Тепловые двигатели

Тип урока: урок изучения и закрепления новых знаний.

Цель: изучить принцип действия теплового двигателя, дать понятие о коэффициенте полезного действия тепловых двигателей и путях его повышения.

Задачи:

Образовательные:

• Усвоить, что тепловые двигатели – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
• Усвоить какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела в работе тепловых двигателей.
• Усвоить, что для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл должен быть замкнутым.

Развивающие:

• Формировать умения определять работу и КПД тепловых двигателей; выделять главное, существенное; делать выводы; самостоятельно получать знания; научить применять полученные знания при решении задач;

Воспитательные:

• Продолжить формирование познавательного интереса учащихся; развивать умение взаимодействовать, высказывать свою точку зрения.

План урока

1. Организационный момент.

2. Актуализация знаний.

3. Изучение нового материала.

4. Закрепление знаний.

5. Сообщение домашнего задания.

Слайд №1-3

Определяются цели урока, освещается ход урока и конечные результаты его проведения.

Фронтальный опрос

1) Как определить изменение внутренней энергии системы согласно первому закону термодинамики?

2) На что расходуется, согласно 1 закону термодинамики, количество теплоты, подведенное к системе?

3) Какой процесс называется адиабатным?

4) Сформулируйте 1 закон термодинамики для адиабатного процесса.

5) За счет какой энергии совершается работа при адиабатическом расширении газа?

6) Почему при адиабатическом расширении температура газа падает, а при сжатии возрастает?

Изучение нового материала происходит в процессе демонстрации эксперимента.

Преподаватель: Итак, мы знаем, что в результате выполнения над газом работы или передачи ему определенного количества теплоты можно повысить его внутреннюю энергию и, наоборот, за счет внутренней энергии газа может быть произведена механическая работа. Внутренняя энергия представляет собой один из самых дешевых видов энергии. Ее можно легко получить, сжигая разнообразные виды топлива, используя энергию солнечных лучей и т.д. Вместе с тем на производстве, транспорте, для работы различных механизмов необходима механическая энергия. Поэтому превращение внутренней энергии в механическую чрезвычайно важно для практической деятельности людей. Осуществляется такое превращение с помощью тепловых двигателей.

Большая часть двигателей на планете – это тепловые двигатели, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Слайд №5

Рассмотрим эксперимент.

Эксперимент

Высокий стакан с водой ставится на электрическую плитку. Внутри воды помещена перевернутая пробирка, частично заполненная водой.

Вопрос: Как будет вести себя пробирка?

Ответ: По мере нагревания жидкости прогревается воздух в пробирке. Он расширяется и вытесняет часть воды из пробирки. В результате этого уменьшается сила тяжести системы, состоящей из пробирки и воды в ней. Как только сила тяжести станет меньше выталкивающей силы, произойдет всплытие. После соприкосновения пробирки с наружным воздухом, она немного остынет. Воздух сожмется, и вода зайдет в пробирку, пробирка опустится на дно. И все это неоднократно повторится.

Мы получили тепловую машину. При каждом цикле совершается положительная работа по преодолению трения пробирки при движении в воде. Если пробирку “нагружать” снизу, а “разгружать” вверху, то такую тепловую машину можно использовать для подъема груза.

Если стакан закрыть, то температура верхних слоев воды и воздуха повысится, и машина не будет работать.

На этом примере можно проследить общие принципы всех тепловых двигателей.

Принцип работы теплового двигателя

Слайды №8,9,10,11

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела (газ или пар), совершающего работу, нагревателя, сообщающего энергию рабочему телу и холодильника, поглощающего часть энергии от рабочего тела.

Получаем тепло от “нагревателя” Q₁ и передаем “холодильнику” Q₂, за счет того, что Q_{1 >} Q₂ и совершается работа. Холодильником служит, как правило, атмосфера или специальное устройство. Тепловая машина работает циклично.

Сообщается, что: а)положительную работу рабочее тело совершает при увеличении объема вследствие нагревания или расширения, поэтому наиболее удобным рабочим телом является пар или газ, способные значительно изменять свой объем;

б)для непрерывной работы двигателя необходимо рабочее тело периодически возвращать в начальное состояние, т.е. осуществлять круговой процесс;

в)для того, чтобы двигатель в результате замкнутого цикла совершил положительную работу, необходимо, чтобы работа при расширении рабочего тела была больше, чем работа при его сжатии, т.е. расширение протекало при более высоких давлениях, чем сжатие.

Слайд №12.

Слайды №11, 12, 13, 14, 15

В 1824 г.впервые французский инженер и ученый Сади Карно в труде “Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу” вычислил максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющем температуру Т₁ и холодильником с температурой Т_2.

КПД не зависит от Q,p,Vтоплива. КПД – является функцией только двух температур.

Из формулы коэффициента полезного действия идеальной тепловой машины ?=(Т₁-Т₂)/Т₁ следует, что чем выше температура нагревателя Т₁и ниже температура холодильника Т₂, тем больше КПД теплового двигателя.

КПД был бы равен единице, если бы Т₂=0. Но практически нельзя сделать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю. Для паровой машины температура холодильника ограничена той температурой, при которой при данном давлении наступает конденсация пара. Верхний предел определяется техническими возможностями материала котла, так как с увеличением температуры растет давление пара. В двигателях внутреннего сгорания верхний предел определяется температурой сгорания топлива, нижний – температурой выхлопных газов.

Реальный КПД тепловых двигателей меньше теоретического. Часть энергии идет на нагревание самого двигателя, преодоление сил трения и т.д.

Слайды №16, 17 Реши задачу.

Слайды №20

Сообщения учащихся (2 чел.)

Слайды №21, 22

Сообщение учащегося.

Слайды №23-33

Мы познакомились с принципом действия теплового двигателя, определением его КПД.

Далее предлагаю обучающимся проверить свои знания и умения, полученные на уроке, ответив на вопросы и решив задачи.

Слайд №34

Параграф 82, №676,677

Литература

1. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев,Н.Н.Сотский.Физика 10 класс. Просвещение 2012г.

2. А.П. Рымкевич. Физика. Задачник 10-11 класс. – М.: Дрофа, 2006г.

3. В.А.Касьянов Физика 10 класс. Дрофа 2012г.

4. В.А. Волков. Поурочные разработки по физике. 10 класс(Эксперимент). Москва “Вако” 2006г.