Тема урока: законы термодинамики, тепловые двигатели, охрана окружающей среды. 10-й класс

Журавлева Лидия Пантелеевна, учитель физики

Разделы: Физика

Класс: 10

И неустанный рев машины,
Кующий гибель день и ночь.
А. Блок

Цель урока: оценка знаний, умений и навыков учащихся.

Задачи урока: сформировать знания о работе пара и газа на примере тепловых двигателей, развить умение работать с текстом, ставить эксперименты.

Оборудование: двигатель внутреннего сгорания, велосипедный насос, действующая паровая машина, компьютер для демонстрации презентации.

1.Орг. момент: отчет консультантов о готовности класса к работе

2. Проверка домашнего задания: блиц - турнир.

Объясните повышение температуры воды в море после шторма?
Английский ученый Румфорд провел опыты по сверлению пушки тупым сверлом и установил механический эквивалент теплоты. (теплота и механическая работа способны взаимно превращаться. 1 кал=4,2 Дж)
С треском лопнул кувшин, вода замерзла, почему вода разорвала кувшин?
500 человек делали паруса. Мне дали жир трехсот коров для смазки лодки. С какой целью лодку смазали жиром?
Почему жир, вылитый на поверхность океана ,может успокоить волны? (поверхностное натяжение)
Почему туман чаще всего образуется в долинах, низинах?
дым от костра восходит ввысь и тает, уходя во тьму, как человеческая жизнь восходит ввысь, а почему?
Во дворе мороз стоит, под ногами снег скрипит. Почему?
Жарче день - обильней росы серебрят ночную тьму, осаждаются повсюду, кто ответит, почему?
Белый след за самолетом виден в синей вышине, отчего он возникает? кто точней ответит мне?
Какую жидкость сможешь без обмана налить поверх краев стакана?
Алюминий…дырка в баке хоть сто тысяч лет паяй, оловянная заплата не пристанет, так и знай! Объясни почему.
Летит снаряд, один, другой, но если выстрел холостой- ствол раскаляется сильней, ответь скорей .
Быстро открыли бутылку охлажденного лимонада. Откуда взялось облачко тумана у горлышка бутылки?

3. Работа в группах

Теоретики расскажут 3 закона термодинамики, собирают материал о взаимном влиянии тепловых двигателей и окружающей среды.
Экспериментаторы ставят физические эксперименты и расскажут содержание опыта и его результаты.
Практики решают задачи с техническим содержанием Р.№670-№674.

4. Основные ответы учащихся:

ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.

Принципы действия тепловых двигателей

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т. Температуру Т называют температурой нагревателя.

Роль холодильника

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т₂. Эта температура не может быть значительно ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Т₂ - температура холодильника.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику(атмосфере)

Коэффициент полезного действия (кпд) теплового двигателя.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

А’=Q₁-Q₂

где Q1 количество теплоты, полученное от нагревателя, а Q2 количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентов полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А’, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

=A/Q₁₌(Q₁-Q₂)/Q₁

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то Т<l.

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При Т₁- Т₂ = О двигатель не может работать.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т₁ И холодильником С температурой Т₂. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно.

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве

Карно доказал, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру T₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Необратимым называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении в обратном направлении они могут протекать только как цепочка более сложного процесса.

Сформулировал: немецкий ученый Клаузиус.

Второй закон термодинамики - невозможно привести теплоту от более холодной системы к более горячей.

Третий закон термодинамики - невозможен процесс, в результате которого тело могло бы быть охлаждено до температуры абсолютного нуля.

Виды тепловых двигателей

Отрицательные последствия использования тепловых машин.

Потепление климата
Загрязнение атмосферы
Уменьшение кислорода в атмосфере

Решение проблемы:

Вместо горючего использовать сжиженный газ.
Бензин заменить водородом.
Электромобили.
Дизели.
На тепловых электростанциях использовать скрубберы, в которых сера связывается с известью.
Сжигание угля в кипящем слое.

5. Физические эксперименты:

В пластиковой бутылке (цилиндр) происходит взрыв паров лака, вылетает поршень (стакан)
Запуск действующей паровой машины. Поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.
Экспериментаторы собрали паровую машину. В стакане с водой капля аналина, которая тонет в воде и снова всплывает вследствие изменения плотности аналина при нагревании спиртовкой. Циклы движения капли периодически повторяются. При каждом цикле совершается положительная работа по преодолению трения при движения капли в воде. Накрывая сосуд стеклянной пластинкой, движение капли прекращается. Вывод: тепловому двигателю необходим и нагреватель и холодильник.

6. Практики взяли интервью у руководителя автодорожно-строительной фирмы “Лана”.

Рассказали, какого типа двигатели установлены на тракторах и автомобилях
Какие мощности двигателей машин
Как ведется проверка по охране атмосферного воздуха от загрязнения
Автомобильные двигатели снабжены каталитическими преобразователями, которые делают выхлопы менее ядовитыми.

Индивидуальные карточки-задания.

