Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Физика / Конспекты / Конспект урока по физике по теме "Тепловые двигатели"

Конспект урока по физике по теме "Тепловые двигатели"



Осталось всего 4 дня приёма заявок на
Международный конкурс "Мириады открытий"
(конкурс сразу по 24 предметам за один оргвзнос)


  • Физика

Поделитесь материалом с коллегами:

Тема: «Тепловые двигатели».

Цели: 1) рассмотреть физические принципы работы тепловых двигателей;

2) способствовать развитию у учеников интереса к изучению физики, технике;

3) содействовать воспитанию экологического сознания.

Оборудование: учебник, макет двигателя внутреннего сгорания, плакат с кроссвордом, раздаточный материал для самостоятельной работы.

Ход урока.

Наш сегодняшний урок будет о тепловых двигателях. Это вы видите на плакате – кроссворд, только наоборот. Слова, которые расположены на клеточках, надо определить, вспомнить, что это значит.

I. Повторение (актуализация) ранее изученного материала.

hello_html_7d943cc7.gif

hello_html_m36a0bae5.gif


Возможные ответы на вопросы кроссворда.

1. Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей.

2. Способ (вид) теплопередачи.

3. Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.

4. Единица измерения энергии.

5. Способ (вид) теплопередачи.

6. Самая большая теплоемкость.

7. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

8. Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением.

9. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием или кристаллизацией.

10. Источник энергии.

11. Ответ 9.

12. Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.

13. Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.

14. Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1кг для того, чтобы его температура изменилась на 1С, называется удельной теплоемкостью вещества.

15. Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.

16. Обозначение удельной теплоты плавления.

17. Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости при определенной температуре.

II. Объяснение нового материала.

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

Существуют несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель.

Сегодня мы будем говорить о ДВС и о паровой турбине.

Сначала послушаем сообщения учеников об истории создания тепловых двигателей.

1) Квасов Сергей рассказывает об истории создания тепловых машин.

В XVII веке наблюдается развитие производств, требующих совершенствования техники. Был нужен такой источник энергии, который не был бы «привязан» к одному месту, как энергия падающей воды, не зависел бы от погоды, как энергия ветра. И такой вид энергии нашли – тепло, а именно энергия водяного пара.

Французский физик Дени Папен вместе с немецким ученым Бюйгесом работал с 1682 года над созданием машины, в которой поршень внутри трубки поднимался бы при помощи взрыва порохового заряда, помещенного под цилиндром. После длительных экспериментов в 1690 году они нашли идеально работающее тело – воду. Также он обнаружил увеличение температуры кипения с ростом давления воды и применил это открытие для получения воды при температуре выше 100 градусов по Цельсию, нагревая ее в закрытом котле. Во избежание взрыва из-за слишком большого давления он применил изобретенный им предохранительный клапан.

2) Рычин Никита – сообщение об истории создания паровых двигателей.

В 1698 году англичанин Томас Севери изобрел паровой насос для откачки воды из шахт. А в 1705 году, познакомившись с работами Папена, слесарь Томас Ньюкомен получил патент на изобретенную им тепловую машину. Она была первой машиной, которая с успехом применялась для подъема воды из шахт. Принцип ее работы был таким: пар из котла выходил в цилиндр и поднимал его доверху. Затем в цилиндр под поршень пускали воду, пар конденсировался, давление понижалось, и атмосферное давление опускало поршень вниз. Однако машина была крайне громоздкой и требовала огромного количества угля. Поэтому ее можно было использовать только для откачки воды на шахтах. Понадобилось более50 лет, прежде чем появился первый паровой двигатель непрерывного действия. Его создал наш соотечественник Иван Иванович Ползунов (в 1766 году) – русский ученый, механик. В первом из двух проектов Ползунова была разработана (впервые в мире) универсальная двухцилиндровая паровая машина непрерывного действия с рабочим валом, во втором конструкция была переработана и несколько упрощена применительно к конкретной задаче – приведению в движение воздуходувных мехов плавильных печей. При этом вторая машина была в 10 раз больше и в 15 раз мощнее первой.

