Урок по теме Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Тема: Тепловые двигатели.

Цель урока:

1. Образовательные. Обеспечить в ходе урока изучение устройства, принципа действия теплового двигателя;

сформировать у учащихся понятия КПД теплового двигателя и рассмотреть пути его повышения;

показать взаимосвязь развития физики и техники на примере принципов действия тепловых двигателей;

1. Воспитательные.

продолжить формирование научного мировоззрения и показать, что в основе познания лежать факты, полученные из опыта, показать бесконечность процесса познания;

1. Развивающие.

продолжить развитие умения анализировать, выделять главное в изучаемом материале, сравнивать, систематизировать и делать выводы;

Оборудование. компьютер, мультимедийный проектор, презентация.

План урока

Ход урока.

1. Организационный момент.

Проверка готовности группы к уроку. Сообщение темы и цели урока.

1. Актуализация знаний.

Вопросы для фронтального повторения.

1. Изучение нового материала.

На прошлых уроках мы рассмотрели агрегатные состояния вещества и способы перевода вещества из одного состояния в другое.

Вспомним,

- в каких агрегатных состояниях может находиться тело?

- что необходимо предпринять, чтобы перевести твердое тело в жидкость, а затем в пар?

-Сформулируйте первый закон термодинамики.

Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии, которые содержатся в топливе. Использовать внутреннюю энергию – это значит совершать за счет ее полезную работу. Сегодня на уроке мы рассмотрим устройство, которое совершает работу за счет внутренней энергии топлива.

Мощный расцвет промышленности и транспорта в 19 веке был связан с изобретением и совершенствованием тепловых двигателей. Наша цивилизация – машинная цивилизация, причем большая часть машин – это тепловые машины разных видов. Принцип их работы основан на законах термодинамики. Без тепловых двигателей жизнь общества резко затормозилась бы.

Давайте познакомимся с историей создания тепловых двигателей.

История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.

Примерно тремя столетиями позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским.

Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром.

Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар — это прообраз современных реактивных двигателей.

В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу.

Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век позже великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.

В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и многие другие.

В своем новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Англичанин Томас Севери построил паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра — в котле.

Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен.

Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин — Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов.

Ползунов построил свою «огнедействующую машину» на одном из барнаульских заводов. Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни. В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение. В отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал, и недостатки которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря работе пара в цилиндрах.

Весной 1766 года ученики Ползунова, спустя неделю после его смерти (он умер в 38 лет), испытали машину. Она работала в течение 43 суток и приводила в движение мехи трех плавильных печей. Потом котел дал течь; кожа, которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался.

Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819).

он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение 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. Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр 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.

Первый двигатель внутреннего сгорания изобретен в 1860 году Этьеном Ленуаром.

В 1862 г. французский изобретатель Альфонс Бо де Роша (1815-1891) предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателем Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. КПД такого двигателя достигал 22%.

Тепловой двигатель – это устройство преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую.

Виды тепловых двигателей.

1. Двигатели внутреннего сгорания

2. Паровая турбина

3. Газовая турбина

4. Реактивные двигатели.

Разные двигатели устроены по-разному, но у всех есть общие элементы:

Схема теплового двигателя.

1. Объект, который совершает работу – это газ, его называют рабочим телом.

2. Элемент по преобразованию внутренней энергии топлива во внутреннюю энергию газа – нагреватель.

3. Не вся энергия превращается в работу, часть ее отдается холодильнику. Холодильником является атмосфера или специальное устройство для конденсации отработанного пара – конденсатор.

Принцип работы теплового двигателя мы рассмотрим на примере работы ДВС – дизельного двигателя.

Выступление учащегося - знакомство с создателем двигателя

Выступление учащегося - рассказ о работе дизельного двигателя.

(анимация – схема работы ДВС).

Основной характеристикой тепловых двигателей является – коэффициент полезного действия- Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива.

Может ли КПД быть равен 1?

(КПД всегда меньше 1)

Мы знаем два вида ДВС - карбюраторный и дизельный.

Вопрос: В чем заключаются преимущества дизельного двигателя перед карбюраторным?

1. более высокий КПД (коэффициент полезного действия), а значит, этот двигатель более мощный.

2. работает на более дешевом топливе – солярке, поэтому более экономичный.

Чему равен КПД?

Таблица значений КПД различных двигателей (слайд).

Вопрос: Как можно увеличить КПД?

• Увеличить температуру нагревателя

• Уменьшить температуру холодильника

• Уменьшить трение в деталях машины

1. Совершенствование знаний и умений.

1. Решение задачи.

Задача.

Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 2,3 * 10⁴ кДж и при этом израсходовал бензин массой 2 кг. Вычислите КПД двигателя.

2. Выполнение теста.

1. Домашнее задание.

подготовка к конференции на тему «Тепловые двигатели и их роль в жизни человека».

Примерные задания:

• Проблемы повышения КПД тепловых двигателей.

• Экологические проблемы использования тепловых двигателей.

• Использование тепловых двигателей в народном хозяйстве.

1. Итог урока.

Подвести итог урока. Что узнали нового. Чему научились. Выставить оценки с помощью учащихся.

Перед вами на парте таблица. Поставите отметку (+,-).

Спасибо за работу.

На этом наш урок окончен.