Тип урока: интегрированный.

Оборудование: ноутбук, мультимедийный проектор, компьютерный класс.

1.1. Тема урока.

Физика. Принцип действия тепловых двигателей. Цикл Карно. КПД тепловых двигателей.

Информатика. Расчет физических задач с помощью  прикладной программы StarOfficeCalc  или MS-Excel.

1.2. Цели урока:

Физика.

1.Изучение принципа работы реальных тепловых двигателей и идеального теплового двигателя (цикл Карно).

2.Рассмотрение различных типов тепловых двигателей и оценка их КПД.

3.Изучение принципа работы  и структуры реального двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

3. Воспитание познавательного интереса к урокам физики и техники.

4. Практика решений физических задач с помощью прикладной программы  MS-Excel или  StarOfficeCalc.

5. Развитие логического мышления в видении алгоритма решения физических задач.

Информатика.

б) Применение на практике знаний о свойствах алгоритмов.

в) Практическое использование  прикладной программы  MS-Excel или  StarOfficeCalc для решения физических задач.

г) Воспитание у учащихся понимания в необходимости владения компьютерной грамотностью.

д) Развитие мелкой моторики пальцев рук для улучшения механической памяти и создания условий прочного усвоения материала.

 

Ад должен быть изотермальным.

 В противном случае  помещенные

туда инженеры и физико-химики

(а их там должно быть немало)

смогли бы сконструировать

тепловую установку,  которая

питала бы холодильник, с тем

чтобы охладить часть своего

окружения до любой заранее

выбранной температуры.

Генри Бент

1.3.         Организационный этап урока.

1) Беседа с дежурным.

2). Проверка класса к готовности к уроку.

2. Основная часть.

 

2.1 Сообщение темы урока, постановка задач.

Сегодня мы с вами проведем интегрированный урок физики-информатики по темам: «Расчет физических задач с помощью  прикладной программ StarOfficeCalc  или MS-Excel» и решение задач по теме «Принцип действия тепловых двигателей. Цикл Карно. КПД тепловых двигателей.

Наш сегодняшний урок будет состоять из 5 основных частей:

1. Опрос по теме «Работа в термодинамике» (15 минут).
2. Основная часть. Объяснение теоретического материала.
3. Демонстрация работы ДВС.
4. Сравнительная характеристика тепловых двигателей.
5. Решение задач на ПК.

 

 

1. Часть урока.

 

Проверка знаний учащихся по текущей теме.

ФИЗИЧЕСКИЙ ДИКТАНТ:

1.)    Работу газа можно выразить через изменение …. Она определяется по формуле…

2.)    Внутренняя энергия газа зависит от … и математически выглядит …

3.)    Запишите первый закон термодинамики.

4.)    Запишите первый закон термодинамики для изотермического процесса.

5.)    Запишите первый закон термодинамики для изобарного процесса.

6.)    Запишите первый закон термодинамики для изохорного процесса.

7.)    Процесс в теплоизолированной системе называют …

8.)    Запишите первый закон термодинамики адиабатного процесса

Молодцы.

Теперь сдайте ваши работы и посмотрите на экран (проверка правильности ответов).

Правильные ответы.

1. объема (V), ;
2. температуры (Т),  ;
3. ;
4. T- const, T=0,;
5. p- const, p=0,;
6. V- const, V=0,;
7. адиабатным;
8. .

2 часть урока.

Объяснение нового материала

            В процессе эволюции, человек всегда ставит и успешно решает задачу: «Облегчить собственный труд используя различные инструменты и механизмы». Так появились простые орудия труда, а теперь практически весь труд механизирован. Одним из представителей таких механизмов являются тепловые двигатели.

Запишите тему сегодняшнего урока «Тепловые двигатели»

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Вы уже изучили законы термодинамики и знаете, что внутреннюю энергию тел можно использовать для совершения механической работы. В тепловых машинах внутренняя энергия, освобождаемая при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию. Это преобразование объясняется так: тела, расширяясь при нагревании, совершают работу. Т.к. газы и пары расширяются наиболее сильно, они используются в качестве рабочего тела (пары бензина, воздух, водяной пар).

Важно то, что речь идет не об однократном расширении. Для того чтобы тепловая машина работала непрерывно, нужно, чтобы акты расширения многократно повторялись. Повторяемость актов расширения означает периодический возврат системы в исходное состояние. Но каждое возвращение в исходное состояние требует совершения работы. Работа любого теплового двигателя циклична

Очевидно, что полезный выход работы возможен в том случае, если работа возвращения в исходное состояние меньше, чем работа, получаемая при расширении.

При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Наличие холодильника является обязательным условием действия любого теплового двигателя потому, что полезный выход работы может быть только в процессе передачи тепла от горячего тела (нагревателя) более холодному (холодильнику).

 Энергетическая схема тепловой машины:

1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1 > 0, A > 0, Q2 < 0; T1 > T2.