По расчетам исследователей, ее мощность составляла от 32 до 40 л.с. Второй проект был воплощен самим Ползуновым, отдавшим этой работе все свои силы. Машина была выполнена целиком из металла (впервые в мире), проработала всего два месяца, но даже за этот короткий срок не только окупила все затраты, но и принесла немалый доход. Была пущена в Барнауле, с помощью нее было расплавлено 9000 пудов серебряной руды.

3) Павлов Кирилл продолжает рассказ об истории создания паровых двигателей.

Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. Он намеревался, прежде всего, исключить потерю тепла за счет охлаждения цилиндра. В 1784 году ему пришла идея выводить пар из цилиндра, соединив в надлежащий момент цилиндр с пустым резервуаром, куда пар сам бы устремлялся. Так был изобретен конденсатор. Также Уатт внес в свою машину такие усовершенствования, как центробежный регулятор ввода пара, золотник, паровая рубашка вокруг цилиндра, индикатор давления. Машина была двойного действия, то есть пар поступал по обе стороны от поршня.

Для расширяющегося машинного производства нужен был и механический транспорт. И такой появился, в его основе лежал универсальный паровой двигатель. В 1803 году в Париже на реке Сене американец Р.Фультон впервые испытал судно, движимое силой пара. А через 4 года по реке Гудзон уже ходил первый в мире колесный пароход «Клермонт» с двигателем мощностью 20 л.с.

В 1814 году англичанин Джордж Стеферсон создал паровоз, который двигал состав весом 30,5т со скоростью 6км/ч. В России отец и сын

Черепановы, крепостные мастера уральского завода, тоже построили паровоз (в 1834 году). Он вез состав весом 32 т со скоростью 13-16 км/ч.

В конце XIX века коренным образом изменился паровой двигатель. Изобретатели решили использовать не давление пара, а скорость его движения. Так была создана в 1884 году англичанином Парсоном первая многоступенчатая паровая машина.

4) Вавилова Виктория – сообщение об истории создания двигателя внутреннего сгорания.

На определенном этапе развития техники стало очевидным, что пользоваться теплом огня непосредственно для производства работы лучше, чем затрачивать его на получение пара, а затем использовать тепло пара. Но с самых же первых опытов возникли большие препятствия. Достаточно упомянуть разработки Ж.Готфейля(1678-1682) и Х.Гюйгенса(1681). Оба ученых предлагали так называемый атмосферный двигатель, у которого поршень поднимался взрывом пороха вверх и фиксировался. После охлаждения продуктов сгорания под поршнем создавалось разряжение. У двигателя Гюйгенса под действием атмосферного давления поршень опускался, совершая полезную работу. У двигателя Готфейля разряжение в подпоршневой полости использовалось для всасывания воды, а после того как поршень переставали удерживать, он, опускаясь, вытеснял воду. Реализовать эти предложения в то время не представлялось возможным из-за низкого уровня развития техники.

Разработки Папена, Севери, Ползунова, Уатта и др. привели к тому, что к концу XVII столетия паровая машина стала универсальным двигателем, и казалось, замены пару нет.

Представить себе двигатель, работающий не так, как паровая машина, было трудно. Возникло представление, что любое рабочее тело должно обладать свойствами пара и попадать в цилиндр в виде однородной массы с одинаковыми температурой и давлением. Таким рабочим телом могли стать продукты сгорания.

Решение задачи использования продуктов сгорания заключалось в поиске соответствующего горючего. Очевидно, таких попыток заменить пар было немало, но история сохранила лишь некоторые из них, да и то в очень неполном объеме. Например, работы братьев Ньепсов.

Идея замены дефицитного во Франции угля иным топливом витала в воздухе. Братья занимались поисками такого топлива, продукты сгорания которого сгорания можно было бы использовать в качестве рабочего тела, подобного пару. В качестве такого они применили ликоподий – семена спорового растения-плауна. Этот чрезвычайно сухой, легкий и легковоспламеняющийся порошок использовался для эффектных вспышек во время театральных представлений. Считать его конкурентом угля было нельзя, урожай плауна был очень ограничен.