Когда мы делаем вдох, объем легких увеличивается и в них поступает воздух из атмосферы. Так как альвеолы (микроскопические мешочки, окончания бронхиол) - наиболее эластичная часть легкого, практически все изменения объема легких при вдохе и выдохе происходят за счет соответствующих изменений объема альвеол. При вдохе альвеолы расширяются, а при выдохе сжимаются. Около 15000 раз в день мы растягиваем альвеолы наших легких, совершая при этом механическую работу, составляющую от 2 - 25 % всех наших энергетических затрат.

Вопрос. Какую работу мы совершаем при дыхании?

Ответ. Так как работа, выполняемая человеком, не имеющим большой физической нагрузки, в среднем равна 3000 кДж, то 25 % от этой работы идет на расширение альвеол. Это соответствует 750 кДж.

У мужчины среднего роста и веса суточная потребность в энергии для поддержания основного обмена составляет около 8000 кДж. Точное количество энергии, необходимое каждому индивидууму, зависит от его веса, возраста и пола и у мужчин несколько больше, чем у женщин.

Вопрос. Куда расходуется эта энергия?

Ответ. На работу, которую человек выполняет в течении суток идет примерно 30-40% энергиии2400-3200 кДж, на тепловые потери в окружающую среду теплопроводностью и конвекцией идет примерно 20 % энергии - 2000 кДж, на излучение 30-40% - 2400-3200 кДж, на испарение 18% - 1500 кДж.

Составьте задачу по этим данным.

7. Проверка знаний и умений: тест

Задание 1.Внутренней энергией тела называют ...

... кинетическую энергию молекул, из которых состоит тело.
...энергию взаимодействия частиц тела.
...сумму энергий хаотического движения частиц тела и энергии их взаимодействия.
... сумму кинетической и потенциальной энергии тела, движущегося на некоторой высоте над поверхностью Земли.

Задание 2. Внутренняя энергия увеличится, если ...

...гирю поднять на 2 м.
.. гирю нагреть на 2 ⁰С.
...увеличить скорость гири на 2 м/с.
...подвесить гирю на пружине, которая растянется на 2 см.

Задание 3. При таянии льда температура системы “лед - талая вода” не меняется. В этом процессе внутренняя энергия этой системы ...

...не изменяется.
...повышается.
...понижается.
...может повышаться, а может понижаться.

Задание 4. К газу подводят 300 Дж тепла, при этом он, расширяясь, совершает 400 Дж работы. Внутренняя энергия газа ...

...возрастает на 300 Дж.
...уменьшается на 400 Дж.
...возрастает на 100 Дж.
...уменьшается на 100 Дж.

3адание 5. Согласно П закону термодинамики ...

а) ... теплота самопроизвольно не может переходить от более холодного тела к более нагретому.
б) ... нельзя создать тепловой двигатель, с помощью которого можно полностью превратить энергию, полученную от нагревателя, в механическую работу.
в) ... КПД теплового двигателя всегда меньше 100%.

Только а);
Только б);
Только в);
а), б) и в).

3адание 6. Термодинамика позволяет при известной температуре Т 1 источника тепла (нагревателя) и температуре Т2 приемника тепла (холодильника) ...

...рассчитать кпд любого теплового двигателя.
...оценить максимальный кпд любого теплового двигателя.
...оценить минимальный кпд любого теплового двигателя ..
...определить конструкцию двигателя с кпд 100%.

3адание 7. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя количество теплоты, равное 3 кДж, и отдает холодильнику 2,4 кДж. кпд двигателя равен ...

...20%.
...25%
...80%
...120%.

3адание 8. При испарении жидкость остывает.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет это тем, что чаще вceго жидкость покидают молекулы, кинетическая энергия которых ...

...равна средней кинетической энергии молекул жидкости.
...превышает среднюю кинетическую энергию молекул жидкости.
...меньше средней кинетической энергии молекул жидкости.
...равна суммарной кинетической энергии молекул жидкости.

3адание 9. В сосуде под поршнем находятся только насыщенные пары воды. Как будет меняться давление в сосуде, если начать' сдавливать пары, поддерживая температуру постоянной?

Давление будет постоянно расти.
Давление будет постоянно падать.
Давление будет оставаться постоянным.
Давление будет оставаться постоянным, а затем начнет расти.

3адание 10. Для комфортного самочувствия человеку требуется определенная относительная влажность воздуха. Это связано с тем, что изменение влажности приводит к нарушению теплового обмена вследствие изменения ...

...удельной теплоемкости воздуха.
...скорости испарения влаги с кожи человека.
...атмосферного давления.
...содержания кислорода в воздухе.

3адание11. Какое свойство отличает кристалл от аморфного тела?

Анизотропность.
Прозрачность.
Твердость
Прочность.

3адание12. Модель идеального газа нельзя использовать .

а) при температурах, близких к абсолютному нулю;
б) при высоких давлениях.

Только а).
Только б).
Всегда можно использовать.
Ни а), ни. б).

8. Домашнее задание: № 84, упр 15(14-16- краткие итоги главы)

26.02.2008