(Слайд №4).

- Вы будущие автомеханики.  В должностные обязанности автомеханика входит пункт: Ремонт и мойка ДВС.

В современном мире профессия автомеханика очень востребована, т.к улицы городов переполнены транспортом. Благодаря работе автомеханика срок службы автомобиля значительно увеличивается, что в свою очередь, снижает риск возникновения ДТП и обеспечивает безопасность водителя и пешеходов на дороге.

III.     Актуализация знаний.    (7 мин).

         Но чтобы лучше понять процессы, происходящие в тепловых двигателях – вспомним основные понятия термодинамики. У вас на столах листы с заданиями. Внимательно прочитайте и выполните задание №1.

Лист с заданием №1.

 Вариант 1.

1. Найдите правильное продолжение фразы: «Внутренняя энергия любого тела определяется…».

А. … кинетической энергией хаотического движения молекул.

Б.  …потенциальной энергией взаимодействия молекул друг с другом.

В. …кинетической энергией хаотического движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия.

Г. … кинетической энергией тела.

Д. …потенциальной энергией тела.

Е. … кинетической и потенциальной энергией тела.

2. Выберите выражение, соответствующее первому закону термодинамики

А.  .          Б.  А + Q = .       В..       Г..       Д.  р.       Е.  сm.

3. Как называется процесс, для которого первый закон термодинамики имеет вид: U=Q?

А.  Изохорный.        Б.  Изотермический.        В.  Изобарный.        Г. Адиабатный.

4. На рис.1 показано, получает система тепло или отдает, совершает газ работу или над газом совершается работа. Какой из вариантов соответствует уравнению:  

   ?

А.  1.         Б.  2.       В.  3.         Г.  4.     Д.  5.         Е.  6.

5. Определите изменение внутренней энергии газа, если над ним совершается работа 10 Дж и при этом он теряет  10 Дж количества теплоты.

А.  – 30 Дж.     Б.  – 20 Дж.   В.  – 10 Дж.   Г.  0 Дж.     Д.  10 Дж.     Е.  20 Дж.      Ж.  30 Дж.

Лист с заданием №1.

Вариант 2.

1. Найдите правильное продолжение фразы: «Внутренняя энергия идеального газа определяется …».

А. …кинетической энергией хаотического движения молекул.

Б. …потенциальной энергией взаимодействия молекул друг с другом.

В. …кинетической энергией хаотического движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия.

Г. …кинетической энергией сосуда с газом.

Д. …потенциальной энергией сосуда с газом.

Е. …кинетической и потенциальной энергией сосуда с газом.

2. Выберите выражение для расчета внутренней энергии одноатомного идеального газа

А.  .        Б.  А + Q = .        В..        Г..        Д.  р.        Е.  сm.

3. Как называется процесс, для которого первый закон термодинамики имеет вид:     А +Q = 0 ?

А. Изохорный.          Б. Изотермический.          В. Изобарный.          Г. Адиабатный.

4.  На рис.1 показано, получает система тепло или отдает, совершает газ работу или над газом совершается работа. Какой из вариантов соответствует уравнению: ?  

А. 1.   Б. 2.    В. 3.         Г. 4.         Д. 5.         Е. 6.

5. Определите изменение внутренней энергии газа, если он, совершив работу в 10 Дж, потерял 20 Дж количества теплоты.

А.  – 30 Дж.  Б.  – 20 Дж.   В.  – 10 Дж.   Г.  0 Дж. Д. 10 Дж. Е. 20 Дж.     Ж. 30 Дж.

Лист с заданием №1.

Вариант 3.

1. Найдите правильное продолжение фразы: «При изменении температуры идеального газа изменяется …»

А. …кинетическая  энергия  хаотического движения молекул.

Б. …потенциальная  энергия взаимодействия молекул друг с другом.

В. …кинетическая энергия хаотического движения молекул и потенциальная энергия их взаимодействия.

Г. …кинетическая энергия сосуда с газом.

Д. …потенциальная энергия сосуда с газом.

Е. …кинетическая и потенциальная энергия сосуда с газом.

2. Выберите выражение для расчета изменения внутренней энергии идеального одноатомного газа

А.  .       Б.  А + Q = .       В..       Г..       Д.  р.       Е.  сm.

3. Как называется процесс, для которого первый закон термодинамики имеет вид: U=р?

А. Изохорный.          Б. Изотермический.           В. Изобарный.          Г. Адиабатный.

4. На рис.1 показано, получает система тепло или отдает, совершает газ работу или над газом совершается работа. Какой из вариантов соответствует уравнению:  ?