 

 

 

Каждый цикл состоит из 3 разных процессов:

- получение энергии от нагревателя;
- рабочего хода;
- передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

1) рабочее тело, т.е. тело, которое в тепловом двигателе совершает работу;

2) нагреватель, т.е. устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет затем на совершение работы;

3) холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела: холодильником могут служить окружающая среда (атмосфера) или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара (конденсаторы).

Вывод:                         Коэффициент полезного действия (КПД)

Скажите чему равен КПД

Правильно: полезная работа на затраченную .

Посмотрите на экран и скажите, что будет полезной, а что затраченной работой?

  

.  Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2).

Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

 

Цикл C. Карно (1824 год. Франция)

Допустим, что газ находится в цилиндре, стенки и поршень которого сделаны из теплоизоляционного материала, а дно — из материала с высокой теплопроводностью. 

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T1 и холодильника T2

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях Идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.

Принцип работы цикла Карно (дополнительный материал).

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q1 = A12. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T2. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T2 < T1. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A34 < 0 и отдает тепло Q2 < 0, равное произведенной работе A34. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T1, газ совершает работу A41 < 0.

3 часть.   Демонстрация работы ДВС.

 

На следующих слайдах мы посмотрим как устроен реальный ДВС и попробуем определить различные фазы работы, а также укажем на его составные части (нагреватель, холодильник, рабочая зона).

По мере проигрывания видео-файла, учитель занимается пояснением того, что проецируется на экран, используя лазерную указку, показывает на различные элементы конструкции, и происходящие процессы.

1.      Перед вами блок цилиндров, показанный со всех сторон.

2.      Теперь мы видим коленвал, на который монтируются шатуны с поршнями. Далее каленвал с поршнями устанавливается и закрепляется в блоке цилиндров.

3.      На коленвал одевается маховик, который служит для передачи механической энергии через коробку скоростей на колеса.

4.      Сейчас мы можем наблюдать головку блока цилиндров, с устанавливающимися в нее клапанами.

5.      Теперь мы видим 2 распредвала, которые монтируются в головку блока цилиндров. Распредвалы служат для управления открытием клапанов, в определенные моменты времени.

6.      Далее головка блока цилиндров устанавливается на блок цилиндров.

7.      На коленвал устанавливается шестерня, на которую одевается цепь, для передачи вращающего момента с коленвала на распредвалы. Также монтируются успокоитель и натяжитель цепи.

8.      Сверху головка блока цилиндров закрывается защитной крышкой с горловиной, для заливания масла.

9.      Снизу блока цилиндров монтируется поддон картера с маслонасосом. Маслонасос осуществляет подачу масла ко всем движущимся частям внутри двигателя.

10.  Сейчас монтируются различные датчики, трубопроводы.

11.  Теперь мы можем наблюдать впускной коллектор, который подает воздух в камеру сгорания.

12.  Во впускной коллектор устанавливаются топливные форсунки, которые впрыскивают бензин в камеру сгорания.

13.  Далее монтируются свечи зажигания с высоковольтными проводами.

14.  Сейчас мы можем наблюдать как устанавливается различное вспомогательное оборудование, такое как помпа охлаждающей жидкости, гидравлический насос гидроусилителя руля, электрогенератор.

15.  Все эти механизмы приводятся в движение ремнем, который в данный момент устанавливается.

16.  И в заключении сборки монтируется выпускной коллектор, который отводит выхлопные газы в выхлопную трубу.

17.  Сейчас мы можем наблюдать вращение коленвала и движение поршней в блоке цилиндров.

18.  Видно как холодная (голубая) смесь через впускные клапаны попадает в камеру сгорания, сжимается, поджигается свечей зажигания, расширяясь толкает поршень и чрез открывающиеся выпускные клапана выводится наружу.

Использование ДВС: автомобили, тракторы, тепловозы, авиация, корабли.

Строение четырехтактного автомобильного двигателя.

• цилиндр,
• камера сгорания,
• поршень,
• входной клапан;
• выходной клапан,
• свеча;
• шатун;
• маховик.

Работа ДВС

1 такт - "всасывание" поршень движется вниз, через впускной клапан в камеру сгорания всасывается горючая смесь - пары бензина с воздухом. В конце такта всасывающий клапан закрывается;

2 такт - "сжатие"- поршень поднимается вверх, сжимая горючую смесь. В конце такта в свече проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется;

3 такт - "рабочий ход"- газообразные продукты сгорания достигают температуры 16000 С и давления 1- 10 МПа, с большой силой давят на поршень, который опускается вниз, и с помощью шатуна и кривошипа приводит во вращение коленчатый вал;

4 такт - "выхлоп"- поршень поднимается вверх и через выходной клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Температура выбрасываемых газов 5000 С.

Виды топлива: бензин, природный газ.

