Тема урока: «КПД теплового двигателя. Цикл Карно»

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ

государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«СЫЗРАНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

РАЗРАБОТКА ОТКРЫТОГО УРОКА

Тема урока:  «КПД теплового двигателя.  Цикл Карно»

Дисциплины:	«Физика»
Для специальности:	150415	«Сварочное производство»

2014

Методическая разработка подготовлена к проведению в рамках месячника цикловой комиссии

РАССМОТРЕНА И ОДОБРЕНА Цикловой комиссией математических и общих естественнонаучных дисциплин Протокол №  _____  От «___» _______________2014г.  Председатель цикловой комиссии  ______________

Заместитель директора по учебной работе _____________ «___»______________2014г.

СОГЛАСОВАНО

Методист

_______________

«____»_______________2014г.

Автор: – преподаватель физики и математики

Краткая характеристика учебных и психологических особенностей группы:

  Группа 395-СП-2 обучается в колледже второй год. В группе 25 человек – все  юноши. К занятиям относятся ответственно, но домашнее задание выполняют не все. В группе выделяются 5 студентов, у которых запас знаний больше и личные качества помогают им быть в числе лидеров. Эти студенты способны быстро освоить новый материал, а также помочь тем, кому учеба дается более затруднительно. Большинство студентов в группе к изучению дисциплины относятся с должным пониманием, и для поддержания интереса к изучению данного предмета не требуется усилий.  В целом темп урока необходимо задавать средний, главное при подведении итогов отметить положительные тенденции каждого.

Диагностика начального состояния знаний и умений:

На изучение данной модульной единицы отводится два часа. Это занятие, на котором студенты будут работать в команде, для этого им понадобятся знания предыдущей темы: «Первое и второе начало термодинамики».

Необходимость подготовки студентов к усвоению материала на следующем занятии

На следующем занятии будет изучаться следующая модульная единица второго модуля «Определение относительной влажности воздуха с помощью психрометра и гигрометра». На этом занятии понадобятся полученные знания и умения сравнения состояний идеального  и  реального газов на практике.

Необходимость подготовки студентов к достижению последующих результатов обучения (данного модуля)

  Во втором  модуле данное занятие позволяет успешно освоить формулу расчета КПД теплового двигателя и определять КПД цикла Карно.

Необходимость подготовки студентов к достижению конечных результатов обучения (дисциплины)

  Изучение дисциплины заканчивается во втором семестре второго курса. Студенты должны будут использовать знания и умения для вычисления КПД тепловых двигателей  на экзамене во втором семестре.

ДМ. 02Молекулярная физика и термодинамика

Руководство по модулю «КПД теплового двигателя. Цикл Карно»

Задача модуля – После завершения обучения студент будет знать основы молекулярной физики и термодинамики,  уметь применять знания на практике

При овладении действиями модуля необходимо осваивать следующие ключевые компетенции (КК):

КК.1 Грамотность и счет; КК.2 Коммуникативные умения; КК.3 Умение решать проблемы; КК.4 Умение работать в команде; КК.5 Умение принимать решение; КК.8 Умение поиска и использование информации; КК.9 Умение учиться.

Модульные единицы:

МЕ 2.1. Молекулярная физика.

МЕ 2.2. Лабораторная работа №1 «Проверка закона Бойля-Мариотта».

МЕ 2.3. Внутренняя энергия Газа. Работа газа при изопроцессах.

МЕ 2.4. Первое и второе начало термодинамики.

МЕ 2.5. КПД теплового двигателя. Цикл Карно.

МЕ 2.6. Лабораторная работа №2 «Определение относительной влажности воздуха с помощью психрометра и гигрометра».

МЕ 2.7. Закон Гука. Тепловое расширение твердых тел и жидкостей.

МЕ 2.8. Лабораторная работа №3 «Определение коэффициента линейного расширения твердого тела».

МЕ 2.9. Зачет №2

МЕ 2.5 (Занятие № 10)

Тема урока: КПД теплового двигателя. Цикл Карно.

Цель: Определить КПД теплового двигателя и цикла Карно.

Методы:Работа в малых группах, самостоятельное изучение теории.

Материальные ресурсы:руководство по модульной единице (МЕ), руководство по текущей оценке МЕ, описание элементарных действий, самостоятельная работа.

