Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Раздел: «Термодинамика»		Колледж: КГКП «Костанайский педагогический колледж» Управления образования акимата Костанайской области.
Дата:		ФИО преподавателя: Сыздыкова Б.С.
Группа:		Участвовали:	Не участвовали: -
Тема:	Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Экологические проблемы использования тепловых двигателей
Цель урока	Формирование представлений о необратимости термодинамических процессов в природе, об устройстве и принципе действия тепловых двигателей; понятия коэффициента полезного действия теплового двигателя, умений определять коэффициент полезного действия тепловых двигателей
Критерии оценивания	Обучающиеся: Все: Проявляют знание и понимание основных понятий: необратимость термодинамических процессов в природе,  устройство и принцип действия тепловых двигателей;  коэффициент полезного действия теплового двигателя. Большинство: Умеют определять коэффициент полезного действия тепловых двигателей; Умеют находить и использовать информацию, используя различные источники; Имеют навыки критического рассмотрения и осмысления полученной информации. Некоторые: Делают собственные выводы на основе полученной информации, уметь вступать в дискуссию; Умеют выслушивать других и принимать во внимание их аргументированные ответы.
Языковые цели	Предметная лексика и терминология: Серия полезных фраз для диалога/письма Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту
Воспитание ценностей	Құндылық/ ценность: Жалпыұлттық «Мәңгілік Ел» идеясының құндылықтары / Ценности общенациональной идеи «Мәңгілік Ел»/ «Болашаққа бағдар: Рухани жаңғыру» воспитание доброты, ответственности, настойчивости и познавательной активности обучение на протяжении всей жизни. Уважение и сотрудничество прививаются на занятии через умение работать в группе.
Межпредметная связь	Самопознание -вопросы из области самопознания. Математика- выполнение математических преобразований и расчётов при решении задач.
Предыдущие знания	Фотоэффект, внутренний и внешний фотоэффект, установка А.Столетова для фотоэффекта
Ресурсы	https://bilimland.kz/ http://class-fizika.ru; https://videouroki.net;  https://physics.ru;  https://infourok.ru Карточки.  Лист оценивания. Смайлики

Ход урока

Время / этапы урока	Деятельность учителя	Деятельность учащихся	Оценивание (метод/ прием/ техника/ стратегия)	Способы дифференциации
Начало урока Организационный момент.	Приветствие на трех языках: Здравствуйте, Сәлематсіз бе, Good morning. «Кто движется вперёд в знаниях, но отстаёт в нравственности, тот более идёт назад, чем вперёд» Аристотель Хорошее настроение-первый шаг к удаче. Для установления благоприятной атмосферы в группе провести  тренинг «Комплимент-пожелание» Обучающиеся встают в круг и по часовой стрелке говорят пожелания: Комплимент, соответствующий личностным качествам собеседника слева. Выход на тему занятия и целеполагание.	Приветствие преподавателя. Включаются в деловой ритм урока	Словесное одобрение
Проверка домашнего задания	Опрос домашнего задания. Группа делится на микрогруппы. Первый обучающийся задаёт свой вопрос второму, второй отвечает на вопрос и задаёт свой вопрос третьему и т.д. по цепочке. Если  обучающийся затрудняется ответить,  помогают ребята в группе. Примерный перечень вопросов: Что такое термодинамика? Что такое внутренняя энергия? Что такое идеальный газ? Зависит ли внутренняя энергия идеального газа от его объема? Почему? Как изменяется внутренняя энергия газа при изотермическом расширении? Как рассчитать работу газа при изобарном процессе? Чему равна работа газа при изохорном процессе? Почему?  Геометрический смысл работы в термодинамике.  Почему при сжатии газы нагреваются? Что такое теплопередача? Что такое количество теплоты? 1 закон термодинамики: формулировка и формула	Ребята задают и отвечают на вопросы	(ФО) Учитель наблюдает за процессом опроса и даёт обратную связь. ФО) Самооценивание по листу самооценки	Ребята отвечают на вопросы
