Оценка эффективности работы теплового двигателя с физической и экологической точек зрения

Цели урока: создание условий для усвоения знаний о способах вычисления КПД теплового двигателя с физической и экологической точек зрения.

1. Дать учащимся понятие об эффективности работы тепловых двигателей, научить оценивать (рассчитывать) эффективность работы, вычисляя коэффициент полезного действия теплового двигателя.
2. Продолжить формирование экологического мышления учащихся и умения переносить знания в новые ситуации.
3. Развивать аналитический компонент мышления учащихся при работе с дополнительной литературой по предмету.

Обеспечение учебного процесса: плакаты по экологии (нарисованы детьми, занимающимися в физическом кружке), тексты экологического содержания, тест для контроля знаний с выбором ответов, спилы деревьев, материал по использованию новых технологий и альтернативных источниках энергии.

Ход урока

1. Организационный момент. Приветствие.

2. Контроль знаний по теме “Работа газа и пара при расширении. ДВС. Паровая турбина”. Фронтальная проверочная работ состоит из 7 заданий (текст напечатан и даётся каждому учащемуся):

Время выполнения задания – 6 минут. Ответы записываю на доске, и ученики сами оценивают свои ответы. Каждый правильный ответ оценивается одним баллом. Отметка “5” соответствует 15–17 баллам, отметка “4” - 12–14 баллам, отметка “3” соответствует 8–11 баллам.

 3. Работа по изучению нового материала.

1. Работа с толковым словарём русского языка С.И. Ожегова и Н.Ю. Шведова. Находим толкование слова “эффективный”. Один ученик записывает на доске: Приводящий к нужным результатам; действенный. Предназначенный для выполнения полезной работы; производительный, экономичный.

2. Актуализация ранее полученных знаний. Беседа по вопросам:

- Случалось ли нам определять полезную работу и оценивать производительность, экономичность механизмов? (Если учащиеся затрудняются ответить на вопрос, покажите им картинку или собранную установку наклонной плоскости)

- Какая физическая величина характеризует эффективность механизма? (Обычно учащиеся вспоминают лабораторную работу по определению КПД наклонной плоскости)

- Приходится ли нам в быту определять производительность, экономичность каких – либо механизмов?

Я просила вас побеседовать дома с папами и мамами и выяснить: как часто они заправляют автомобиль, знают ли расход бензина на 100 км, какие меры принимают для уменьшения расхода топлива? Предлагаю учащимся зачитать домашние заготовки.

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть выделившейся при сгорании топлива, так как газ или пар, совершив работу, ещё обладают энергией. Для оценки работы теплового двигателя важно знать: какая часть выделившейся энергии от сгорания топлива пошла на совершение полезной работы:

A = Q₁ - |Q ₂ |, где

Q₁- количество теплоты, полученное от нагревателя,

Q₂- количество теплоты, отданное холодильнику.

Чем большую часть энергии превращает двигатель в полезную работу, тем он экономичнее. Для характеристики экономичности двигателя вводится понятие - коэффициент полезного действия двигателя – КПД (η).

или

Делаем вывод:

КПД – отношение полезной работы, совершённой двигателем, к энергии, полученной от нагревателя.

КПД всегда меньше единицы, т.е. 100%. Почему? Рассматриваем плакат:

Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в уменьшении потерь энергии за счёт перенесения места сжигания топлива и нагрева рабочего тела внутрь цилиндра.

5. Закрепление материала. Вопросы учащимся.

1. На совершение полезной работы пошла 1/5 часть энергии топлива. Какой КПД двигателя?

2. Может ли КПД двигателя быть равным: 70%, 45%, 100%, 98%?

3. Оцените эффективность работы тепловых двигателей.

6. Давайте оценим эффективность работы тепловых двигателей с экологической точки зрения.

