Урок " Термодинамика и тепловые машины"
учебно-методический материал по физике

Конспект интегрированного урока « Физика -экология».

Тема: « Термодинамика и тепловые машины»

Курс : 1 курс СПО

Продолжительность: 45 минут

Тип урока: Изучение нового материала с элементами проблемного обучения и экологической рефлексии.

Цель и задачи.

Цель: сформировать у студентов понимание принципа работы тепловых машин, физического смысла КПД и связи между термодинамикой и экологическими проблемами(выбросы, парниковый эффект), подвести к самостоятельному выводу о путях снижения вредных выбросов.

Задачи:

Образовательные:

Раскрыть понятия:тепловой двигатель, рабочее тело, нагреватель,холодильник, КПД;

Ввести формулу КПД теплового двигателя и формулу Карно;

Показать необратимость тепловых процессов и невозможность КПД = 100%

Развивающие:

Развивать умение анализировать, сравнивать,делать выводы;

Формировать навык решения расчетных задач

Развивать экологическое мышление через межпредметные связи.

Воспитательные:

Воспитывать ответственность за состояние окружающей сркеды;

Формировать понимание роли физики в решении экологических проблем;

Стимулировать гражданскую позицию по вопросам энергосбережения.

Оборудование и материалы

Мультимедийная презентация(схемы ДВС, ТЭЦ, графики выбросов СО2);

Модель/схема теплового двигателя;

Раздаточный материал с задачами;

Таблица «КПД различных тепловых машин»

Видеофрагмент о смоге/выбросах ТЭЦ;

Доска, мел/маркер

План урока

Ход урока.

1. Оргмомент (2 мин)

Приветствие, проверка готовности группы, обьявление темы и цели урока.

Мотивационная фраза: «Сегодня мы разберем, почему автомобиль и ТЭЦ не могут быть на 100% эффективными - и как это связано с чистотой воздуха, которым мы дышим»

2. Актуализация знаний ( 5 мин)

Фронтальная беседа:

Что такое внутренняя энергия? Какими способами ее можно изменить?

Что такое количество теплоты? Формула?

Приведите примеры устройств, где тепло превращается в работу.

Что вы знаете о выбросах  в атмосферу от транспорта и электростанций?

Вывод этапа : теплота может совершать работу, но часть ее теряется - это ключ к пониманию темы.

3. Изучение нового материала.

Смысл темы: тепловые машины-устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Они основа современной энергетики и транспорта, но именно они - главный источник вредных выбросов (СО2,СО,SO2,сажа).

Основные определения:

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

Рабочее тело - газ или пар, совершающий работу

Нагреватель - источник теплоты Q1(при температуре Т1)

Холодильник - среда, куда отдается часть теплоты Q2 ( при температуре Т2)

Полезная работа : А = Q1-Q2

Ключевая формула (КПД):

H= A\Q1 = (Q1-Q2)\Q1

Формула Карно( идеального цикла)

H=(T1-T2)\T1

Ключевой тезис урока: КПД любого реального теплового двигателя всегда меньше 100% потому что часть теплоты неизбежно отдается холодильнику. Значит, чем неизбежно отдается холодильнику. Значит, чем ниже КПД - тем больше топлива сжигается на единицу работы - тем больше вредных выбросов в атмосферу.

Экологическая связь( проблемный вопрос):

ДВС автомобиля: КПД = 25-35% -> 65-75 % энергии уходит в выхлоп и охлаждение.

ТЭЦ: КПД = 35-40% -> остальное потери

СЛедствие: рост CO2, смог, кислотные дожди , парниковый эффект.

4. Первичное закрепление.Задачи у доски.

Задача 1. Тепловой двигатель получает от нагревателя 800 Дж теплоты и отдает холодильнику 600 Дж.Найдите КПД двигателя и полезную работу.

Обсуждение: такой низкий КПД означает, что 3/4 энергии топлива уходит в атмосферу - это и тепло, и выбросы.

Задача 2. Идеальный двигатель Карно работает между Т1=600К и Т2=300К. Найдите максимальный КПД.Сравните с реальным ДВС(30%) и сделайте экологический вывод.

ВЫвод студентов: даже идеальный двигатель теряет половину энергии, а реальный-еще больше.Чем ближе реальный КПД к теоретическому, тем меньше топлива сжигается -> меньше выбросов.

5. Домашнее задание.

1. Параграф по учебнику «Тепловые двигатели.КПД.»
2. Задача.Двигатель получает 1,2 МДж и совершает полезную  работу 360 кДж.Найдите КПД и количество теплоты отданное холодильнику.
3. Творческое задание ( по группам): подготовить мини - проект «№ способа снизить выбросы ТЭЦ или автомобиля» с опорой на формулу КПД.

6. Рефлексия и вывод студентов.

Вопросы для обсуждения:

Почему КПД не может быть 100%?

Как КПД связан с количеством вредных выбросов?

Что каждый из нас может сделать?

Итоговый вывод студентов( формулируют сами, преподаватель корректирует):

1. Повышать КПД двигателей - внедрять турбонаддув, гибридные и электрические двигатели, современные парогазовые установки(КПД до 60%)
2. ПЕреходить на возобновляемые источники - солнце, ветер, гидроэнергия не сжигают топливо -> нет выбросов
3. Улавливать и очищать выбросы - фильтры, катализаторы, системы улавливания СО2
4. Экономить энергию - снижение потребления = меньше сжигаемого топлива.
5. Использовать вторичное тепло - когенерация ( тепло+электроэнергия), тепловые насосы.

Заключительная фраза учителя:Физика показывает предел, экология - цену этого предела. Задача инженера - сделать так, чтобы эта цена была минимальной».

Ожидаемый результат.

Студенты знают формулу КПД, понимают принцип работы теплового двигателя и осознают прямую связь низким КПД и загрязнением окружающей среды; самостоятельно формулируют пути снижения вредных выбросов.