Последовательность видов учебной деятельности:

Вступительное слово преподавателя (краткое представление порядка изучения МЕ, план текущей оценки, итоговая оценка по МЕ). Преподаватель знакомит студентов с руководством по МЕ. Теоретические знания студенты получают через дополнительный справочный материал. Группа осваивает действие в указанном порядке, старший группы оценивает освоения действий своей подгруппы (команды), для этого по мере освоения этапов действия в индивидуальных ведомостях необходимо сделать отметки «Да» или «Нет». После достижения цели, для получения оценки за урок, студенты выполняют самостоятельную работу, которая проверяется и оценивается преподавателем. Старший группы оценивает правильность решения задач и выставляет предварительную оценку за работу. Преподаватель проверяет работы и выставляет оценки активным студентам.

Руководство по МЕ 2.5  «КПД теплового двигателя. Цикл Карно»

Задача – Решать задачи на определение КПД теплового двигателя и цикла Карно.

Действие – рассчитать  КПД теплового двигателя и цикла Карно.

Порядок освоения действия:

По материалам справочной информации надо ответить на вопросы: Что такое тепловой двигатель? Основные элементы теплового двигателя. Виды тепловых двигателей. Что такое идеальный тепловой двигатель? Чем отличаются формулы подсчета КПД теплового двигателя и идеального теплового двигателя? Разберите предлагаемые задачи на определение КПД теплового двигателя и цикла Карно. Сделайте вывод о проделанной работе. Достижение цели – уметь решать задачи на  нахождение  КПД теплового двигателя и цикла Карно.

Продолжительность 70 мин.

Руководство по оценке действия « Рассчитать КПД теплового двигателя и цикла Карно».

Старший группы должен оценить освоение действия каждым членом группы, для этого по мере освоения этапов действия в индивидуальных ведомостях необходимо сделать отметки «Да» или «Нет». После достижения цели, для получения оценки за урок необходимо выполнить  индивидуальное задание, которое проверяется и оценивается преподавателем:

Выполнили правильно все задания – отлично освоили действие; Выполнили правильно 3 задания  – хорошо освоили действие; Выполнили правильно 2 задания – удовлетворительно освоил действие; Выполнили менее двух заданий – не освоили действие.

Для старшего группы результат оценки зависит от его предварительных оценок:

Оценил правильно все задания  – отлично освоил действие; Оценил правильно три задания  – хорошо освоил действие; Оценил правильно два задания  – удовлетворительно освоил действие; Оценил правильно менее 2 заданий – не освоил действие.

Продолжительность 10 мин.

Домашнее задание.

Повторить материал, знаний которого вам не хватило при освоении действия. Физика: Учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений/ , , .- 10-е изд.-М.: Просвещение, 2002 стр.218-222

Контрольная ведомость обучающегося гр. __________________________

Дисциплина: Физика

Задача урока:Решить задачи на определение КПД теплового двигателя и цикла Карно

Ф. И.О студента ___________________________________________________

Критерий оценки – студент может самостоятельно выполнить следующие действия	Да/нет	Если нет, то что студент должен сделать дополнительно
Ответить на вопросы в руководстве
Разобрать предлагаемые задачи на определение КПД теплового двигателя и цикла Карно
Сделать вывод о проделанной работе
Достижение цели – уметь  рассчитывать КПД теплового двигателя и цикла Карно
Результат оценки:
Подписи оценщиков:	Дата проведения оценки:

РУКОВОДСТВО

по освоению действия МЕ 2.5 «КПД теплового двигателя. Цикл Карно»

Освоим действие – освоить формулы расчета КПД теплового двигателя и цикла Карно

Порядок освоения действия:

Учимся выбирать необходимый материал для самостоятельной работы из дополнительного справочного материала. С помощью дополнительного справочного материала ищем ответы на вопросы; Что такое тепловой двигатель? Основные элементы теплового двигателя. Виды тепловых двигателей. Что такое идеальный тепловой двигатель? Чем отличаются формулы подсчета КПД теплового двигателя и идеального теплового двигателя?

  Записать в тетрадь информацию, выделенную жирным шрифтом и курсивом.

Записать в тетрадь подробное решение предлагаемых задач из руководства.

Задача №1 Тепловой двигатель получает от нагревателя за одну секунду от нагревателя за одну секунду 7200 кДж теплоты и отдает холодильнику 5600 кДж. Каков КПД теплового двигателя?

Дано: Q1=7200 кДж Q2=5600 кДж	СИ: 7,2·106 Дж 5,6·106Дж	Решение: По определению, КПД тепловой машины з=22,2%
Найти: з -?

Задача №2 Идеальная тепловая машина получает от нагревателя, температура которого 500°С, за один цикл 3360 Дж теплоты. Найти количество теплоты, отдаваемое за один цикл холодильнику, температура которого 400°С. Найти работу машины за один цикл.