А.  1.   Б.   2.    В. 3.        Г.  4.         Д.  5          Е.  6.

5. Определите изменение внутренней энергии газа, если он, совершив работу 10 Дж, получил 20 Дж количества теплоты.

А.  – 30 Дж   .Б.  – 20 Дж.   В.  – 10 Дж.    Г.  0 Дж.     Д.  10 Дж.    Е.  20 Дж.     Ж.  30 Дж.

Лист с заданием №1.

Вариант 4.

1. Найдите правильное продолжение фразы: «При совершении работы идеальным газом изменяется …».

А. …кинетическая  энергия  хаотического движения молекул.

Б. …потенциальная  энергия взаимодействия молекул друг с другом.

В. …кинетическая энергия хаотического движения молекул и потенциальная энергия их взаимодействия.

Г. …кинетическая энергия сосуда с газом.

Д. …потенциальная энергия сосуда с газом.

Е. …кинетическая и потенциальная энергия сосуда с газом.

2. Выберите выражение для расчета работы газа при изобарном процессе.

А..      Б.   А + Q = .      В..       Г..        Д.   р.        Е.  сm.

3. Как называется процесс, для которого первый закон термодинамики имеет вид: U=А ?

А.  Изохорный.          Б.  Изотермический.              В.  Изобарный.          Г.  Адиабатный.

4. На рис.1 показано, получает система тепло или отдает, совершает газ работу или над газом совершается работа. Какой из вариантов соответствует уравнению: ?

А. 1.          Б.  2.     В.  3.      Г.  4.       Д.  5.         Е.  6.

5. Определите изменение внутренней энергии газа, если над ним совершается работа 10 Дж и при этом он получил 20 Дж количества теплоты.

А.  – 30 Дж.    Б.  – 20 Дж.    В.  – 10 Дж.     Г.  0 Дж.     Д.  10 Дж.    Е.  20 Дж.   Ж.  30 Дж.

 - Проверим ваши знания.

Ключ к заданию №1.(Слайд №5).

4. Изучение нового материала.      (20 мин).  

1. Тепловые машины. (3 мин).

 Диапазон применения тепловых двигателей чрезвычайно велик – от автомобилей до электростанций и космических ракет.

(Слайд №6).

Широкое применение тепловых двигателей стало возможным благодаря открытиям ученых и изобретениям инженеров. Среди ученых следует особо отметить Садди Карно, первым разработавшего теорию тепловых двигателей, а среди инженеров – английского изобретателя Джеймса Уатта.

В России первую паровую машину построил И.И. Ползунов в 1765 году (еще до работ Уатта).

Подробнее об истории создания тепловых машин мы поговорим на следующем занятии.

Что же такое -  тепловой двигатель?

Это устройство, в котором…..( Даю подсказку: Q = А).

Тепловой двигатель –это устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.

 - К таким устройствам относятся паровые машины, паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания и реактивные двигатели.

(Слайд №7).

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке. (Слайд №8).

Тепловой двигатель состоит из трех основных элементов:

1. Нагреватель (имеющий температуру Т1);
2. Холодильник (имеющий температуру Т2Т1).
3. Рабочее тело (обычно газ);

Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А҆ и передает холодильнику количество теплоты Q2Q1.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2. Обычно эта температура несколько выше температуры окружающей среды.

Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара – конденсаторы. (В этом случае температура холодильника может быть немного ниже температуры атмосферы).

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику вместе с отработанным паром (в паровых турбинах) или выхлопными газами (в ДВС). Эта часть внутренней энергии теряется.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равнаА҆ = ,

где

Q1 – количество теплоты, полученное от нагревателя,

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику.

2. КПД теплового двигателя.    (2 мин).

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

 (Слайд №9).

 - Запишем определение:

КПД теплового двигателя называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то .

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При одинаковых температурах нагревателя и холодильника двигатель не может работать.

Инженеры, проектирующие машины, стремятся повысить их КПД.

Подумайте, когда КПД будет максимален?

3. Цикл Карно.   (2 мин).

Законы термодинамики позволяют вычислить максимальное  значение КПД. . 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.

(Слайд №10).

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: адиабатное сжатие.

КПД тепловой машины Карно равен отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к абсолютной температуре нагревателя:

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

4. Двигатель внутреннего сгорания. (10 мин).

 - Из всех существующих двигателей мы рассмотрим принцип действия ДВС.

- Приглашаю вас отправиться в путешествие за знанием -  на каком транспорте, где используется ДВС, как устроен ДВС и как он работает.