Самостоятельная работа учащихся с текстами из книги “Экология, окружающая среда и человек" под ред. Ю.В.Новикова. Издательско-торговый дом “Гранд”, Москва, 1998. - С.214

 Текст 1. Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха поступают от энергетических установок, работающих на углеводородном топливе (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, уголь, природный газ и другие). Количество загрязнения определяется составом, объемом сжигаемого топлива и организацией процесса сгорания. Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива в двигателях всех видов, - нетоксичные диоксид углерода СО₂ и водяной пар Н₂О. Однако кроме них в атмосферу выбрасываются и вредные вещества, такие как оксид углерода, оксиды серы, азота, соединения свинца, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенный бензапирен С₂₀Н₁₂, несгоревшие частицы топлива и т.п. Все загрязняющие атмосферный воздух вещества в большей или меньшей степени оказывают отрицательное влияние на здоровье человека. Эти вещества попадают в организм человека преимущественно через систему дыхания. Органы дыхания страдают от загрязнения непосредственно, поскольку около 50% частиц примеси радиусом 0,01-0.1 мкм, проникающих в легкие, осаждаются в них. Проникающие в организм частицы вызывают токсический эффект, поскольку они: а токсичны (ядовиты) по своей химической или физической природе; б) служат помехой для одного или нескольких механизмов, с помощью которых нормально очищается респираторный (дыхательный) тракт; в) служат носителем поглощенного организмом ядовитого вещества.

 Текст 2. Как известно, экологическая обстановка на Земле и в нашей стране продолжает ухудшаться. Известно, что более 60 млн. тонн вредных веществ выбрасывают в атмосферу ежегодно наши промышленные предприятия, около 37 млн. тонн таких веществ попадает в нее вместе с выхлопными газами автотранспорта, примерно 30 млрд. м³ воды, загрязненной промышленными и бытовыми отходами, стекает в реки, озера, моря. В более чем 100 городах, где проживает приблизительно 50 млн. человек, предельно допустимые концентрации вредных веществ, превышены в 10 (и больше!) раз. Автомобили на сегодняшний день в России - главная причина загрязнения воздуха в городах. Сейчас в мире их насчитывается более полумиллиарда. В России автомобиль имеет каждый десятый житель, а в больших городах - каждый пятый. Выбросы от автомобилей в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне 60-90 см. от поверхности земли и, особенно на участках автотрасс, где стоят светофоры. Автомобили выбрасывают в атмосферу диоксид и оксид углерода, оксиды азота, формальдегид, бензол, бензопирен, сажу (всего около 300 различных токсичных веществ). При истирании автомобильных шин об асфальт атмосфера загрязняется резиновой пылью, вредной для здоровья человека. Автомобиль расходует огромное количество кислорода. За неделю в среднем легковой автомобиль выжигает столько кислорода, сколько его четыре пассажира расходуют на дыхание в течение года. С ростом числа автомобилей уменьшается площадь, занятая растительностью, которая дает кислород и очищает атмосферу от пыли и газа, все больше места занимают площадки для парковок, гаражи и автомобильные дороги. На свалках скапливаются изношенные шины, ржавые корпуса. Впрочем, старые кузова автомобилей можно увидеть и во дворах и на пустырях. Автомобили загрязняют почву. Одна тонна бензина, сгорая, выделяет 500-800 кг вредных веществ. Если двигатель машины работает на бензине, с добавлением свинца, то они загрязняют почву этим тяжелым металлом вдоль дороги в полосе шириной 50-100 м, а если дорога идет вверх, и двигатель работает с нагрузкой, и загрязненная полоса имеет ширину до 400 м! Свинец, загрязняющий почву, накапливается растениями, которыми питаются животные. С молоком и мясом металл попадает в организм человека и может стать причиной тяжелых болезней.

Предлагаю учащимся прокомментировать рисунки.

На основании анализа текстов заполняем таблицу:

Предлагаю учащимся сделать общий вывод о соотношении пользы и вреда тепловых машин. Ответы могут быть разными. Мне очень понравился такой вывод:

Несмотря на всю серьезность недостатков, имеющихся у теплового двигателя: загрязнение окружающей среды, сложности в работе, он сыграл значительную роль в развитии технического прогресса, и вывел этот прогресс на новые рубежи.

 Что перетянет в будущем?

Слово учителя: человечество осознало, что прогресс может нанести непоправимый вред равновесию в мировой экосистеме. И что же предлагают для сохранения окружающей нас природы?

 Учащиеся выступают с сообщениями о поисках альтернативных источников энергии (ветровые, геотермальные электростанции, солнечные батареи).

1. Подведение итогов урока.

Отметка за урок складывается из оценки за контрольное тестирование и работу на уроке.

2. Домашнее задание: параграф 24, нарисовать и раскрасить человека или животное, которые могут вырасти из данного дерева. (Раздаю учащимся бруски и спилы разных деревьев)