Дано: Т1=500°С Q1=3360Дж Т2=400°С	Решение: По определению, КПД идеальной тепловой машины: . КПД тепловой машины также равно: . Приравняем эти выражения:, преобразуем выражение и определим Q2: , откуда, =, работа за один цикл А=Q1 - Q2. Вычислим ==2688 Дж, А=3360-2688=672 Дж. Ответ: Q2=2688 Дж, А=672 Дж.
Найти: Q2 - ? А - ?

Задача №3В паровой турбине расходуется дизельное топливо массой 0,35 кг на 1 кВт·ч мощности. Температура поступающего в турбину пара 250°С, температура холодильника 30°С. Вычислите фактический КПД турбины и сравните его с КПД идеальной тепловой машины, работающей при тех же температурных условиях.

Дано: А=1 кВт·ч m=0,35 кг t1=250°C t2=30°С	СИ: 3,6·106Вт·с 523К 303К	Решение: Для реальной тепловой машины з=, где А-совершенная машиной полезная работа; Q-затраченная машиной энергия. При сгорании топлива выделяется энергия Q=qm, гдеq-удельная теплота сгорания топлива. Для дизельного топлива определим по таблице q=42·106Дж/кг. Тогда. КПД идеальной тепловой машины =100%. Вычислим 100%=42% , з==24%. Ответ: 24%, 42%
Найти: з-? зmax-?

Задача№4 Вопрос из стихотворения «Сказка о царе Салтане» К какому типу двигателей можно отнести огнестрельное оружие?

Пушки с пристани палят, кораблю пристать велят.

Ответ: Пушки относятся к двигателям внутреннего сгорания

Выполняем самостоятельную работу.

Самостоятельная работа

Вариант № 1

Над горящей электролампочкой поместили бумажную вертушку, и она пришла во вращение. Можно ли считать такую вертушку тепловой машиной? В идеальной тепловой машине за счет каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа 300 Дж. Определить КПД машины и температуру нагревателя, если температура холодильника 280К
Где поток воздуха имеет большую температуру: под вертушкой или над вертушкой? Температура нагревателя идеальной тепловой машины 117°С, а холодильника 27°С. Количество теплоты, получаемое машиной от нагревателя равно 60кДж. Вычислить КПД машины, количество теплоты отдаваемое холодильнику.

Вариант № 2

Можно ли рассматривать ветряные и водяные двигатели (на реках) как тепловые машины? В идеальной тепловой машине за счет каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа 200 Дж. Определить КПД машины и температуру нагревателя, если температура холодильника 273К.
Когда газ в цилиндре двигателя внутреннего сгорания обладает большей внутренней энергией: к концу такта сжатия или к концу рабочего хода? Температура нагревателя идеальной тепловой машины 127°С, а холодильника 17°С. Количество теплоты, получаемое машиной от нагревателя равно 50кДж. Вычислить КПД машины, количество теплоты отдаваемое холодильнику.

Справочная информация

Тепловые двигатели

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели – устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле – это тепловые двигатели, превращающие внутреннюю энергии. Топлива в механическую. Сюда относятся двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивные двигатели и др.

  Первый универсальный тепловой двигатель (паровую машину) создал в 1774 г. выдающийся английский изобретатель Джеймс Уатт. Этому правда, предшествовало изобретение пароатмосферной машины русским механиком , однако его машина после нескольких месяцев работы была остановлена, а затем и вообще разобрана, в результате чего дело Ползунова на десятки лет было предано забвению. Машина же Уатта получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству.

  Изобретение паровой машины способствовало созданию паровозов, пароходов и первых (паровых) автомобилей. Первые паровозы были созданы в ревитиком (1803 г.) и Дж. Стефенсоном (1814 г.). Изобретателем парохода сочетается американец Р. Фултон. Свои первые испытания он проводил на реке Сене в Париже. Однако когда он в 1804 г. обратился к Наполеону Бонапарту перевести французские корабли на использование паровой тяги, то, как это ни странно, получил отказ. А ведь какие возможности в борьбе с английским флотом открывало предложение Фултона, если бы Наполеон принял его предложение! Однако этот шанс французским императором был упущен. Через некоторое время Фултон вернулся на родину, и в 1807 г. по реке Гудзон отправился в свой первый рейс пароход «Клермонт».

