Урок по физике 10 класс "Основы термодинамики"

[Введите текст] [Введите текст] [Введите текст]

Тема. Основы термодинамики.

Образовательная цель: повторить, углубить и обобщить материал по теме: «Основы термодинамики».

Развивающая цель: развитие материалистического мировоззрения учащихся.

Воспитательная цель: формировать добросовестное отношение к учебному труду, мотивацию к учению, коммуникативных умений.

Тип урока: обобщение темы.

«Что миром движет

И в каждом из его частей,

И без чего нет жизни?

Всё в мире связано с энергией».

Учитель. Сегодня мы заканчиваем изучение темы «Основы термодинамики». Давайте вспомним, что является основным содержанием термодинамики?

Ученик. Главное содержание термодинамики состоит в двух основных законах, описывающих превращение энергии из одного вида в другой.

Учитель. Давайте вспомним эти законы. Итак, первый закон термодинамики. Как его ещё иначе называют?

Ученик. Это закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления. Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

U=A+Q

Учитель. Часто вместо работы А внешних сил над системой, рассматривают работу А' системы над внешними телами. Учитывая А`= -А, как в этом случае будет звучать первый закон термодинамики?

Ученик. Количество теплоты, переданное системе идет на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

Q= U+A`

Учитель. С помощью первого закона термодинамики можно делать важные заключения о характере протекающих процессов. Рассмотрим различные изопроцессы. Пусть система представляет собой идеальный газ.

Ученик у доски заполняет таблицу:

Учитель. Первый закон термодинамики представляет собой закон превращения и сохранения энергии, однако он не даёт никаких указаний относительно того, в каком направле­нии могут протекать термодинамические процессы. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном направлении. В обратном направлении они самопро­извольно протекать не могут. Как называются такие процессы?

Ученик. Такие процессы называются необратимыми. Если изолированная система пере­ходит в результате какого-то процесса из состояния 1 в состояние 2 и не существует об­ратного процесса 2 — 1, в результате которого система самопроизвольно смогла бы возвратиться в первоначальное состояние так, чтобы никаких других изменений в системе не произошло, то процесс 1 — р2 называется необратимым.

-Привести примеры необратимых процессов.

Учитель. Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетиче­ских превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе.

Как звучит второй закон термодинамики?

Ученик. Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах. Учитель. Формулировку этого закона предложил немецкий ученый Клаузиус, который вывел теорию ‘Тепловая смерть Вселенной”.

(Доклад №1 учащегося об этой теории)

Учитель: Как ошибочна теория “Тепловая смерть Вселенной”, ошибочно было желание создать “вечную” машину'.

(Доклад№2 учащегося о создателях “вечных двигателях”. /

Законы термодинамики отрицают возможность создания “вечных двигателей”.

Поскольку мы говорим об энергии и ее превращениях, конечно мы должны поговорить и о применении энергии, / Включается запись шума работающих двигателей. /

Что мы называем тепловым двигателем?

Ученик; тепловые двигатели - это машины, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.

Учитель: рассмотрим принцип действия тепловых двигателей. (Слайд на мультимедийной доске).

Учитель: невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей дает очень маленький КПД. Что такое КПД тепловых двигателей?

Ученик: КПД теплового двигателя называется отношение полезной работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

η = A/Q1= Q1 – Q2/ Q1= 1- Q2/ Q1;

ηт. к. A= Q1- Q2; A1

Учитель: давайте вспомним какими были первые тепловые машины и каков был КПД этих машин.

Доклад №З учащегося о первых паровых машинах и их создателях.

Учитель: да, действительно, паровые машины облегчили труд многим людям и заменили их на трудоемких и тяжелых работах, но КПД таких машин оставался очень мал. Это наводило многих инженеров на мысль исследовать причины столь явного несовершенства тепловых машин и найти пути их усовершенствования. Одним из таких инженеров был Сади Карно, который описал цикл работы идеального двигателя.

Доклад№4 “Цикл Карно”.