Можно считать, что первая официально зарегистрированная попытка создания ДВС(двигателя внутреннего сгорания) была сделана почти одновременно с началом работ Ньепсов. В 1794 году изобретатель Роберт Стрит получил в Англии патент №1983 на атмосферный двигатель, работающий на продуктах сгорания горючей жидкости(терпентин или спирт). Жидкость наливалась на дно вертикального цилиндра, при нагреве испарялась, и ее пары смешивались с воздухом. После воспламенения горючей смеси продукты ее сгорания поднимали поршень и совершали работу.

В 1833году Вельмант Райт получает в Англии патент №6526, в котором оговорено охлаждение цилиндров с помощью водяной рубашки (двигатель двойного действия).

В 1838 году в Англии выдан патент №7615, согласно которому газ и воздух предварительно сжимают в отдельных цилиндрах, а смесь перед воспламенением дожимают в рабочем цилиндре. Воспламенение должно было производиться в мертвой точке с помощью раскаленной губчатой пластины или же пламенем через золотник.

Были предложения использовать водород (1820, англичанин Сесиль). В 1841 году Дж.Джонстон получил патент №8841 на двигатель, работающий на смеси водорода с кислородом.

На всемирной выставке в Париже в 1867 году немецкий коммерсант Отто представил новый газовый двигатель, созданный в содружестве с инженером Лангеном.

Успешные опыты по замене светильного газа другими продуктами газификации вызывали желание попробовать применить пары жидкого топлива. Еще в 1873 году американец Брайтон пытался использовать керосин. Но керосин плохо испаряется, и Брайтон перешел на бензин. Он же изобрел для своего двигателя первый испарительный карбюратор. Важно, что горение у Брайтона происходило при постоянном давлении.

На всемирной выставке в 1893 году в Чикаго был удостоен высшей награды образец двигателя первого русского завода керосиновых и газовых двигателей, в котором керосин подтекал к испарителю самотеком и воспламенялся с помощью металлической трубочки.

Первый бензиновый двигатель был построен в России в 1884 году моряком русского флота Костовичем для дирижабля.

Импульсом для развития бензиновых двигателей послужило стремление использовать их на автомобиле. Решающий вклад в создание этих двигателей приписывают немецким инженерам Даймлеру и Майбаху.

Совершенствование двигателей шло в тесном взаимодействии с совершенствованием производства.

Автором одного из самых крупных изобретений является Рудольф Дизель. По замыслу Дизеля, если воздух сжать до давления не ниже 33-35 атм. и повысить вследствие этого его температуру до 500-700С, то топливо, вводимое туда, будет воспламеняться от соприкосновения с горячим воздухом. Но Дизель предлагал не просто постепенное сгорание, он имел в виду регулируемое сгорание с обеспечением постоянства температуры и давления. В результате многолетней работы был создан новый высококачественный двигатель, носящий его имя. Первый же двигатель с воспламенением впрыскиваемого топлива от сжатия воздуха, построенный на заводе Нобеля, получил название «дизель», прочно закрепившееся за двигателями такого типа.

Конструкция дизелей претерпела существенные изменения. В 30-х годах XX века появляются мощные авиационные ДВС конструкторов Микулина и Чаромского. Во время Великой Отечественной войны применялся авиационный дизель большой мощности АЧ-30 конструкции Чаромского.

Двигатели на легком топливе и дизели прочно занимают позиции практически единственного вида силовой установки для наземного транспорта и составляют существенную долю среди силовых установок водного транспорта. Конечно, современные ДВС конструктивно отличаются от самых первых образцов, но принципы преобразования теплоты в работу остались неизменными.

Двигатель внутреннего сгорания.

Рис.24 учебника, макет.

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединенный при помощи шатуна с коленчатым валом.

Четырехтактные.

I такт (впуск) – поршень вниз, открывается клапан 1, входит горючая смесь, к концу такта клапан 1 закрывается.

