Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

Урок № Тема: Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания.

Цель урока:

Рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях. Объяснить учащимся устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Демонстрации:

1. Работа газа и пара при расширении.

2. Модель двигателя внутреннего сгорания.

3. Выполнение работы при сгорании воздушно-бензиновой смеси.

4. Модель паровой машины

Ход урока

План изложения нового материала:

1. Виды тепловых двигателей.

2. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

3. Устройство и принцип действия паровой машины

4. Влияние работы тепловых машин на окружающую среду.

Проверка усвоения изученного материала (фронтальный опрос).

Вопросы для проверки:

1. Что показывает абсолютная влажность воздуха?

2. Дайте определение относительной влажности воздуха и напишите формулу для ее расчета.

3. Какую температуру называют точкой росы?

4. Какие два типа гигрометров вы знаете? Каков физический принцип работы конденсационного гигрометра?

5. Каков принцип действия волосного гигрометра?

6. Как устроен психрометр? Как с помощью этого прибора определяют относительную влажность воздуха?

Повторение ранее изученного материала (подготовка к изучению нового материала).

Вопросы для повторения:

1. В каком случае про тело или систему взаимодействующих между собой тел говорят, что они обладают энергией?

2. Как связаны изменение энергии тела (или системы тел) и совершенная им работа?

3. Какие два вида механической энергии вы знаете?

4. Какую энергию называют потенциальной? Кинетической?

5. Приведите примеры превращения потенциальной энергии тела в кинетическую; кинетической энергии - в потенциальную.

6. Сформулируйте закон сохранения полной механической энергии.

7. Дайте определение внутренней энергии тела.

8. Приведите примеры превращения механической энергии тела во внутреннюю энергию.

9. Сформулируйте закон сохранения и превращения энергии.

Изучение нового материала

1. Виды тепловых двигателей

Переходя к рассмотрению основного материала, необходимо под­черкнуть, что все физические явления, законы в конечном итоге находят применение в повседневной жизни человека.

Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.

Как превратить внутреннюю энергию в механическую?

В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением пара пробка выскочит и поднимется вверх. Здесь энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершил работу - поднял пробку. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки.

Заменим пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку - плотно пригнанным поршнем, который может двигаться вдоль цилиндра. Мы получим простейший тепловой двигатель, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию топлива.

Существуют различные типы машин, которые реализуют в сво­ей работе превращение одного вида энергии в другой.

Опр. Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию

Таким образом, машина - устройство, которое служит для преобразова­ния одного вида энергии в другой. Другого назначения у машин нет.

Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в меха­ническую, генераторы преобразуют механическую в электрическую, и так далее.

Тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии топлива.

Характеристики тепловых двигателей

Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепло­вых машин является то, что они изначально увеличивают свою внутрен­нюю энергию за счет сгорания топлива, с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую. Любой газ, который расширяется, совершает положительную работу: - U = А,

где А - работа газа, - U - уменьшение внутренней энергии.

1. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Говоря о создании нового типа тепловой машины - двигателя внутрен­него сгорания, - нужно отметить, что это явилось логическим продолжени­ем развития новых, более совершенных типов машин.

В 1860 г. француз Э. Ленуар построит устройство, в котором горючее сжигалось внутри самого устройства, а не снаружи, как это было у паровой машины. Модель была несовершенной, КПД не превышал 3%.

Спустя 18 лет немецкий изобретатель Отто создал двигатель внутренне­го сгорания, который работал по четырехтактной схеме: впуск, сжатие, ра­бочий ход, выпуск отработанных газов. Именно модификации этого двига­теля и получили наибольшее распространение.

Бензиновый двигатель построили в 1886 г. Это сделал немецкий инже­нер Даймлер. Горючая смесь (смесь бензина и воздуха) образовывалась при помощи устройства, которое называлось карбюратором.

Далее на примере модели можно рассказать об устройстве и принципе работы двигателя внутреннего сгорания.

Особое внимание следует уделить тому, как поршень выводится из двух крайних точек, которые называются «мертвыми точками». Для этого предусмотрено массивное маховое колесо, которое насажено на вал двигателя.

Важно понять назначение каждого такта в полном цикле работы.

Первый такт - впуск. Открывается впускной клапан, поршень движет­ся вниз, рабочая смесь занимает весь объем цилиндра.

Второй такт - сжатие. Клапаны закрыты. Поршень движется, рабочая смесь сжимается, и при минимальной рабочей смеси происходит воспламе­нение от искры.

Третий такт - рабочий ход. При сгорании рабочей смеси давление га­зов составляет 5-7 МПа, а температура 1500-2200°С. Поршень под дейст­вием газов движется вниз, температура газа уменьшается. Именно на этом этапе и происходит преобразование части внутренней энергии и механиче­скую. Это и называется рабочий ход.

Четвертый такт - выпуск. Поршень начинает двигаться вверх, от­крывается выпускной клапан, и отработанные газы выходят в окружающую среду.

