Методическая разработка

Государственное автономное образовательное

учреждение

среднего профессионального образования

Ишимбайский нефтяной колледж

Методическая разработка

По физике

2014

Государственное автономное образовательное

учреждение

среднего профессионального образования

Ишимбайский нефтяной колледж

Методическая разработка учебного

занятия по физике на тему

«Цикл Карно»

Разработала: преподаватель физики,

2014

Подготовка к активной деятельности на основном этапе занятия – заполнение таблицы термодинамических величин.

1 вариант
Название термодинамической величины	Обозначение	Единицы измерения	Формулы связи с другими величинами
	q
Удельная термодинамическая работа
	T
		кг/м3

2 вариант
Название термодинамической величины	Обозначение	Единицы измерения	Формулы связи с другими величинами
	Q
Термодинамическая работа
	t
		Па

Самопроверка.11-12 правильных ответов -5,

9,10 правильных ответов -4,

7,8 правильных ответов -3,

Менее 7 правильных ответов-2.

1 вариант
Название термодинамической величины	Обозначение	Единицы измерения	Формулы связи с другими величинами
Удельное количество теплоты	q	Дж/кг	q= (u2-u1) + l
Удельная термодинамическая работа	l	Дж/кг	l= p2 v2 – - p1v1+ w
Абсолютная температура	T	К	T= (t + 273)K
Удельный объем	v	м3/кг	v= V/m

2 вариант
Название термодинамической величины	Обозначение	Единицы измерения	Формулы связи с другими величинами
Количество теплоты	Q	Дж	Q =(U2-U1)+ +L; Q =C (t2 - t1)
Термодинамическая работа	L	Дж	L = p(V2 - V1)
Температура	t	0 С	t =( T – 273) K
Давление	p	Па	p = RT/v

Изучение новых знаний.

Постановка проблемы:

Эпиграф: «Раньше природа устрашала человека, а теперь человек устрашает природу»

Жак Ив Кусто.

Тепловые двигатели сегодня - главная причина загрязнения воздуха. Сегодня в мире насчитывается более миллиарда автомобилей. А тепловые электростанции, двигатели на заводах, нефтепромыслах, газотурбинные установки и т. д.!

Вдумайтесь!

-1 т бензина, сгорая, выделяет кг вредных веществ,

-в атмосферу ежегодно выбрасывается 5 млрд т СО2,

- в состав выхлопных газов входит 1200 компонентов, в том числе оксид углерода, углеводороды, альдегиды, оксиды металлов (наиболее вредный - оксид свинца), сажа и прочее.

Состав выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей (г/мин)

№	Компоненты выхлопных газов	Бензиновые Двигатели	Дизельные двигатели
1	Оксид углерода СО	1,035	0,017
2	Диоксид углерода СО2	0,217	0,2
3	Оксиды азота NO, NO2	0,002	0,001
4	Сажа	0,04	1,1

Какие пути решения этой глобальной проблемы человечества вы видите?

(Ответы учащихся: «переход на новые виды топлива», «повышение кпд двигателей»)

Как повысить кпд тепловых двигателей? Над этой проблемой задумался еще в1824 году французский ученый Николя Леонар Сади Карно. Тема сегодняшнего урока:

«Цикл Карно».

Цель занятия - изучение термодинамических циклов и выяснение ответа на вопрос – от чего зависит коэффициент полезного действия тепловой машины.

Изучение нового материала

Рассмотрим особенности превращения теплоты в работу в случае теплового двигателя. Для непрерыв­ной работы двигателя необходим круговой процесс – цикл. Рабочее тело поочередно и многократно проходит из состояния расширения в состояние сжа­тия, затем происходит опять расширение, сжатие и т. д. При этом, чтобы совершалась какая-либо работа двигателем, необходимо (если рассматривать графи­чески), чтобы линия процесса сжатия из состояния 2 в состояние 1 проходила ниже линии процесса расши­рения 1 -2 (начало одного процесса совпадает с кон­цом другого). В таком случае разность между работой расширения и работой сжатия (графически - площадь фигуры в pV-диаграмме, ограниченной линиями про­цессов расширения и сжатия) будет отлична от нуля. Эта разность называется полезной работой, она ис­пользуется для вращения различных механизмов.

Цикл называется обратимым, если он состоит из обратимых процессов, и называется необратимым, если состоит из необратимых процессов. Цикл прямой, если линии процессов расширения в рV-диаграмме лежат выше линий процессов сжатия. В этом случае производимая работа отдается внешнему потребите­лю. Если линии процессов сжатия в рV-диаграмме лежат выше линий процессов расширения, то такой цикл называется обратным.

Здесь работа осуществляется от постороннего ис­точника энергии. Обратные циклы осуществляются в хо­лодильных установках.

Полезная теплота в прямом цикле - это раз­ность между теплотой, полученной в процессе рас­ширения от горячего источника, и теплотой, отдан­ной в процессе сжатия холодному приемнику теплоты.

В тепловых двигателях основной процесс преобразо­вания теплоты в работу обязательно сопровождается дополнительным процессом передачи теплоты холод­ному источнику. В природе много самопроизвольных процессов, т. е. таких процессов, в которых основной процесс протекает без дополнительного. Самопроиз­вольные процессы необратимы.