II такт (сжатие) – поршень вверх, в конце сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

III такт (рабочий ход) – поршень вниз, в конце открывается клапан 2, продукты сгорания из цилиндра выходят в атмосферу.

IVтакт (выпуск) – поршень вверх, в конце такта клапан 2 закрывается.

Паровая турбина.

В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нем пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.

Тепловые двигатели играют положительную роль в жизни и развитии человечества, находят широкое применение в транспорте, торговле, выработке электроэнергии, исследований космоса и планет.

Послушаем сообщения о положительной роли тепловых машин. Выступают Пальгуева Виктория и Шеина Карина.

1) Огромное значение имели паровые двигатели до середины ХХ века, так как были основными на железной дороге. Сегодня там большее распространение получили дизельные двигатели, то есть ДВС. Мощные паровые турбины используются и на водном транспорте, и на всех АЭС, где для получения пара высокой температуры используют энергию атомных ядер. Паровые турбины установлены и на ТЭЦ, которые вырабатывают более 80 энергии для страны. Именно паровые турбины приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

2) С момента их изобретения тепловые двигатели стали играть большую роль в жизни и деятельности человека. Так, ДВС широко используются в автомобильном транспорте: их устанавливают на автомашинах, мотоциклах, мопедах, грузовых автомобилях. Кроме автотранспорта, ДВС используют на железнодорожном транспорте, в легкой авиации, в бензопилах, в газонокосилках, на различном сельскохозяйственном оборудовании, тракторах, комбайнах. Этот вид двигателей хорош своей сравнительно высокой мощностью при относительно небольших размерах.

Кроме положительного эффекта от использования тепловых машин проблема имеет и другую сторону. Ученые, делая открытия, не задумывались об их последствиях для окружающей среды.

Сообщения об отрицательной роли тепловых машин. Выступают Куканова Анастасия и Ряхина Анастасия.

1) Открытие тепловых машин приходится на индустриальный период в истории взаимодействия общества и природы и является кульминацией техногенной эпохи. Этот период охватывает время с XVII до середины XX века.

Для улучшения своего благосостояния человек изобретает не только машины. Качественно изменяется химическое воздействие человека на биосферу вследствие синтеза новых веществ, рассеивания загрязнений на огромные территории. Многократно превышается выработка тепла за счет сжигания горючего.

На первых порах экосистемы биосферы, благодаря естественным процессам саморегуляции, в основном справлялись с этими воздействиями, но по мере возрастания масштабов и темпов производственной деятельности возможности восстановления экосистем оказались исчерпаны.Стали наблюдаться заметные изменения в биологических, химических, физических показателях биосферы.

Человек долго использовал двигатель внутреннего сгорания, не зная о его отрицательном воздействии на человека, животных, растения. Лишь в последнее время это отрицательное воздействие заметили и начали с ним бороться. Основными загрязнителями атмосферы являются машины, особенно грузовики. Количество и концентрация вредных веществ в выхлопах зависят от вида качества топлива. В основном это такие вещества, как углекислый газ, угарный газ, оксиды азота, гексен, пентен, кадмий, серный ангидрид, сернистый ангидрид, свинец, хлор и некоторые его соединения. Эти вещества отрицательно воздействуют на человека, животных, растения и вызывают глобальные изменения в биосфере.

Теперь конкретно рассмотрим их воздействие. Углекислый газ, угарный газ, оксиды серы, оксиды азота являются «парниковыми» газами, то есть вызывают парниковый эффект, выражающийся в повышении температуры у поверхности Земли. Его механизм заключается в образовании особого слоя в атмосфере, который отражает тепловые лучи, идущие от Земли, не давая им уходить в космическое пространство. Это может привести к таянию льда в полярных областях и, как следствие, к повышению уровня Мирового океана. Но надо сказать, что тепловой эффект почти компенсируется ледниковым эффектом. Последний вызывается слоем пылевых частиц, которые отражают тепловые лучи, идущие от Солнца, обратно в космос.