Самостоятельная работа       (10 мин).

Цель: изучить устройство и принцип действия ДВС.

После изучения материала вы сможете ответить на вопросы:

1) Где используются ДВС?(1 балл).

2) Почему двигатель называют ДВС?(1 балл).

3) Как устроен ДВС?(2 балла).

4) Как работает ДВС? (3 балла)

5) Кем был создан первый поршневой ДВС?(1 балл).

План работы:

1. Ответ на первый вопрос найдите в учебнике (стр.178).
2. На второй вопрос попробуйте ответить без дополнительной литературы – подумайте!!!
3. Для ответа на третий вопрос - изучите рисунок 1 и прочитайте пояснительный текст к нему.
4. Для ответа на четвертый вопрос - прочитайте текст: Работа ДВС.
5. Попробуйте вспомнить – вы наверняка об этом слышали!!!

3. Рассмотрим устройство ДВС:

Двигатель состоит из цилиндра (5), в котором, перемешается поршень (6), соединенный посредством шатуна (11), с коленчатым валом(12). На валу укреплен тяжелый маховик (14), предназначенный для уменьшения неравномерности вращения вала.

В верхней части цилиндра имеется 2 клапана (3-выпускной) и (4-впускной), которые открываются и закрываются автоматически при помощи распределительного вала (8). Через впускной клапан поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи (10), а через выпускной- выпускаются отработавшие газы.

Крайние положения в цилиндре называются мертвыми точками:

• верхняя мертвая точка;
• нижняя мертвая точка.

Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня (тактом).

В цилиндре периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха (температура достигает 1600 - 1800).

4. Работа ДВС:

А теперь  рассмотрим схему работы такого двигателя.

 - Один рабочий цикл в двигателе происходит за 4 хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

Цикл двигателя:

1. Впуск.

1. Сжатие.
2. Рабочий ход.
3. Выпуск.

1 такт (впуск): поршень движется вниз, через впускной клапан в камеру сгорания всасывается горючая смесь – пары бензина с воздухом. В конце такта впускной 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 1600 - 1800 и давления 1 – 10 МПа, с большой силой давят на поршень, который опускается вниз, и с помощью шатуна и кривошипа приводят во вращение коленчатый вал.

4 такт(выпуск): поршень поднимается вверх и через выпускной клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Температура выбрасываемых газов 500.

После выполнения самостоятельной работы – выслушиваю ответы(по одному представителю от каждой бригады).

 - Итак, мы с вами узнали, почему двигатель называют ДВС; как устроен ДВС и как он работает.

(Слайды 11 – 12).

4. Влияние тепловых машин на окружающую среду.  (3 мин).

С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 году построил первую паровую машину, прошло почти 245 лет. За это время тепловые машины сильно изменили содержание человеческого труда. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.

Но так ли безобидны эти изобретения?

(Слайд13).

Использование тепловых машин ставит ряд серьезных проблем перед обществом.

Применение бензина вызывает загрязнение атмосферного воздуха,т.к. содержит токсичные соединения свинца. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5 – 3 кг свинца в год.

При нарушении регулировки карбюратора выбросы углекислого газа увеличиваются в 4 – 5 раз. Все эти выбросы приводят  к формированию парникового эффекта. В крупных городах отработанные газы автомобилей создают смог. Все это ведет к развитию широкого спектра заболеваний.

(Слайд 14).

Исследование. Москва попала в список российских городов с самой грязной атмосферой. Всего специалисты провели наблюдения в 272 городах страны. В список самых неблагополучных попали 27 крупных населенных пунктов. Среди которых оказалась Москва.

Главным загрязнителем воздуха в столице является автотранспорт. Самые вредные вещества в атмосфере Москвы: оксид азота, бензопирен и формальдегид.

(Слайд 15).

«Выбросы от автотранспорта составляют 913,6 тыс.тонн, или 93,7% от суммарного объема выбросов в столице» - сообщается в докладе Минприроды «О состоянии окружающей среды РФ в 2011 году».

Также перед человечеством стоит проблема шумового загрязнения. Шумовое загрязнение отрицательно воздействует на организм человека, вызывая: повышенную утомляемость, снижение умственной активности, производительности труда, развитие сердечно-сосудистых и нервных заболеваний. По мнению ученых, шум сокращает продолжительность жизни человека в больших городах на 8 -12 лет.

Как же можно защитить окружающую среду от загрязнения?

(Слайд 16).