Основная часть Изучение нового материала	Для развития коммуникативных навыков, сплочённости внутри команды провести тренинг «Поменяйся местами». При подготовке темы обучающийся использовали интернет ресурсы: https://bilimland.kz http://class-fizika.ru https://videouroki.net; https://physics.ru;  https://infourok.ru 1. Приведите примеры наиболее типичных необратимых процессов. 2. Что называют тепловым двигателем? Какие принципы положены в основу создания тепловых двигателей? 3. В чём состоит роль нагревателя, холодильника и рабочего тела теплового двигателя? 4. Может ли эффективный КПД теплового двигателя стать равным единице, если трение в частях двигателя свести к нулю? 5. Как наиболее эффективно увеличить термический КПД теплового двигателя? 6. Как определяют эффективный коэффициент полезного действия для автомобильных двигателей внутреннего сгорания? 7*. Можно ли охладить воздух в комнате, если открыть дверцу работающего холодильника?	Люди давно научились использовать изменение внутренней энергии тела, происходящее при совершении механической работы. Например, можно согреть руки, потерев ладони друг о друга, или добыть огонь трением одного куска дерева о другой. Гораздо больше времени понадобилось человечеству в процессе своего развития, чтобы научиться использовать механическую работу, получаемую путём передачи телу некоторого количества теплоты. Только в 1765 г., сравнительно недавно по историческим меркам, русскому изобретателю И. И. Ползунову удалось создать первое практически полезное универсальное устройство для осуществления этой цели — паровую машину. Изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания французским инженером Э. Ленуаром  в 1860 г. имело исключительно важное значение. Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых внутренняя энергия сжигаемого топлива и его окислителя частично преобразуется в механическую работу. Необратимость процессов в природе. Первый закон термодинамики не позволяет определить, в каком направлении может происходить термодинамический процесс. Первый закон термодинамики допускает самопроизвольный переход энергии как от более нагретого тела к менее нагретому, так и наоборот. Важно только то, чтобы уменьшение внутренней энергии одного тела было равно увеличению внутренней энергии другого тела. На самом же деле самопроизвольный переход энергии от менее нагретого к более нагретому телу в природе не происходит. Например, невозможно наблюдать, чтобы при опускании холодной ложки в горячий чай ложка охлаждалась ещё больше, передавая некоторое количество теплоты горячему чаю. На самом деле всегда некоторое количество теплоты самопроизвольно переходит от горячего чая к холодной ложке, пока в системе «чай—ложка» не установится тепловое равновесие с одинаковой температурой всей системы. Утверждение, высказанное Р. Клаузиусом в 1850 г. о том, что невозможна самопроизвольная передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, носит название второго закона термодинамики. Таким образом, второй закон термодинамики констатирует тот факт, что количество теплоты самопроизвольно может переходить только от более нагретых тел к менее нагретым. Этот научный факт и определяет единственно возможное направление самопроизвольного протекания тепловых процессов — они идут в направлении к состоянию теплового равновесия Этот же закон в 1851 г. сформулировал и У. Томсон: «Невозможно при помощи неодушевлённого материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическое действие путем охлаждения её ниже температуры самого холодного из окружающих предметов». Отметим, что в холодильных установках процесс теплопередачи идёт от более холодного тела к менее холодному. У охлаждаемого продукта уменьшается внутренняя энергия, а значит, и его температура, и убыль внутренней энергии в виде количества теплоты передаётся в окружающую среду (с более высокой, чем у продукта, температурой). Но этот процесс передачи количества теплоты не самопроизвольный, он происходит за счёт работы двигателя компрессора холодильника. Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту Теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие: На­гре­ва­тель Ра­бо­чее тело Хо­ло­диль­ник Функ­ци­о­наль­ная схема теп­ло­во­го дви­га­те­ля На­гре­ва­те­лем яв­ля­ет­ся про­цесс сго­ра­ния топ­ли­ва, ко­то­рое при сго­ра­нии пе­ре­да­ёт боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­ты  газу, на­гре­вая тот до боль­ших тем­пе­ра­тур. Го­ря­чий газ, ко­то­рый яв­ля­ет­ся ра­бо­чим телом, вслед­ствие по­вы­ше­ния тем­пе­ра­ту­ры, а сле­до­ва­тель­но, и дав­ле­ния, рас­ши­ря­ет­ся, со­вер­шая ра­бо­ту . Ко­неч­но же, так как все­гда су­ще­ству­ет теп­ло­пе­ре­да­ча с кор­пу­сом дви­га­те­ля, окру­жа­ю­щим воз­ду­хом и т. д., ра­бо­та не будет чис­лен­но рав­нять­ся пе­ре­дан­ной теп­ло­те – часть энер­гии  ухо­дит на хо­ло­диль­ник, ко­то­рым, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся окру­жа­ю­щая среда. Проще всего можно пред­ста­вить себе про­цесс, про­ис­хо­дя­щий в про­стом ци­лин­дре под по­движ­ным порш­нем (на­при­мер, ци­линдр дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния). Есте­ствен­но, чтобы дви­га­тель ра­бо­тал и в нём был смысл, про­цесс дол­жен про­ис­хо­дить цик­ли­че­ски, а не ра­зо­во. То есть после каж­до­го рас­ши­ре­ния газ дол­жен воз­вра­щать­ся в пер­во­на­чаль­ное по­ло­же­ние При­мер цик­ли­че­ской ра­бо­ты теп­ло­во­го дви­га­те­ля Для того чтобы газ воз­вра­щал­ся в на­чаль­ное по­ло­же­ние, над ним необ­хо­ди­мо вы­пол­нить некую ра­бо­ту (ра­бо­та внеш­них сил). А так как ра­бо­та газа равна ра­бо­те над газом с про­ти­во­по­лож­ным зна­ком, для того чтобы за весь цикл газ вы­пол­нил сум­мар­но по­ло­жи­тель­ную ра­бо­ту (иначе в дви­га­те­ле не было бы смыс­ла), необ­хо­ди­мо, чтобы ра­бо­та внеш­них сил была мень­ше ра­бо­ты газа. То есть гра­фик цик­ли­че­ско­го про­цес­са в ко­ор­ди­на­тах P-V дол­жен иметь вид: за­мкну­тый кон­тур с об­хо­дом по ча­со­вой стрел­ке. При дан­ном усло­вии ра­бо­та газа (на том участ­ке гра­фи­ка, где объём рас­тёт) боль­ше ра­бо­ты над газом (на том участ­ке, где объём умень­ша­ет­ся)   При­мер гра­фи­ка про­цес­са, про­те­ка­ю­ще­го в теп­ло­вом дви­га­те­ле Раз мы го­во­рим о неко­ем ме­ха­низ­ме, обя­за­тель­но нужно ска­зать, каков его КПД. КПД (Ко­эф­фи­ци­ент по­лез­но­го дей­ствия) теп­ло­во­го дви­га­те­ля – от­но­ше­ние по­лез­ной ра­бо­ты, вы­пол­нен­ной ра­бо­чим телом, к ко­ли­че­ству теп­ло­ты, пе­ре­дан­ной телу от на­гре­ва­те­ля. Если же учесть со­хра­не­ние энер­гии: энер­гия, ото­шед­шая от на­гре­ва­те­ля, ни­ку­да не ис­че­за­ет - часть её от­во­дит­ся в виде ра­бо­ты, осталь­ная часть при­хо­дит на  хо­ло­диль­ник: По­лу­ча­ем: Это вы­ра­же­ние для КПД в ча­стях, при необ­хо­ди­мо­сти по­лу­чить зна­че­ние КПД в про­цен­тах необ­хо­ди­мо умно­жить по­лу­чен­ное число на 100. КПД в си­сте­ме из­ме­ре­ния СИ – без­раз­мер­ная ве­ли­чи­на и, как видно из фор­му­лы, не может быть боль­ше од­но­го (или 100). Сле­ду­ет также ска­зать, что дан­ное вы­ра­же­ние на­зы­ва­ет­ся ре­аль­ным КПД или КПД ре­аль­ной теп­ло­вой ма­ши­ны (теп­ло­во­го дви­га­те­ля). Если же пред­по­ло­жить, что нам ка­ким-то об­ра­зом удаст­ся пол­но­стью из­ба­вить­ся от недо­стат­ков кон­струк­ции дви­га­те­ля, то мы по­лу­чим иде­аль­ный дви­га­тель, и его КПД будет вы­чис­лять­ся по фор­му­ле КПД иде­аль­ной теп­ло­вой ма­ши­ны. Эту фор­му­лу по­лу­чил фран­цуз­ский ин­же­нер Сади Карно (рис. 5): То есть КПД иде­аль­но­го дви­га­те­ля за­ви­сит толь­ко от тем­пе­ра­тур на­гре­ва­те­ля и хо­ло­диль­ни­ка. Для по­ни­ма­ния того, ка­ко­го по­ряд­ка зна­че­ния КПД раз­лич­ных теп­ло­вых машин, рас­смот­рим сле­ду­ю­щую таб­ли­цу, в ко­то­рой при­ве­де­ны раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей Значение тепловых двигателей и экологические проблемы их использования. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте. Тепловые двигатели — паровые турбины —устанавливают на тепловых и атомных электростанциях, где энергия пара превращается в механическую энергию роторов генераторов электрического тока. В первом случае пар высокой температуры получают за счёт сгорания топлива, а во втором — за счёт энергии, выделяющейся в ходе ядерных реакций. Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении, в усовершенствовании сельскохозяйственной и строительной техники. Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобилях, мотоциклах, вертолётах и самолётах, дизельные — на теплоходах, тепловозах, тракторах, тяжёлых автомобилях. Создание реактивного двигателя позволило поднять самолёты на большую высоту, увеличить скорость и дальность их полётов. Однако интенсивное использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте отрицательно влияет на окружающую среду. При работе тепловые двигатели выбрасывают в атмосферу огромное количество горячего пара или газа, что приводит к тепловому загрязнению атмосферы. Широкое использование различных видов топлива влечёт за собой увеличение в атмосфере углекислого газа (диоксид углерода СО2). Соединяясь с водяными парами в атмосфере, углекислый газ образует угольную кислоту, которая даже при малых концентрациях, выпадая в виде кислотного дождя, за столетия разъедает кирпич, металл, мрамор. Сжигание топлива на тепловых электростанциях ведёт к накоплению в атмосфере угарного газа (оксид углерода СО), являющегося ядом для живых организмов. Например, при сгорании 1 т бензина образуется 60 кг оксида углерода. При работе автотранспорта наряду с оксидом углерода в атмосферу попадают соединения свинца. При горении топливо использует кислород из атмосферы, что приводит к постепенному уменьшению его концентрации в воздухе и, кроме того, образованию оксидов азота. Растворяясь в дождевой воде, они становятся азотной кислотой, а реагируя с содержащимися в воздухе разнообразными примесями, образуют токсичные соединения, которые выпадают на поверхность воды и суши с кислотными дождями. Это приводит к засолению почв, открытых и подземных водоёмов, гибели лесов, нарушению химического состава в экосистемах. Кроме того, в «кислой» воде лучше растворяются такие ядовитые вещества, как кадмий, ртуть, свинец, содержащиеся в почве и донных отложениях, что влияет на чистоту воды, потребляемой людьми и животными. При полётах самолётов и запусках ракет происходит разрушение озонового слоя атмосферы, который защищает всё живое на Земле от избыточности ультрафиолетового излучения Солнца. Решение проблем, возникающих при сжигании топлива работающими тепловыми двигателями, учёные и конструкторы видят в: а) экологизации технологических процессов (создании безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных веществ); очистке газовых выбросов в атмосферу (улавливании и переработке углекислого газа, оксидов азота и других токсичных веществ); б) увеличении коэффициента полезного действия тепловых двигателей, в частности, путём создания условий для наиболее полного сгорания топлива; в) замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические. В дополнение к перечисленному во многих странах мира в законодательном порядке приняты предельно допустимые нормы содержания токсичных компонентов в выхлопных газах. Рациональная организация автомобильного движения в городах (строительство скоростных магистралей, дополнительных развязок и эстакад, способствующее уменьшению числа светофоров и «пробок») также позволит уменьшить вредные выбросы в атмосферу при эксплуатации транспортных средств	Используется приём «Цветные карточки» для осуществления обратной связи.	Выступать может вся группа или спикер (один представитель или представители группы)