.

Мультимедийная вставка ..

Цикл Карно - теоретически возможный цикл, обладаю­щий

максимально возможным термическим КПД

(предло­жен французом Сади Карно в 1824 г.). Этот цикл состоит из двух изотерм 1 -2 и 3-4 и двух адиабат 2-3 и 4-1.

Рабочее тело (газ) находится в цилиндре с полностью

теплоизолирующими стен­ками под поршнем. 1 – начальное состояние, со­ответствующее крайнему верхнему положению поршня. Процесс 1-2-изотермический процесс расширения с подводом теплоты от горячего источника с температу­рой T1 (Q1 - полученное количество теплоты).

Процесс 2-3 - адиабатическое расширение до нижней мертвой точки 3. При этом температура газа снижается из-за уменьшения внутренней энергии. Полная работа расширения в рV-диаграмме соответ­ствует площади фигуры под линией 123.

Участок 3-4 - изотермическое сжатие, теплота от соприкосновения с холодным источником отводится, Q2 - отданное количество теплоты.

При этом температура равна Т2. Участок 4-1 - адиабатическое сжатие. Полная работа сжатия в pV-диаграмме графически равна площади под кривой 341.

В pV-диаграмме работа цикла Карно соответствует площади фигуры 1234.

Вывод формулы для кпд идеальной тепловой машины:

Процесс 1-2- Т1=соnst, Q1= mRT1 ln v2/v1,

Процесс 3-4- Т2 = const, Q2=m RT2 ln v3/v4,

Процесс 2-3- Q=0, (Т1/Т2 )1/k-1 = v3/v2,

Процесс 4-1 Q=0, (Т1/Т2)1/к-1 = v4/v1,

Следовательно, v 3/v2 =v4/ v1, по свойству пропорции

v 2/v 1 =v3/v4.

Подставим в формулу η=Q1 – Q2 /Q1 (1)

Получим формулу Карно.

Доказано что η max = ( Т1 – Т2 )/ Т1 (2)

Из формулы видно, что:

1) η зависит только от температур источника и прием­ника;

2) η растет при увеличении температуры источника Т1, и при уменьшении температуры приемника Т2;

3) η всегда меньше единицы;

4) η равен нулю при Т1 = Т2, это означает, что, если все тела системы имеют одинаковую температуру, нельзя превратить теплоту в работу.

Термический КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела, т. е. одинаков для идеальных и для реальных газов при одинаковых Т1, и Т2 (теорема Карно). Однако все технические циклы в интервале температур от T1 до Т2 имеют термические КПД ниже, чем в цикле Карно.

В циклах реальных тепловых машин процессы неравновесные, но формула (2) играет огромную роль в термодинамике. Кпд в цикле Карно – это своеобразный «маяк», указывающий пути повышения кпд реальных

тепловых двигателей.

Показатели экономичности для различных типов ДВС

Тип двигателя	Кпд индикаторного процесса	Кпд эффективного процесса
Карбюраторные	0,22- 0,38	0,18- 0,30
Дизели	0,36 - 0,56	0,27 -0,42
Газовые	0,26 -0,38	0,21 -0,30

В индикаторном процессе учитываются потери на несвоевременность открывания клапанов, на несовпадение параметров сжатия и расширения теоретическим политропным процессам. Индикаторный процесс отличается от эффективного тем, что в последнем учитываются механические потери на трение, привод продувочного и надувочного окна и т. д.

При решении задач следует помнить, что в исключительных случаях температура Т2 может совпадать с температурой окружающей среды, которую мы принимаем за холодильник, в общем случае, она превышает температуру окружающей среды. Например, в ДВС под Т2 следует понимать температуру отработавших газов, а не температуру среды, в которую производится выхлоп.

Решим задачу.

Задача 1.

Температура внутри дизельного двигаС. Температура отработавших газов 770 С. Определить по этим данным максимальный кпд. Сравнить с табличными в индикаторном и эффективном процессе.

Решение.

Т1= (273+727) К =1000 К

Т2= (273 + 77) К = 350

η max = (Т1 – Т2)/ Т1

η max = 650/1000 =0,65

η max = 65%. На практике гораздо меньше!

. Мультимедийная вставка . Цикл Карно.

Задача 2.

Самостоятельное решение. Проверка. ( Ответ Т2 =315 К)

Идеальным для холодильных установок является

обратный цикл Карно. В нем сначала проходит процесс

адиабатического расширения 1-4, затем изотермическое

расширение 4-3 с отводом теплоты от холодного

источника, потом адиабатическое сжатие 3-2 и наконец

изотерма 2-1 с отдачей тепла горяче­му источнику с

помощью затраченной извне работы. Холодильный

коэффициент равен χ = Q2 /(Q1 - Q2)=Т2/(Т1-Т2).

Холодильный коэффициент становится меньше при

умень­шении Т2 и при увеличении Т1. Чем больше

разность температур (Т1 – Т2), тем требуется большая

работа для отвода от холодного источника некоторого

коли­чества теплоты.