Решение проблем, возникающих при работе тепловых двигателей, ученые и конструкторы видят в увеличении КПД тепловых двигателей, в создании условий для наиболее полного сгорания топлива, в улавливании и переработке углекислого газа и окислов азота, в замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические.

5. Закрепление материала.  (7 мин).

1. А сейчас примените полученные знания при выполнении задания №3. Из трех предложенных вам заданий -2 с выбором ответа, а третья – расчетная задача на определение работы, совершаемой газом на определенном этапе работы ДВС.

Лист с заданием №3.

Вариант 1.

1. Для чего служит холодильник теплового двигателя?

А.  Для преобразования внутренней энергии топлива в механическую энергию.

Б.  Для преобразования механической энергии во внутреннюю.

В.  Для сжигания горючих веществ.

Г.  Для отвода неиспользованной энергии рабочего тела.

Д.  Для охлаждения двигателя.

2. Как изменится КПД теплового двигателя, если увеличить температуру нагревателя?

А. Уменьшится.          Б. Не изменится.           В. Увеличится.          Г. Такое невозможно.

3. На графике (рис.4) представлен цикл теплового двигателя. Определите работу, совершаемую газом.

Лист с заданием №3.

Вариант 2.

1. Для чего служит рабочее тело теплового двигателя?

А.  Для преобразования внутренней энергии топлива в механическую энергию.

Б.  Для преобразования механической энергии во внутреннюю.

В.  Для сжигания горючих веществ.

Г.  Для отвода неиспользованной энергии рабочего тела.

Д.  Для охлаждения двигателя.

2. Как изменится КПД теплового двигателя, если уменьшить количество теплоты, отводимое в холодильник?

А.  Уменьшится.        Б.  Не изменится.         В.  Увеличится.        Г.  Такое невозможно.

3. На графике (рис.4) представлен цикл теплового двигателя. Определите работу, совершаемую двигателем за 1 цикл.

Лист с заданием №3.

Вариант 3.

1. Для чего служит нагреватель теплового двигателя?

А.  Для преобразования внутренней энергии топлива в механическую энергию.

Б.  Для преобразования механической энергии во внутреннюю.

В.  Для сжигания горючих веществ.

Г.  Для отвода неиспользованной энергии рабочего тела.

Д.  Для охлаждения двигателя.

2. Как изменится КПД теплового двигателя, если понизить температуру холодильника?

А.  Уменьшится.        Б.  Не изменится.         В.  Увеличится.        Г.  Такое невозможно.

3. На графике (рис.4) представлен цикл теплового двигателя. Определите работу, совершаемую при сжатии газа.

Лист с заданием № 3.

Вариант 4.

1. Для чего служит  тепловой двигатель?

А.  Для преобразования внутренней энергии топлива в механическую энергию.

Б.  Для преобразования механической энергии во внутреннюю.

В.  Для сжигания горючих веществ.

Г.  Для отвода неиспользованной энергии рабочего тела.

Д.  Для охлаждения двигателя.

2. Как изменится КПД теплового двигателя, если увеличить количество теплоты, получаемое рабочим телом от нагревателя ?

А.  Уменьшится.          Б.  Не изменится.           В.  Увеличится.          Г.  Такое невозможно.

3. На графике (рис.4) представлен цикл теплового двигателя. Определите работу, совершаемую двигателем за     1 цикл.

Проверим, как вы усвоили материал и справились с заданием.

Ключ к заданию №3.                                                                    

 (Слайд №17).

(Слайд 18).

6. Домашнее задание.      (2 мин).

6. Письменно ответить на вопросы самостоятельной работы (1 – 5);
7. Закончить внеаудиторную работу №13 (презентации и рефераты об истории создания тепловых двигателей, различных видах тепловых двигателей и экологических последствиях работы тепловых двигателей).

7. Рефлексия.     (5 мин).                                                                                                                          

• Как вы считаете, мысправились с поставленными целями?
• С какими трудностями вы столкнулись на уроке?
• Вы хорошо усвоили, как работает ДВС?
• Знания по физике помогли вам в осмыслении процессов, происходящих при работе ДВС?
• Я благодарю всех за плодотворную работу.
• Оценка результатов работы и выставление оценок.                                                                                (Слайд 19).

Лист № 4.

Бланк ответов.

Фамилия, имя ________________________________________________                                       Дата ______________

Группа  1ЭМ1                                                                                                                                                                                                                Вариант __________   

Критерии оценок:

«5» - более 11 баллов;     «4» - 9 - 10 баллов;     «3» - 6 – 8 баллов