Учитель. На практике мы видим, что КПД тепловых двигателей намного меньше, так, например,

Двигатель внутреннего сгорания (дизельный) -40%

(карбюраторный) -35%

тепловоз -25% паровая турбина -25-40%

реактивный двигатель -25-30%

Существуют ли способы увеличения КПД тепловых двигателей?

Ученик. Чтобы увеличить КПД теплового двигателя необходимо увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника. Но температура холодильника не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Однако стремление всё больше и больше повышать этот коэффициент наталкивает на технические трудности. Любой материал обладает ограниченной теплоёмкостью или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится

Сейчас основные усилия инженеров направлень} на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания. Реальные возможности для повышения КПД ещё остаются большими. Так как для паровой турбины начальные и конечные температуры таковы: Т1=800К и Т2=300К при этих температурах максимальный коэффициент полезного действия равно;

ηmax= (T1- T2)/T2 = 0,62 или η = 62%

Учитель. Какие же тепловые двигатели существуют в наше время и где они применяются?

(Доклад №5 о различных видах тепловых двигателей).

Учитель. Нельзя не затронуть тему «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды».

(Доклад №6 «Проблемы экологии»).

В заключении урока кроссворд.

Доклад №1

Этот вывод был сформулирован Клаузиусом на основе второго закона термоди­намики. Согласно 2-му началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с друг ими системами стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию - к так называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое со­стояние соответствовало бы - “Тепловой смерти'.

Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные по­пытки опровергнуть вывод о “Тепловой смерти”. Например, Больцман выдвинул гипотезу, согласно ей Вселенная извечно прибывает в равновесном изотермиче­ском состоянии. Современной космологией установлено, что ошибочен не только о “Тепловой смерти” Вселенной, но ошибочны и ранние попытки его опроверже­ния. Связано это с тем. что не принимались во внимание существенные физиче­ские факторы и, прежде всего тяготение.

С учетом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии. Наблюдения показывают, что Вселенная резко не стационарна. Она расширяется, и почти однородная, в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тя­готения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, га­лактики, звезды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики. Вселенная всегда не статична и непрерывно эволюционирует.

Доклад№2

Вечные двигатели.

Среди большого и всё возрастающего по численности племени изобретателей, всегда нахо­дятся увлечённые чудак и-максималисты, который пытаются изобрести ни много, ми мала: эликсир вечной молодости, философский камень или вечный двигатель, кстати, последних часто называют ’‘перпетуум-мобиле", что происходит от латинского названия perpetuum mobile, что переводится, как вечно движущийся или вечный двигатель. Истории известны много открытий и связанных с ними судеб.

Первое упоминание ученые обнаружили в древней рукописи, написанной индийским ма­тематиком Бхаскаром в 1150 году. В его рукописи упоминалось колесо, которое состояло из полос­тей заполненных ртутью. Утверждалось. Если такое колесо запустить один раз, то оно будет кру­титься вечно. Аналогичное колесо было предложено в 1245 году английским ученным Вилларом д’Оннекуром. Это колесо имело улиткообразные камеры, в которые были помещены тяжелые грузы - шары. И он утверждал, что если этой системе придать первоначальную энергию, то она будет совершать работу вечно. Естественно при демонстрации этого чуда произошел конфуз, каждый раз после запуска этого колеса оно останавливалось.

В литературных источниках тех времён содержалось описание “вечного двигателя”, осно­ванных на использовании энергии воды Основным элементом таких двигателей является спираль­ный водяной подъёмник (архимедов винт), который поднимал воду на какую-то высоту, с которой вода падала на лопасти мельничного колеса, которое при этом вращается и приводит в движение архимедов винт.

Во время создания вечных двигателей, ученные часто открывали новые законы.

Такой конфуз произошёл с одним нидерландским ученным Стевинем в 1857 году. Он пред­положил, что если 13 шаров соединить в замкнутую цепь и придать им начальное движение, то они будут вечно двигаться, но это мнение было ошибочным. И вместо создания вечного двигателя он открыл закон равновесия сил на наклонной плоскости.