  По мере развития и внедрения в практику тепловых машин возникла необходимость в создании такой теории, которая объясняла бы принципы их действия. Создать такую теорию удалось 28летнему французскому ученому и военному инженеру Сади Карно. В 1824 г. им было опубликовано сочинение «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

  «Тепловая машина, - писал Карно, - уже обслуживает наши шахты, двигает наши корабли, углубляет гавани и реки, кует железо…Отнять у Англии в настоящее время её паровые машины означало бы разом отнять у неё железо и уголь, отнять у неё все источники богатства…» Однако, продолжает Карно, «явление получения движения из тепла не было рассмотрено с достаточно общей точки зрения…Чтобы рассмотреть принцип получения движения из тепла во всей его полноте, надо его изучить независимо от какого-либо механизма, какого либо определенного агента; надо провести рассуждения, приложимые не только к тепловым машинам, но ко всем тепловым машинам, каково бы ни было вещество, пущенное в дело, и каким бы образом на него ни производилось воздействие».

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: 1. Рабочее тело, т. е. тело, которое в тепловом двигателе совершает работу (им является газ или пар); 2. Нагреватель, т. е. устройство от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет затем на совершение работы, и 3. Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела; холодильником могут служить окружающая среда (атмосфера) и специальное устройство для охлаждения и конденсации отработанного пара (конденсатора).

Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклов, каждый из которых включает в себя получение рабочим телом энергии от нагревателя, расширение рабочего тела и совершение им работы, передачу неиспользованной части энергии холодильнику и возвращение рабочего тела в исходное состояние. Работа, совершаемая рабочим телом за один полный цикл, складывается из работы совершенной им при расширении, и работы совершенном им при сжатии: А= Арасш + Асж. Учитывая, что при сжатии газ совершает отрицательную работу, последнее равенство можно переписать так: А= Арасш - [Асж].

  Для того, чтобы эта работа была положительной, нужен холодильник. При наличии холодильника газ перед сжатием или в процессе сжатия охлажадется, и поэтому процесс совершения им работы при сжатии протекает в среднем при меньшем  давлении чем при расширении. Из за этого [Асж]<Aрасш, и, следовательно, А>0.

  В процессе действия теплового двигателя его рабочее тело перbодически получает от нагревателя количество теплоты Q1, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Q2(так как это количество теплоты отдается, то оно имеет отрицательный знак: Q2<0).

Виды двигателей - по способам получения механического движения подразделяются на:

Поршневые	- паровые машины (КПД до 20%) -двигатели внутреннего сгорания: а) карбюраторные (КПД – 18-24%) – создал в 1867 г. Н. Отто; б) дизели (КПД – 30-39%) – создал в 1897 г. Р. Дизель;
Ротационные	- паровая турбина (КПД до 43%); -газовая турбина (КПД-до 34%);
Реактивные	- ракетные двигатели, воздушно реактивные (КПД до 42%).

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы теплота могла самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты полученному от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя:

Идеальный тепловой двигатель – это двигатель, не имеющий потерь на механическое трение и работающий по особому круговому циклу, называемому циклом Карно.

Представляет собой идеализацию цикла реальной тепловой машины, рабочим телом является идеальный газ; цикл является прямым обратимым круговым процессом, состоящим из двух изотерм и двух адиабат; (1-2) - изотермическое расширение – рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q1, (3-4)- изотермическое сжатие – рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты Q2, при адиабатном расширении и сжатии энергия извне к рабочему телу не

поступает, и эти процессы происходят за счет изменения его внутренней энергии.

Карно установил, что КПД этого цикла зmax определяется лишь температурами нагревателя и холодильника и не зависит от устройства двигателя и природы используемого в нем рабочего тела. Однако формулу этого КПД впервые сумел получить лишь Клаузиус: ·100%.

Где Т1- температура нагревателя, Т2- температура холодильника.

Для повышения КПД теплового двигателя следует понижать температуру холодильника Т2 и увеличить температуру нагревателя Т1. Но первому из этих путей мешает то, что температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха, а второму пути – то, что любой материал обладает ограниченной теплоемкостью или жаропрочностью. Поэтому на практике КПД тепловых двигателей повышают за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Так для паровой турбины начальные и конечные температуры пара таковы примерно: Т1=800 К и Т2=300 К. при этих температурах максимальное значение КПД равно: . Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД - около 44% - имеют двигатели Дизели. Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному – важнейшая техническая задача. Таким образом тепловые двигатели совершают работу благодаря разности давлений газа на поверхности поршней или лопастей турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Максимально возможный КПД пропорционален этой разности температур и обратно пропорционален абсолютной температуре нагревателя. Тепловой двигатель не может работать без холодильника, роль которого обычно играет атмосфера.