Задание:

Самостоятельно доказать формулу для максимального

холодильного коэффициента. (Проверка)

Задача 3.

Идеальная холодильная машина, работающая по обратному циклу Карно, используется для замораживания воды при

00 С. Определить температуру окружающей среды, если степень адиабатного сжатия 1,5. Найти холодильный коэффициент.

Решение.

Т2 =273К

ε = 1,5

Найти t1 и χ

ε к-1= Т1/ Т2;

Т1= Т2 εк-1;

Т1 = 273* 1,51,3-1;

Т1 = 308 К;

t1 = 308 – 273 = 35(0C);

χ = Т2/ (Т1 – Т2);

χ = 273/ (308 – 273) = 7,8.

Ответ: t1 = 350 C, χ =7,8.

Ответьте на вопросы:

1.Почему кпд идеальной тепловой машины т. е. машины работающей без потерь энергии меньше 100%? (Невозможен обратимый процесс в тепловой машине, Т1 не равна Т2)

2. Может ли кпд тепловой машины быть равным единице? (Да, нет)

3. . Может ли холодильный коэффициент быть больше единицы? (Да, нет)

Проанализируйте работу ДВС.

4.У какого двигателя кпд выше – холодного или прогретого? (холодного, прогретого)

5. Зависит ли кпд от температуры наружного воздуха? Как?

(С ростом температуры окружающего воздуха, кпд падает, растет)

6. Чем грозит двигателю перегрев? Почему двигатель необходимо охлаждать? (происходит заклинивание поршней, плавление прокладок, может быть и то и другое)

Работа холодильной машины.

7. Можно ли охладить температуру воздуха в комнате, если открыть дверку холодильника? (да, нет).

Ключ к тесту.

вопрос	1	2	3	4	5	6	7
ответ	Т1 не равна Т2	Нет	Да.	Прогретого.	Растет.	Может быть и то, и другое	Нет

6-7 правильных ответов - оценка 5,

5 правильных ответов – оценка 4,

4 правильного ответа – оценка 3,

менее 4 правильных ответов – оценка 2.

Домашнее задание

1.Решить задачу:

Газ, совершающий цикл Карно, отдал холодильнику7/8 количества теплоты, которое он получил от нагревателя. Определить кпд цикла и температуру нагревателя, если температура холодильника 70 С.

2.Подготовить презентацию темы «Цикл Карно».

Итог урока.

Прошу вас оценить свою работу на уроке (оценочный лист).

Сегодня мы говорили о круговых процессах и цикле Карно. Молодому ученому было всего 28 лет, когда он задумался о «движущей силе огня» и коэффициенте полезного действия тепловой машины.

Сегодня, когда число автомобилей перевалило за миллиард и стремительно растет, когда вопросы экологии становятся вопросами жизни и смерти всего человечества, эта тема становится все более актуальной. Нужны новые двигатели, необходимо усовершенствовать ужу существующие. Может быть – вам решать эти проблемы! Пусть сегодняшний урок когда-нибудь вам в этом поможет.

Спасибо за работу на уроке.

Приложения

Николя́ Леона́р Сади́ Карно́— 1 июня 1796 — 24 августа 1832) — французский физик и математик

Оценочный лист работы на уроке

ФИО, группа_____________________________

Оценка самостоятельной работы на уроке

1) Таблица термодинамических величин:

Самопроверка.11-12 правильных ответов -5,

9,10 правильных ответов -4,

7,8 правильных ответов -3,

менее 7 правильных ответов-2.

У меня правильных ответов________, оценка_____________

2.) Формулу для максимального холодильного коэффициента

____________(вывел, нет).

3) Задачу №2 _______________(решил, нет)

4) Тест. Самопроверка: 6-7 правильных ответов - оценка 5,

5 правильных ответов – оценка 4,

4 правильных ответа – оценка 3,

менее 4 правильных ответов – оценка 2.

У меня правильных ответов________, оценка_____________

Рефлексия:

Тема усвоена на:

-Отлично

-Хорошо

-Удовлетворительно

Трудности при выполнении задания

-Вывод формул

-Решение задач

-Ответы на вопросы теста.

Как справляюсь с трудностями

- Самостоятельно

- Спрошу у товарищей

- Спрошу у преподавателя

Самооценка работы на уроке

- Отлично

- Хорошо

- Удовлетворительно

- Плохо

Список использованной литературы и Интернет-ресурсов.

1. , Кушнырев основы теплотехники/ , - М.: изд.«Энергия», 1978.

2. Малинин вопросов и задач по физике/.- М.: изд. «Просвещение», 2002.

3. , Романов термодинамики и теплотехники/ , - М.: Недра, 1988.

4. И, Справочник по физике для студентов и абитуриентов/ - М.: изд.!Апрель. АСТ. Профиздат», 2005.

5. Енохович по физике. /сост.: , , и др.- М.: изд. «Просвещение», 1982.

6. http://*****/news/info. jsp? id=976.Электронный учебник «Открытая физика». 2001.

7. wikipedia. org/w/index. php? title=Категория:Персоналии_по_алфавиту