Разработка урока "Тепловые двигатели"

Никифорова Эльвира Лазаревна, Преподаватель физики и математики

Разделы: Физика

Цель: формирование знаний о принципе действия тепловых двигателей.

Задачи

образовательные: сформировать представление о принципе действия тепловых двигателей и их основных характеристиках,
развивающая: находить связь между законами, явлениями, изучаемыми в физике, развивать систему взглядов о единстве природы,
воспитательная: воспитание мотивов учения, положительного отношения к знаниям.

Тип учебного занятия: изучения нового материала.

Методы

обучения: диалогический, алгоритмический.
преподавания: объяснительный, побуждающий, инструктивный, организация практической работы с учебными материалами.
учения: исполнительский, частично-поисковый, воспроизведение, решение индивидуальных и фронтальных заданий.
воспитания: беседа, поощрение.

Средства обучения:

дидактические: раздаточный материал, презентация;
технические: проектор, компьютер.

Ход учебного занятия №11

1 Организационно-мотивационный этап. (5 мин)
1.1 Мотивация.
1.2 Предварительное определение уровня знаний обучающихся (лист с заданием 11.1).
2 Организация самостоятельной работы обучающихся по вопросам темы учебного занятия (учебный материал 11, закрепляющий материал – лист с заданием 11.2). (32 мин)
2.1 Принцип действия теплового двигателя.
2.2 Цикл Карно.
2.3 КПД теплового двигателя.
3 Подведение итогов учебного занятия. (8 мин)
3.1 Проверка степени усвоения материала (лист с заданием 11.3).
3.2 Проверка средств обучения и деятельности педагога (заполнение дневника урока).
3.3 Домашнее задание. №676 Задачник «Физика 10-11 классы». Автор А.П. Рымкевич.

Лист с заданием 11.1

Предварительное определение уровня знаний

Назовите возможные предпосылки создания тепловых двигателей.
Опишите современную жизнь без тепловых двигателей.
В каких устройствах встречаются тепловые двигатели?
Что вам известно о принципе работы теплового двигателя?

Мотивация

Тепловые двигатели появились в начале XVIII в. в период интенсивного развития металлургической и текстильной промышленности, в России паровой двигатель был создан И.И.Ползуновым (1765). В 1784 г. английский изобретатель Дж. Уатт получил патент на универсальный паровой двигатель. В годы жизни французского физика С.Карно (1796-1832) наилучшие паровые машины имели КПД 5%. Это навело ученого на мысль исследовать причины несовершенства тепловых машин и найти пути повышения их КПД. В 1824 г. С.Карно издал работу «Размышления о движущей силе огня, и о машинах, способных развивать эту силу». Эта работа вошла в сокровищницу мировой науки и поставила ее автора в ряды основоположника термодинамики. В ней был предложен цикл идеальной тепловой машины.

Благодаря неравнодушным ученым и конструкторам, усовершенствовавшим первые паровые двигатели, современное общество имеет высокоразвитую структуру транспорта и энергетики, а мы имеем возможность изучить принцип действия теплового двигателя и его характеристики.

Учебный материал 11

Тепловые двигатели

Принцип действия теплового двигателя

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Энергия в тепловом двигателе, выделяющаяся при сгорании топлива, путем теплообмена передается газу. Газ, расширяясь, совершает работу против внешних сил, приводя в движение механизм. Схема теплового двигателя показана на рис. 1.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника.

Рабочее тело (газ или пар) при расширении совершает работу, получая от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Температура нагревателя Т1 остается постоянной за счет сгорания топлива. При сжатии рабочее тело передаёт некоторое количество теплоты Q2 холодильнику, имеющему температуру Т2<Т1. Тепловой двигатель должен работать циклически. Если тело из начального состояния переводится в конечное состояние, а затем через другие промежуточные состояния возвращается в начальное состояние, то совершается круговой процесс, или цикл.

Рисунок 1 - Схема теплового двигателя

Р




0				V
Рисунок 2 - Цикл Карно

После окончания цикла тело возвращается в своё первоначальное состояние, его внутренняя энергия принимает начальное значение.
Поэтому работа цикла может совершаться только за счёт внешних источников, подводящих теплоту к рабочему телу. Реальные тепловые двигатели работают по разомкнутому циклу, т.е. после расширения газ выбрасывается, а в машину вводится и сжимается новая порция газа.

Цикл Карно

Различают прямой (цикл тепловой машины) и обратный (цикл холодильной машины) циклы.

Рабочий цикл Карно состоит из двух равновесных изотермических и двух равновесных адиабатных процессов (рис. 2).

Равновесным называют процесс, в котором газ проходит ряд следующих друг за другом равновесных состояний. Параметры двух таких соседних состояний отличаются на бесконечно малую величину. В идеальной машине, работающей по циклу Карно, отсутствуют всякие потери на теплопроводность, трение и другие потери. В качестве рабочего вещества выбирается идеальный газ.

На участке 1-2 (изотерма) идеальный газ совершает работу по изотермическому расширению за счет теплоты, полученной от нагревателя. Внутренняя энергия газа не изменяется, так как T=const. При адиабатном расширении (участок 2-3) газ совершает работу за счет изменения внутренней энергии, так как при этом процессе газ теплоты не получает. При изотермическом сжатии (участок 3-4) выделяющаяся теплота полностью передается холодильнику, внутренняя энергия не меняется. При адиабатном сжатии (участок 4-1) работа идет на повышении внутренней энергии газа, теплоты идеальный газ не получает. Итак, идеальный газ возвращается в первоначальное состояние и, следовательно, к первоначальному состоянию его внутренней энергии. От нагревателя идеальный газ получил количество теплоты Q1, холодильнику отдал Q2; следовательно, согласно первому началу термодинамики, в работу превращено количество теплоты, равное Q1-Q2.

КПД теплового двигателя

Величина

(1)

называется коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины. КПД цикла Карно можно выразить через температуры нагревателя Т1 и холодильника Т2.

(2)

Коэффициент полезного действия определяется лишь температурами нагревателя и холодильника и не зависят от рода вещества.

Из формулы (2) следуют выводы:

Для повышения КПД тепловой машины нужно увеличивать температуру нагревателя и уменьшать температуру холодильника.
КПД тепловой машины всегда меньше 1.

В настоящее время усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателя за счёт уменьшения трения частей машины, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т.д. Реальные возможности для повышения КПД здесь ещё остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара приблизительно таковы: Т1 =800 к, Т2 =300К. При этих температурах максимальное значение КПД

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь 40%.

Повышение КПД тепловых двигателей, приближение его к максимально возможному – важнейшая техническая задача.

Лист с заданием 11.2

Закрепляющий материал

Ответьте на вопросы и выполните задания

1. Какое устройство называется тепловым двигателем?

2. Заполните таблицу №1, используя предложенные выражения и располагая их в правильной последовательности.

Энергия выделяется. Энергия передаётся газу. Газ расширяется. Газ совершает работу. Механизм приходит в движение. Топливо сгорает.

3. Подберите название таблице, запишите его.

Таблица 1

№	Название таблицы
1
2
3
4
5
6

4. Начертите предложенную схему, заменив цифры названиями основных частей теплового двигателя

5. Верны ли утверждения:

Рабочее тело при расширении совершает работу.
Температура нагревателя Т₁ регулярно изменяется за счет сгорания топлива.
При сжатии рабочее тело передаёт некоторое количество теплоты Q₂ холодильнику.
Температура холодильника Т₂ всегда ниже температуры нагревателя Т₁.
Тепловой двигатель должен работать циклически.

6. В чем различие между циклами идеальной и реальной машин?

7. Соотнесите элементы левого столбца с описанием этапов работы газа, указанных в правом столбце.

Участки цикла Карно		Работа газа
1.	1-2	a.	Изотермическое сжатие, при котором выделяющаяся теплота полностью передается холодильнику, внутренняя энергия не меняется.
2.	2-3	b.	Изотермическое расширение газа за счет теплоты, полученной от нагревателя.
3.	3-4	c.	Работа, равная нулю.
4.	4-1	d.	Совершение работы за счет изменения внутренней энергии газа.
5.		e.	Повышение внутренней энергии газа при адиабатном сжатии.

8. Запишите формулы (1) и (2). Распишите буквенные обозначения.

9. Какие выводы можно сделать из формулы (2)?

10. Какова приблизительная разница между максимально возможным и реальным КПД паровой турбины?

11. Решите задачу: Температура нагревателя идеальной тепловой машины 127^oС, а холодильника 37^o С. Количество теплоты, получаемое машиной от нагревателя, равно 60 кДж. Вычислить КПД машины и количество теплоты, отдаваемое холодильнику.

Лист с заданием 11.3

Проверка степени усвоения материала

Выполните задания теста, выбрав к каждому вопросу по одному правильному ответу.

1. Выберите верное определение. Тепловые двигатели это…

a) устройства, преобразующее механическую работу во внутреннюю энергию газа;

b) устройства, преобразующее внутреннюю энергию топлива в тепловую энергию;

c) устройства, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу;

d) устройства, преобразующее тепловую энергию во внутреннюю энергию топлива.

2. К основным элементам теплового двигателя не относится

a) рабочее тело;

b) идеальный газ;

c) нагреватель;

d) холодильник.

3. Рабочим телом теплового двигателя могут быть

a) пар и газ;

b) вода и газ;

c) твердое топливо и воздух;

d) воздух и вода.

4. Цикл Карно не содержит

a) изотермического расширения;

b) адиабатного расширения;

c) изотермического сжатия;

d) изобарного сжатия.

5. КПД теплового двигателя определяется по формуле

а.	b.	c.	d.

6. Для повышения КПД тепловой машины не нужно

a) увеличивать температуру нагревателя и уменьшать температуру холодильника;

b) уменьшать трения частей машины;

c) увеличивать температуру холодильника и уменьшать температуру нагревателя;

d) уменьшать потери топлива.

Эталон ответа: 1-с, 2-b, 3-a, 4-d, 5-a, 6-c.

Приложение 1.

Методическая модель учебного занятия

Этап	Содержание и структура учебного занятия	Деятельность преподавателя	Деятельность обучающихся	Средства обучения	Планируемые результаты	Время, мин.
1. Организационно-мотивационный этап	Актуализация. Предварительное определение уровня знаний обучающихся.	Объясняет, какую тему и почему предстоит изучить. Знакомит с алгоритмом проведения занятия	Знакомятся с информацией. Отвечают на вопросы.	Лист с заданием 11.1.	Готовность студентов к работе.	5
2. Организация самостоятельной работы обучающихся по вопросам темы учебного занятия	Освоение нового материала. Формирование компетентностных качеств.	Организует самостоятельную работу. Организует дискуссию	Знакомятся с вопросами закрепляющего материала, отвечают на них. Обсуждают проблемы, проводят поиск путей их решения.	Учебный материал 11, лист с заданием 11.2	Готовность студентов к выявлению проблем и поиску их решений. Понятый студентами материал учебного занятия.	32
3. Подведение итогов учебного занятия	Проверка степени усвоения материала. Рефлексия. Заключение.	Анализирует полученные знания, подводит итоги учебного занятия.	Оценивают личностную удовлетворенность, средства обучения и деятельности педагога.	Бланк проверки степени усвоения - лист с заданием 11.3 материала, дневник учебного занятия.	Удовлетворенность занятием.	8

Список использованных источников.

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. [Текст]: Учебник. - М: Изд-во «Дрофа», 2015. - 446 с.

2. Касьянов В.А. Физика. 10 класс. Базовый уровень. [Текст]: Учебник. - М.: Издательский центр "Академия", 2013. - 282 с.

3. Рымкевич А.В. Сборник задач по физике. Задачник. М: Изд-во «Просвещение», 2015. – 196с.

Электронные ресурсы.

1. Тепловые двигатели. Википедия. Интернет-энциклопедия [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org, свободный. – Загл. с экрана.

27.11.2017