Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.
план-конспект урока по физике (10 класс)

Урок  с использованием  НРК  и экологическим  содержанием  по  теме:

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. (10 класс)

Составил:  Исхаков  Халил  Мулланурович.

учитель  высшей  квалификационной  категории

МБОУ  «Гимназия №1»  г.  Елабуга

ЦЕЛЬ УРОКА:

1. ОБУЧАЮЩИЕ:

-ознакомить учащихся с основными принципами работы тепловых двигателей и их воздействием на окружающую среду.

2  РАЗВИВАЮЩИЕ:

-развить  логическое  мышление, устной  речи  учащихся,  внимательность, настойчивость  в  достижении  цели, стремление  добиваться   намеченной  цели,  умения  объяснять окружающие явления;

-научить учащихся доказывать  свое  мнение,  применять знания в новой ситуации.

3  ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ:

-воспитать   чувство  коллективизма,  правильное  отношение  к  учебе,   самостоятельность, уважение,   аккуратность,  бережное  отношение,  к  природе,  любовь  к  родному  краю.

ТИП  УРОКА:  урок  изучения  нового  материала

ДЕМОНСТРАЦИИ.

 -работа  пара  при  расширении;

-модель  двигателя  внутреннего  сгорания

ХОД  УРОКА:

1  Организационный момент

-постановка  цели  урока;

-ознакомление  с  планом  урока

2  Актуализация  знаний

-привести  примеры  процессов,  в  которых  внутренняя  энергия  изменяется;

-способы  изменения  внутренней  энергии;

-первый  закон  термодинамики;

-применения  1  закона  термодинамики  к  изопроцессам.

3  Изучение  нового  материала

План урока:

1. Принцип действия тепловых двигателей
2. КПД тепловых двигателей
3. Значение тепловых двигателей
4. Охрана окружающей среды.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо еще уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели - устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели. Тепловые двигатели - это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.

1. Принципы действия тепловых двигателей. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.  Одна из основных частей двигателя - сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя.  

Температуру T1 называют  температурой  нагревателя.
По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры атмосферы.
   Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.  Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).

2 Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы A´, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

,          

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η<1.  КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T1-T2=0 двигатель не может работать. 

Максимальное значение КПД тепловых двигателей. 

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру T1, и холодильником с температурой T2. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».  

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат. Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре T1, при этом он получает количество теплоты Q1.  Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника T2. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдает холодильнику количество теплоты Q2, сжимаясь до объема V41. Затем сосуд снова термоизолируют, газ сжимается адиабатно до объема V1и возвращается в первоначальное состояние.  

Карно получил для КПД этой машины следующее выражение:

   Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η=1.  Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.  

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: T1≈800 K и T2≈300 K. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно:

   Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД - около 44% - имеют двигатели Дизеля.  Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному - важнейшая техническая задача.

3.  Применение тепловых двигателей:

-паровые турбины – получение электроэнергии

-двигатели внутреннего сгорания – автотранспорт

-дизельные двигатели – автотранспорт, железнодорожный транспорт

-реактивные двигатели – авиация и космонавтика.

4.Тепловые двигатели и охрана окружающей среды:

Негативные последствия тепловых двигателей:

- выброс излишней тепловой энергии в атмосферу

- выброс вредных веществ в атмосферу (СО, СО2, NO)

- при росте мощностей электростанций требуется большое количество пресной воды.

Способы преодоления негативных последствий воздействия тепловых двигателей на окружающую среду:

- создание новых моделей двигателей и катализаторов отработанных газов

- создание серийных двигателей, работающих на других видах жидкого топлива

- создание серийных двигателей, работающих на водородном топливе

-для экономии земельных площадей и водных ресурсов строительство атомных электростанций.

4  Закрепление нового материала.

Достоинства и недостатки тепловых двигателей. 

 Слово учащимся, подготовившим доклады на темы экологических проблем, связанных с применением тепловых двигателей.

Способы ликвидаций вредных воздействий тепловых двигателей на окружающую среду . 

Чтобы  уменьшить  негативные  последствия  работы  тепловых  двигателей  действуют  в  двух   направлениях:  с  одной  стороны,  совершенствуют  эти  двигатели,  повышая  их  к.п.д.  и  уменьшая  выбросы  вредных  веществ,  с  другой  стороны  используют  энергосберегающие  технологии.

Доклады учащихся на эту тему.

Использование экологически чистых источников энергии

• Техническое усовершенствование двигателей
• Создание объездных дорог
• Создание «зелёных» дорог
• Преумножать зелёный покров земли
• Не пользоваться личным транспортом без особой нужды
• Экономично использовать электроэнергию, воду
• Бережно относиться к зелёным насаждениям
• Собирать макулатуры в целях экономии леса, сдавать вторсырьё

Задачи  по  теме  «Тепловые  двигатели»

1.Определите за какое время пригородный автобус  ЛАЗ-А1414 трогаясь с места, достигает скорость 15 м/с, если мощность его двигателя равна 230 л.с  коэффициент трение равен 0,4, масса равна 9300 кг.

2. Мощность двигателя городского автобуса ЛАЗ 52528 равно 230л.с.  Сколько бензина он расходует на пути 100 л, при  скорости движения 72 км/ч, если температура газов в цилиндре двигателя равна 1300К, а температура охлаждающей жидкости  равна 365К. Удельная теплота  

сгорание бензина равна 4,6 . 107 Дж/кг.

3.Одно из больных мест любых  автомобилей – это аккумуляторная  батарея. Даже при выходе из строя одной банки она приходит в негодность, после чего их сбрасывают в водоемы, реки и озера. Оцените подобное действие.

4.Шины автобусов и автомобилей в зависимости от времени года приходится подкачивать. Объясните важность этого мероприятия.

5.Часто, если АЗС не бывает того топлива, на который рассчитан двигатель(например, А-76), шоферы заливают другое топливо, например, более дешевый бензин А-72. Как вы думаете, разумно ли такое действие

5 Домашнее задание:

§ 32,33