За счет системы зажигания в четырехцилиндровом двигателе в каждом такте один из цилиндров реализует рабочий ход. Это позволяет коленчато­му валу подводить энергию часто и равномерно.

В современных машинах коленчатый вал может совершать от 3000 до 8000 оборотов в минуту.

Кроме двигателя внутреннего сгорания, который работает по четырех­тактной схеме, есть и двухтактные двигатели, но они не нашли широкого применения.

Первичное закрепление материала

Двигатели внутреннего сгорания делятся на карбюраторные и дизельные. Используются на автомобилях, самолетах, танках, моторных лодках, тракторах.

Вопросы к обсуждению:

1. Назовите достоинства и недостатки работы карбюраторного ДВС

(достоинства - компактность, малая масса; недостатки- 1) требует топлива высокого качества;

2) невозможность получить при его помощи малую скорость вращения при малом числе оборотов);

1. Каков КПД карбюраторного ДВС  (ответ: КПД-20-30%);

2. Назовите преимущества и недостатки дизельного ДВС

(преимущества – 1) дешевые “тяжелые” сорта топлива;2) не нужна особая система зажигания;

недостатки - большой вес)

1. Назовите КПД дизельного двигателя  (ответ: КПД - 38%).

Продолжение лекции

Немецкий инженер Р. Дизель в 1897 г. изобрел двигатель, в котором сжимали воздух и в момент максимального сжатия в камеру сгорания при помощи форсунки делали впрыск топлива. Далее, раскаленные газы пере­мещали поршень, и происходило преобразование внутренней энергии в механическую. Такой двигатель не имел карбюратора, был достаточно эко­номичным и надежным.

КПД дизельных двигателей достигает 35-44%, тогда как у двигателей внутреннего сгорания он не превышает 25-32%. Дизельные двигатели на­шли широкое применение в тракторах, большегрузных машинах, на кораб­лях, передвижных электростанциях.

Если говорить о развитии автомобилей, то, начиная с 1886 г., когда Г. Даймлер создал первый автомобиль с бензиновым двигателем, более чем за столетний этап человечество успело многого достичь. Большая роль в развитии автомобилестроения принадлежит Генри Форду, который в нача­ле XX века начал выпуск автомобилей с конвейера.

В России первые автомобили начали строить в начале XX века. В на­стоящее время крупнейшими производителями являются автомобильные заводы в Тольятти и в Набережных Челнах. На первом заводе выпускают легковые автомобили «ВАЗ», а на втором - грузовики «КамАЗ».

Интересно, что первые автомобили развивали скорость не более 25 км/ч, в то время как современные автомобили могут развивать скорость до 200-350 км/ч, а отдельные спортивные модели с газотурбинными двига­телями разгоняются до 900 км/ч. Рекорд скорости принадлежит ракетному автомобилю «Траст SSC», который развил скорость 1227,9 км/ч.

Следует отметить, что научно-технический про­гресс неуклонно совершенствует конструкцию, технические характеристи­ки автомобилей.

1. Объяснение устройства и принципа действия паровой машины

(с привлечением исторических сведений об авторах первых паровых машин: Томас Севери и Томас Ньюкомен - Англия; Дени Папен - Франция; Иван Иванович Ползунов - Россия)

4. Влияние работы тепловых машин на окружающую среду

При использовании тепловых машин остро встает вопрос загрязнения окружающей среды.

При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных вы­бросов. К ним можно отнести углекислый газ , угарный газ СО, различ­ные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов.

Поэтому очень большое внимание следует уделять развитию методов защиты окружающей среды от этих продуктов сгорания и создание новых альтернативных источников энергии. К ним можно отнести двигатели, ра­ботающие на солнечной энергии, на электрической энергии, на энергии приливных волн и так далее. Именно это направление является наиболее перспективным.

Кроме того, такие виды топлива как нефть, уголь, природный газ явля­ются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 50-100 лет че­ловечество столкнется с проблемой нехватки традиционных видов топлива.

С другой стороны, прогресс нашей цивилизации напрямую связан с применением различных видов тепловых машин: нет ни одной области че­ловеческой деятельности, где бы не применялись машины.

С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 г. построил первую паровую ма­шину, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины очень сильно изменили содержание человеческого труда. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, рас­крыть тайны морских глубин. Уровень развития любой страны определяет­ся тем, какое количество различных машин приходится на душу населения.

Важным на современном этапе является создание новых экономичных и экологически чистых машин. Это - машины нового века, новых техноло­гий. Это - машины будущего.

Домашнее задание: § 21, 22 учебника; вопросы и задания к параграфу; № 1126-1130

Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку доклады по темам:

• «Изобретение автомобиля и паровоза».

• «Первые паровозы».

• «Развитие железнодорожного транспорта в России».

• «Применение тепловых машин в промышленности».

• «Сравнительная характеристика тепловозов и электровозов» и др.