Все вышеприведённые двигатели являлись двигателями первого рода, то есть такими дви­гателями, которые нарушают первое начало термодинамики.

Сравнительно предпринималось попыток создания в. д. 2-го рода. Для работы обычного теплового двигателя необходимо иметь нагреватель и холодильник. Очень заманчивой кажется за­дача создания тепловой машины, которая могла бы совершать механическую работу с использова­нием нагревателя.

Можно подсчитать, что при охлаждении мирового океана только на 1 градус можно полу­чить энергию, достаточную для обеспечения всех потребностей человечества при современном уровне её потребления на 14000 лет.

Возможно создание такой машины, называемой вечным двигателем второго рода, не противоречит первому закону термодинамики.

Теплопередача происходит только в одном направлении - от нагретого к холодному. Зна­чит, чтобы энергия теплового движения молекул воды мирового океана превратилась в механиче­скую энергию, нужно иметь рабочее тело. t, C которого ниже температуры воды.

Из этого следует, что невозможна теплопередача от холодного тела к горячему, без каких- либо изменений в природе. Иначе говоря, невозможно построить периодически действующую ма­шину, которая непрерывно бы превращала теплоту в работу только за счёт охлаждения одного тела, без того чтобы в окружающих телах не произошло одновременно каких-либо изменений.

Как сказал томский профессор Сухотин: “... неуклонно подогревая интерес, идея вечного двигателя стала своего рода идейным двигателем вечного сгорания, подбрасывающим свежие поле­нья в топку ищущей МЫСЛИ’’.

Доклад№3

Ползунов Иван Иванович

Ползунов Иван Иванович, российский теплотехник. В 1763 разработал проект универсального парового двигателя -первой в мире двухцилиндровой машины непрерывного действия, осуществить который ему не удалось. В 1765 построил по другому проекту первую в России паросиловую установку для заводских нужд, проработавшую 43 дня; за неделю до её пробного пуска Ползунов скончался.

Проект «огнедействующей машины»

В апреле 1763 Ползунов направил в Колыванско-Воскресенскую канцелярию проект своего изобретения, где описывался первый в мире двухцилиндровый двигатель с объединением работы цилиндров на один общий вал. Это был результат долгого труда, выполнявшегося урывками. Получив письмо с высокой оценкой от Шлаттера, Канцелярия распорядилась «такую машину построить и в действие произвести».

Создателем другого универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. Работая над усовершенствованием машины Нькомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах всё больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стад необходимым производству, и он был создан.

В двигателе Уатта применён так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение колеса.

Уже потом было придумано «двойное действие» машины: направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван «золотником».

Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень движется подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива.

Доклад№4

Цикл Карно

Существует бесчисленное количество способов превращения тепла в работу. В 1824 году молодой француз Сади Карно решил общую задачу об определении ко­эффициента полезного действия любой тепловой машины, использующей произ­вольный цикл. Заметьте, что он сделал это за 25 лет до того, как среди учёных стала общепризнанной точка зрения, что тепло представляет собой поток энергии. Конкретный цикл, проанализированный Карно, называется циклом Карно. Карно показал, что любой обратимый цикл обладает некоторыми универсальными чер­тами, которые справедливы для всех обратимых циклов. Взглянем внимательно на характерные особенности цикла Карно и постараемся понять, почему Карно утвер­ждал, эти особенности присущи всем идеальным тепловым машинам.

Сам цикл Карно состоит из четырёх обратимых процессов: термического расширения, адиабатного расширения, термического сжатия, адиабатного сжатия.