В год образуется 2,4-10 тонн СО, 7 млн. тонн СО. Угарный газ токсичен, образует с гемоглобином крови прочное соединение – карбоксигемоглобин, что препятствует поступлению достаточного количества О в мозг и, как следствие, увеличивает число психических заболеваний. SO, NO являются мутагенами, тератогенами, образуют с туманом или дождем смог и кислотные дожди. Оксиды серы с водой образуют серную кислоту, а оксид азота образует азотную и азотистую кислоты. У человека они вызывают поражения кожи, обструктивный рахит, отёк лёгких. У животных также наблюдаются нарушения жизнедеятельности и даже гибель. У растений в первую очередь поражаются листья, а в дальнейшем гибнет все растение. Так, в Скандинавии наблюдается массовая гибель лесов по этой причине. Также эти дожди вызывают коррозию металлов и разрушение зданий. Кроме того, оксиды азота способствуют разрушению озонового слоя.

Кадмий отрицательно воздействует на костную и половую системы, кору надпочечников, зубы, нарушает углеродный обмен. При большой концентрации он вызывает болезнь «итай-итай».

Свинец является тератогеном, вызывает у грудных детей нарушение ЦНС, костной системы, слуха, зрения – и в дальнейшем смерть. У взрослых он вызывает нарушение кровеносной системы, импотенцию.

Также ДВС поглощают кислород, уменьшая его концентрацию в атмосфере.

2) Рассмотрим частный случай – автомобиль. Да, человек не мыслит сейчас своего существования без автотранспорта, но если посмотреть на это удобство с другой точки зрения, то количество выбрасываемых автомобилем продуктов сгорания заставляет ужаснуться.

Один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы больше 4 тонн О, выбрасывает с выхлопными газами около 800 кг СО, 40кг оксидов азота, 200кг различных углеводородов.

Автомобильные выхлопные газы – смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды – не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, среди которых большое место занимают непредельные углеводороды этиленового ряда, особенно гексен и пентен. Их доля возрастает в 10 раз, когда двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости, то есть во время заторов или у красного сигнала светофора.

СО и большинство других выбросов тяжелее воздуха, поэтому они скапливаются у поверхности земли.

Оксид углерода (I) соединяется с гемоглобином крови и мешает ему нести кислород в ткани организма.

Оксиды азота играют большую роль в образовании продуктов превращения углеводородов в атмосферном воздухе.

Из-за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества.

В 1л бензина может содержаться 1 г тетраэтилсвинца, который разрушается и выбрасывается в атмосферу в виде соединений свинца.

Свинец – один из основных загрязнителей внешней среды, его поставляют главным образом современные двигатели с высокой степенью сжатия, выпускаемые автомобильной промышленностью.

Автомобильный транспорт является одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды в Российской Федерации. Его доля в общем объеме выбросов в атмосферу составляет в среднем по стране 35-40. В крупных городах эта цифра достигает 80-90.

III. Закрепление изученного материала.

Я раздаю карточки, ответьте на вопросы(около вопроса указано количество баллов).

1) Тепловой двигатель был изобретен в… веке…(кем?).(2б.)

2) Основные части ДВС.(4б.)

3) Цикл двигателя состоит из следующих тактов: …(4б.)

4) Устройство простейшей паровой турбины.(3б.)

5) Применение двигателей внутреннего сгорания.(по 1б.)

Сейчас – оценивание работ: посчитайте количество баллов.

Меньше 13 баллов – оценка «3»;

Равно 13 б – оценка «4»;

Больше 13б – оценка «5».

Поставьте свои оценки и карточки сдайте.

IV. Итог урока.

На сегодняшнем уроке изучили … , узнали о … . Большое спасибо за участие и помощь в проведении урока. Я надеюсь, что все знания, которые вы получили на этом уроке, вам пригодятся в дальнейшей жизни.

Домашнее задание:§22, §23.




57 вебинаров для учителей на разные темы
ПЕРЕЙТИ к бесплатному просмотру
(заказ свидетельства о просмотре - только до 11 декабря)


Автор
Дата добавления 29.09.2016
Раздел Физика
Подраздел Конспекты
Просмотров35
Номер материала ДБ-223353
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх