МОУ СОШ № 31 им. г. Липецка
Учитель физики:
«Принцип действия тепловой машины»
Тип урока
n Урок изучения нового материала и первичного закрепления
Оборудование и демонстрации
n Работа газа и пара при расширении
n Компьютерные демонстрации действия теплового двигателя, цикла Карно
n Плакаты, таблицы и схемы тепловых машин
n Раздаточный материал
Структура урока
1. Организационный момент
2. Постановка цели урока
3. Подготовка к изучению нового материала повторением
4. Ознакомление с новым материалом
5. Первичное осмысление и применение нового материала для решения конкретных задач ( №2, №33,1 )
6. Постановка домашнего задания ( 33, №33,2)
7. Подведение итогов урока
8. Резервное время
Цель урока
1. Рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях.
2. Объяснить учащимся устройство и принцип действия тепловой машины.
3. Сформировать понятие К. П.Д. тепловой машины.
4. Дать учащимся представление об идеальной тепловой машине, цикле Карно.
5. Развивать умение применять законы термодинамики к решению конкретных задач.
6. Воспитывать ответственное отношение к окружающему миру.
Ход урока:
На протяжении тысячелетий превращение запасенной энергии или работы в теплоту было самым обычным делом. Например, преобразование энергии ветра в движение жерновов мельниц и кораблей. Однако широкое овладение обратным процессом – началось лишь с наступлением промышленной революции. Истинная революция в технике совершилась тогда, когда человек сумел преобразовать теплоту в работу. Не случись этого, мы, возможно, были бы всегда согреты, но не стали бы мудрее. Этот процесс позволяет не просто овладевать энергией, запасенной в топливе, но и извлечь из нее движущую силу, которая в свою очередь помогает нам воздвигать искусственные сооружения, создавать транспортные средства. Человечеству нужны двигатели – устройства способные совершать работу.
Большая часть двигателей на Земле – это тепловые двигатели.
Итак, тема урока: “ Принцип действия тепловой машины”
Сегодня мы рассмотрим применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых машинах, рассмотрим устройство и принцип действия тепловой машины, дадим представление об идеальной тепловой машине, цикле Карно, сформулируем понятие К. П.Д. тепловой машины а, также научимся применять полученные знания для решения конкретных задач.
Прежде, чем мы приступим к изучению новой темы, я предлагаю повторить те вопросы которые нам будут нужны при изучении нового материала.
- как определяется КПД
-сформулируйте 1 закон термодинамики ( в термодинамической системе изменение внутренней энергии равно сумме количества переданной теплоты и работы внешних сил)
применение 1 закона к различным процессам
-изотермический
-изохорный
-изобарный
-адиабатный
- как определяется работа газа при изменении объема (для случая когда давление газа при его расширении или сжатии остается постоянным)?
- как определить работу газа при изотермическом процессе, когда давление тоже изменяется?
-что такое циклические процессы? (процессы изменения состояния газа, в результате которых газ возвращается в исходное состояние - круговые или циклические)
-как определяется работа газа при циклических процессах? (рассмотреть диаграмму) Слайд
При круговом процессе полное изменение внутренней энергии равно 0. Но это не значит, что и А равны 0. При круговом процессе система может получить или отдать некоторое количество теплоты, она может совершить работу, или работа может быть совершена над ней.
Круговые процессы тем и интересны в практическом отношении, что позволяют отнятое системой от внешних тел количество теплоты превратить в работу.
Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями. (записать)
Для получения работы необходимо отнять от тела некоторое количество теплоты. Достаточно данное тело привести в тепловой контакт с другим телом, имеющим более низкую температуру. Но процесс теплопередачи сам по себе не сопровождается совершением механической работы. ОПЫТ: Работа газа при расширении. Стеклянная пробирка с пробкой в которой находится стеклянная трубочка. В неё помещаем каплю подкрашенной жидкости с помощью шприца. Затем нагреваем пробирку на свече. Жидкость в трубочке начинает подниматься. Газ при нагревании совершает работу. Что необходимо сделать чтобы капля вернулась в исходное положение и система снова смогла бы совершить работу? Нужно охладить пробирку, тогда процесс можно будет повторить. Что нужно чтобы система работала циклично? Необходимо иметь третье тело, которое принимало бы определенное количество теплоты от более нагретого и, перемещаясь, совершало бы работу. В качестве рабочего тела удобно использовать газ, который, расширяясь при нагревании, может двигать поршень или вращать ротор турбины. А также нагреватель и холодильник. Если вместо пробирки взять цилиндр, а вместо капли - поршень, то у нас получится модель тепловой машины.
Нагреватель, рабочее тело и холодильник – основные части теплового двигателя. (слайд)
Температура рабочего тела должна отличаться от температуры нагревателя и холодильника на бесконечно малую величину, в противном случае процесс теплопередачи будет лишь приводить к бесполезной потере внутренней энергии нагревателя. Но и при этом условии не все количество теплоты, отнятое рабочим телом от нагревателя оказывается превращенным в работу. Часть его будет обязательно передана холодильнику. Без передачи некоторого количества теплоты холодильнику периодическое действие тепловой машины невозможно. Если количество теплоты полученное рабочим телом от нагревателя обозначим через Q1, а количество теплоты, переданное холодильнику, через Q2, то работа которую позволяет получить тепловая машина, равна: A=Q1-Q2 (зарисовать в тетради схему работы теплового двигателя)
Все сказанное относится ко всем устройствам для превращения теплоты в работу, которые действуют циклически.
Для того чтобы двигатель работал непрерывно нужно, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Если работа, совершаемая при сжатии газа под действием внешней силы, по абсолютному значению равна работе, совершаемой при его расширении, то общая работа за цикл =0. Отсюда следует, что если мы хотим получить полезную работу, то необходимо сделать работу сжатия газа меньше работы расширения. Чтобы работа при сжатии была меньше работы расширения, нужно, чтобы каждому значению v при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении. Давление газа при одном и том же V тем меньше, чем ниже его T. Поэтому газ перед сжатием должен быть охлажден. Для этого нужно его привести в контакт с телом, имеющим более низкую температуру.
Изобразите эти процессы графически в координатах P-V
РАБОТА ЛЮБОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ЦИКЛИЧНА. (записать в тетрадь)
Каждый цикл состоит из различных процессов:
- получение энергии от нагревателя
- рабочего хода
- передачи неиспользованной части энергии холодильнику
КПД
Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q1 от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную Q2, отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше А=Q1-Q2. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:
Записать в тетрадь
К. П.Д. всегда меньше 1. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать К. П.Д. как можно более высоким.
Рассмотрим циклический процесс, который позволяет превратить количество теплоты, отнятое от нагревателя, в работу наилучшим образом, то есть так чтобы полученная работа была максимально возможная. Такой цикл в начале прошлого столетия был предложен французским инженером Сади Карно. Вся конструкция тепловой машины Карно является воображаемой, рабочим телом является 1 моль идеального газа, заключенного под поршнем в цилиндре теплонепроницаемыми стенками и с теплонепроницаемой заслонкой. Нагреватель и холодильник имеют настолько большую теплоёмкость, что их температуры не изменяются от того, что от первого отнимается, а второму передается какое-то количество теплоты. Цикл состоит из 4 процессов. Два их них происходят строго адиабатно и поэтому являются обратимыми. Два других процесса изотермические. При таких качествах цикл Карно, имеет для получения работы наиболее благоприятные условия.
Задание: открыть учебники на стр. 189 прочитать действие идеальной тепловой машины и затем на плакате рассказать и показать действия цикла Карно.
Максимальный коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С. Карно, выражается через температуру нагревателя Т1 и холодильника Т2:
а) КПД не зависит отQ, m, V,p топлива
б) КПД является функцией температур Т1 и Т2
Записать в тетрадь.
Проанализируйте формулу К. П.Д. идеальной тепловой машины.
Оказывается несмотря на все его совершенство, К. П.Д. цикла меньше 1 К, П,Д. равной 1, в принципе недостижим.
Классификация тепловых двигателей. ( схема на слайде)
Д. различных тепловых двигателей по вариантам.
Карбюраторный двигатель: Т2=300 К, Т1=450 К.
Газовая турбина: Т2=300 К, Т1=510 К
Паровая турбина: Т2=303 К, Т1=600 К
Ракетный двигатель: Т2=900 К, Т1=1800 К.
Дизельный двигатель: Т1=300К, Т2=560К.
Сравнить с данными на слайде, сделать сравнительный анализ К, П.Д. различных двигателей.
Классификация тепловых двигателей: слайд №
Решение задачи №2 стр.192 На рисунке представлены диаграммы двух циклов Карно: АВСD и ABC1D1. При работе по какому из этих циклов тепловая машина обладает большим КПД.
Анимационная демонстрация работы двигателя внутреннего сгорания. Слайд №
Постановка домашнего задания: § 33, №33.2 Перспективы развития тепловых двигателей и охрана окружающей среды.
Подведение итогов уроков.