Площадь, заштрихованная наклонными линиями - работа, совершённая самим расширяющимся газом; площадь, заштрихованная вертикальными линиями,- работа, совершенная над газом. Однако, для того, чтобы замкнуть цикл, необходимо отдавать небольшое количество теплоты Q2 при более низкой температуре Т2. Поскольку каждый шаг цикла полностью обратим, то можно создать холодильную машину (рефрижератор), пустив все процессы в цикле вспять. На -диаграмме для цикла Карно совершаемая работа соответствует площади, ограниченной циклом. Графически очевидно, почему путь возвращения в исходное состояние должен отличаться от пути, по которому совершается расширение. Иначе площадь, ограниченная циклом, будет равна нулю и, соответственно, не будет совершаться полезная работа. Независимо от конкретных процессов, используемых в цикле по превращению тепла в работу, площадь, ог­раниченная графиком, соответствует полученной работе.

Исходя из всего изложенного, мы можем написать формулу КПД идеальной ма­шины: ηмах = (Т1-Т2) /T2.

Доклад №5

Двигатель- устройство, в котором тепловая энергия сгорающего топлива превращается в механическую. Этот процесс протекает в несколько стадий: впуск, сжатие, расширение (рабочий ход) и выпуск. Их совокупность составляет' рабочий цикл.

По характеру рабочего процесса поршневые двигатели внутреннего сгора­ния делятся на двигатели с внешним смесеобразованием и воспламенением топ­ливной смеси от электрической искры (карбюраторные и газовые) воспламенением жидкости от сжатия (дизель).

Дизели выгодно отличаются от карбюраторных двигателей, т.к. имеют большее КПД и экономичный расход топлива.

В двигателях внутреннего сгорания, газы расширяясь приводят в движение поршни, которые в свою очередь передают усилие коленчатому валу,

ДВС делятся на два вида: 1.Четырехтактные двигатели.

2.Двухтактные двигатели.

Вторые, имея сравнительно небольшие размеры, обладают большей мощно­стью, чем, например, четырёхтактные двигатели тех же размеров.

Использование таких двигателей очень разнообразно. Они устанавливаются на: автомобили, мотоциклы, самолёты, морские суда и т.д.

Наряду с поршневыми ДВС используются также турбореактивные двига­тели.

Принцип их действия основан на силе вырывающегося из двигателя газов, которые и совершают работу, толкая двигатель.

Такие двигатели в основном применяются на самолётах, но были случаи установки таких двигателей на автомобиль для установки мирового рекорда скорости. Скорость такого автомобиля больше 1000км\ч.

Так же существуют ракетные двигатели движение, которых основано на том же принципе, что у турбореактивных двигателях. Единственное отличие между этими двигателями состоит в том, что ракетный может работать в полном вакууме, т.е. космосе, т.к. запас кислорода в сжиженном состоянии несёт на работу ракета.

Доклад №6

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием разных факторов.

Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследст­вие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углеки­слого газа. За последние двадцать лет содержание углекислого газа в атмосфере Земли увеличилось примерно на 5%.

В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными оксидами, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах.

Более половины всех загрязнений атмосферы создаёт транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2-3 млн. т свинца.

Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды - использование в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей - дизелей, в топливо которых не добавляют соединение свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород. Выбросы вредных веществ в атмосферу - не единственная сторона воздействия энергетики на природу.

Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, - это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию.

Итоговая таблица

Найдите ключевое слово

1. Он закипает уже при 35^о С.

2. Русский инженер, изобретатель первой паровой машины.

3. Английский ученый, который ввел абсолютную шкалу температур.

4. η max = (Т1 – Т2) / Т1. Автор этой формулы.

5. Он бывает дизельным, реактивным, внутреннего сгорания.

6. При каком процессе Q = 0; ∆U = A.

7. Единица измерения количества теплоты, которую применяли до [Дж].

Из этого следует, что невозможна теплопередача от холодного тела к горячему, без каких- либо изменений в природе. Иначе говоря, невозможно построить периодически действующую ма­шину, которая непрерывно бы превращала теплоту в работу только за счёт охлаждения одного тела, без того чтобы в окружающих телах не произошло одновременно каких-либо изменений.

Как сказал томский профессор Сухотин: “... неуклонно подогревая интерес, идея вечного двигателя стала своего рода идейным двигателем вечного сгорания, подбрасывающим свежие поле­нья в топку ищущей МЫСЛИ’’.