Физминутка	·                                 Физминутка	Выполняют физминутку		Проводит физминутку желающий обучающийся
Закрепление н/м	Выполнение заданий по методу «Думай, решай, делись» Критерии оценивания: Применить формулу КПД идеальной тепловой машины Дескрипторы: Проанализировать условие задачи Перевести данные физических величин в СИ Записать и преобразовать формулу для нахождения неизвестной величины Подставить числовые значения и провести расчеты. Записать ответ.	Решение задач: По методу «Думай, решай, делись» решают самостоятельно задачи, обсуждают в группе, делятся с одноклассниками путями решения.      1. Если КПД идеальной тепловой машины 80%, температура холодильника 270С, то температура нагревателя А) В) С) D) Е) Ответ: Е) 2. Тепловая машина за один цикл работы отдала холодильнику 400 Дж теплоты и произвела 600 Дж работы. Каков КПД тепловой машины. А) 50%; В) 100%; С) 40%; Д) 20%; Е) 60%. Ответ: Е) 60%. 3. Температура нагревателя 500К. Идеальная тепловая машина за один цикл получает от него 330 Дж теплоты. Количество теплоты, отданная за один цикл холодильнику, температура которого 400К, равно А) 132 Дж; В) 364 Дж; С) 264 Дж; Д) 66 Дж; Е) 300 Дж. Ответ: С) 264 Дж 4. Тепловой двигатель получает от нагревателя в каждую секунду 7,2 МДж теплоты и отдает в холодильник 6,4 МДж. КПД двигателя равен А) 11 %; В) 7,2 %; С) 100 %; Д) 6,4 %; Е) 0,11 %. Ответ: А) 11 %; 5. Максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с температурой нагревателя 7270С и температурой холодильника 270С, равно А) 30%; В) 100%; С) ≈ 96%; Д) 70%; Е) ≈ 43%. Ответ: Д) 70%; 6. Газ в идеальной тепловой машине отдает холодильнику 60% теплоты, полученной от нагревателя, температура холодильника, если температура нагревателя 450 К, то А) 229 К; В) 270 К; С) 255 К; Д) 240 К; Е) 235 К. Ответ: В) 270 К	Приём «Цветные карточки» З-всё понятно Ж-Есть вопросы К- Не понятно ФО) Самооценивание по листу самооценки. Активным группам выдаются «Веселые заряды»	Студенты, которые подняли зеленую карточку по всем заданиям, приходят на помощь тем, кто поднял карточки желтого и красного цвета. Диалог, если некоторым студентам потребуется подробная и конкретная помощь в ходе выполнения задания.
Итоги Конец занятия		Подсчитай свои баллы и оцени свою работу! 5 б– «5»; 4 б.- «4»; 3- б. – «3»; менее 3 баллов – не отчаивайся, надо еще все повторить! Оценка__________________		Отвечают на вопросы по желанию. Студент, один из наиболее мотивированных (по желанию) делает общий вывод по достижению цели занятия.
Домашнее задание	Изучить параграф Ответить на вопросы к параграфу (устно) Решить задачи:	Записывают домашнее задание Инструкция по выполнению домашнего задания.	Приём «Цветные карточки»
Рефлексия учителя по проведенному уроку		Рефлексия «Всё в твоих руках». На листе бумаги обводят левую руку. Каждый палец-это какая-то позиция, по которой надо высказать своё мнение: -Большой - для меня было важным и интересным… -Указательный - по этому вопросу я получил конкретную рекомендацию. -Средний - мне было трудно(мне не понравилось). -Безымянный - моя оценка психологической атмосферы. -Мизинец - для меня было недостаточно… В конце урока вопрос обучающимся: -За что бы вы себя могли похвалить?

Краткое описание документа:

Формирование представлений о необратимости термодинамических процессов в природе, об устройстве и принципе действия тепловых двигателей; понятия коэффициента полезного действия теплового двигателя, умений определять коэффициент полезного действия тепловых двигателей

Решение задач.

Рефлексия «Всё в твоих руках».