Дополнительный материал

Perpetuum mobile (вечный двигатель)

Сегодня поиски конструкции вечного двигателя могут показаться нам забавными. Однако на протяжении многих веков человек наблюдал вокруг себя «вечные» процессы: восход и заход светил, движение облаков, течение воды... Кажется, что они не требуют никаких затрат для своего поддержания. Неудивительно, что многие изобретатели были увлечены идеей созда­ния машины, которая работала бы сама по себе вечно, не требуя вмешательства извне.

Увы, все попытки сводил на нет неумолимый закон сохранения энергии. Правда, большинство дошедших до нас вариантов «вечного подвижного» появилось именно тогда, когда этот закон известен не был. Зато знали и использовали многое другое: например, водяное мельничное колесо, кото­рое вращается под действием падающей на него с плотины воды.

Но разность уровней воды можно создать и другим способом. С античных времен известно такое устройство, как архимедов винт (сейчас он применя­ется, в частности, в мясорубках.). Архимедов винт не только улучшил антич­ные ирригационные системы, но и породил массу проектов вечного двигате­ля. В общих чертах их конструкция такова: архимедов винт вращается водя­ным колесом и поднимает воду, которая падает и заставляет это колесо кру­титься, вращать винт и поднимать следующую порцию воды...

Этот проект скрупулезно рассмотрел в середине XVII в. Джон Уилкинс (1614-1672), епископ Честерский (подобно многим духовным лицам своего времени, он также был писателем и ученым.). Уилкинс обнаружил, что поднимаемая вода не образует значительного потока и не может вращать винт, даже если на нем укрепить несколько колес.

Предполагались и другие механизмы для подъема воды: в них пытались использовать силы поверхностного натяжения. Такие силы действуют, на­пример, на границе раздела жидкости и твердого тела: именно они втяги­вают чернила в промокашку, держат на воде жучков-водомерок и застав­ляют поверхность налитой в стакан воды изгибаться вверх возле его сте­нок. Однако машина, в которой используется подъем жидкости по тонкой трубке (капилляру) или волокнистому фитилю, не может работать вечным двигателем по очень простой причине: те же силы поверхностного натяже­ния, поднимающие жидкость вверх, не дадут ее каплям оторваться у конца фитиля ИЛИ Трубки.

Еще один тип «жидкостного» вечного двигателя основан на применении закона Архимеда. В таких конструкциях используется замкнутая в кольцо веревка или цепочка из тел (как правило, шаров) легче воды, часть которой находи ген и жидкости, а часть - вне ее. По замыслу изобретателей, архиме­дова сила должна выводить эту цепочку из равновесия. Увы, такая система не может прийти в движение: ведь для того чтобы жидкость не выливалась из нее, внизу необходимо предусмотреть какое-нибудь «запирающее уст­ройство», удерживающее воду, - например, клапан. Однако, чтобы шар прошел через клапан, потребуются затраты энергии - причем тем большие, чем выше столб воды и крупнее погружаемые в нее тела. Выталкивающей силы не хватит даже на это.

Но, пожалуй, самая «долгоживущая» идея конструкции вечных двигате­лей - это использование неуравновешенных грузов. В простейшем ее вари­анте предлагается замкнутую цепочку шаров (а лучше - цилиндров) помес­тить на призму.

На каждой ее грани нужно расположить неодинаковое количество ша­ров. Тогда цепочка должна начать скользить: на первый взгляд, 14 шаров с одной стороны и лишь 8 - с другой не могут уравновесить друг друга.

Однако в этом рассуждении есть физическая ошибка. Ее обнаружил ни­дерландский математик и механик Симон Стевин (1548-1620): если одна часть цепочки перетягивает другую, то шары должны двигаться все быст­рее и быстрее. Значит, не прикладывая никаких усилий, их можно разо­гнать до бесконечной скорости - но это явно противоречит здравому смыс­лу. Рассуждая, таким образом, Стевин пришел к выводу, с которым сейчас знаком любой школьник, умеющий решать задачи по динамике: в механике важна не сама величина силы, а ее проекция на интересующее нас направ­ление. Поэтому два шара и способны уравновесить остальные. Кстати, идея о невозможности вечного движения помогла Стевину решить задачу, с ко­торой не могли справиться самые выдающиеся механики античности: ка­ким грузом можно удержать в покое тело, находящееся на наклонной к го­ризонту плоскости.

Так что «Perpetuum mobile», вечный двигатель, остается лишь мечтой - недостижимой, красивой и манящей. Многие ловкачи использовали при­влекательность идеи вечного движения, зарабатывая деньги показом моде­лей «самодвижущихся» агрегатов. В действительности в каждом из них были спрятаны или часовой механизм с пружинкой, или незаметно под­ключенный электродвигатель, позволявшие им двигаться довольно долго - однако же, не вечно. Можно ввести в заблуждение простаков, но природу, тем не менее, не обманешь...