Принцип действия работы четырехтактного дизеля

1 такт - "всасывание" атмосферного воздуха;

2 такт - "быстрое сжатие" воздуха, при этом температура .воздуха возрастает до 1000 0С. В конце сжатия с помощью форсунки в камеру сгорания впрыскивается распыленное дизельное топливо, которое воспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха. (В дизеле не нужна свеча);

3 такт - "рабочий ход";

4 такт - "выхлоп".

Используемое топливо - керосин, нефть (более тяжелые сорта топлива, чем бензин). Дизели используют на тракторах, на разного рода судах, в автомобилях.

Вопрос Что является нагревателем, рабочим телом и холодильником в газовой турбине?

Вывод : Запишите в таблицу  Нагреватель, холодильник, рабочее тело.

 

1. Сравнительная характеристика тепловых двигателей.

Паровая турбина

              

Паровая турбина является основной частью паросиловой установки. В паросиловой установке из котла в паропровод выходит перегретый водяной пар с температурой около 300-500 0С и давлением 17-23 МПа. Пар приводит во вращение ротор паровой турбины, который приводит во вращение ротор электрического генератора, вырабатывающего электрический ток. Отработанный пар поступает в конденсатор, где сжижается, образовавшаяся вода с помощью насоса поступает в паровой котел и снова превращается в пар.

Распыленное жидкое или твердое топливо сгорает в топке, подогревая котел.

Строение турбины

• Барабан с системой сопел - расширяющиеся трубки особой конфигурации;
• ротор - вращающийся диск с системой лопаток.

Принцип действия

Струи пара, с огромной скоростью (600-800 м/с) вырывающиеся из сопел, направляются на лопатки ротора турбины, давят на них и приводят ротор во вращение с большой скоростью (50 об/с). Происходит преобразование внутренней энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины. Пар, расширяясь при выходе из сопла, совершает работу и охлаждается. Отработанный пар выходит в паропровод, его температура к этому моменту становится немного выше 100° С, далее пар поступает в конденсатор, давление в котором в несколько раз меньше атмосферного. Конденсатор охлаждается холодной водой.

Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Г. Лавалем в 1889г.

Используемое топливо: твердое - уголь, сланцы, торф; жидкое - нефть, мазут. Природный газ.

Вопросы

• Что служит нагревателем, рабочим телом и холодильником в паровой турбине?

Вывод о нагревателе, холодильнике и рабочем теле запишите в таблицу

Газовая турбина

 

Важное преимущество этой турбины - упрощенное преобразование внутренней энергии газа во вращательное движение вала

Принцип действия

В камеру сгорания газовой турбины с помощью компрессора подается сжатый воздух при температуре примерно 200° С, и инжектируется топливо (керосин, газ) под большим давлением. Во время горения топлива воздух и продукты сгорания нагреваются до температуры 1500-2200°С. Движущийся с большой скоростью газ направляется на лопасти турбины. Переходя от одного ротора турбины к другому, газ отдает свою внутреннюю энергию, приводя ротор во вращение.

При выхлопе из газовой турбины газ имеет температуру 400-500 0 С.

Получаемая механическая энергия используется, например, для вращения винта самолета или ротора электрического генератора.

Газовые турбины - это двигатели, обладающие большой мощностью, поэтому их применяют в авиации.

Вопросы

• Что является нагревателем, рабочим телом и холодильником в газовой турбине?

Вывод о нагревателе, холодильнике и рабочем теле запишите в таблицу

 

 

Реактивные двигатели

Принцип действия

В камере сгорания сгорает ракетное горючее (например, пороховой заряд) и образовавшиеся газы с большой силой давят на стенки камеры. С одной стороны камеры имеется сопло, через которое продукты сгорания вырываются в окружающее пространство. С другой стороны расширяющиеся газы давят на ракету, как на поршень, и толкают ее вперед.

Пороховые ракеты являются двигателями на твердом топливе. Они постоянно готовы к работе, легко запускаются, но остановить или управлять таким двигателем невозможно.

Значительно надежнее в управлении жидкостные ракетные двигатели, подачу топлива в которые можно регулировать.

Сравнительная характеристика тепловых машин.

 

Бензиновый ДВС

Дизельный ДВС

Паровая турбина

Газовая турбина

Реактивные двигатели

КПД

30%

40%

20-40%

60-70%

60-70%

нагреватель

Химическая реакция горения

Химическая реакция горения

Топка с углем, атомный реактор

Химическая реакция горения

Химическая реакция горения

рабочее тело

Смесь газов

Смесь газов

Водяной пар

Смесь газов

Смесь газов

холодильник

Окружающая среда

Окружающая среда

Окружающая среда

Окружающая среда

Окружающая среда

Применение

Автомобили,

авиация

Автомобили, суда, тепловозы,

трактора

Атомные Электростан-ции

Авиация,

судоходство,

ТЭС, компрессор- ные станции

Ракеты, космонав-

тика

 

1. Решение задач с помощью MS-Excel.

 

 Перед вами на экране условие задачи:

Двигатель работает по циклу Карно. Как изменится КПД теплового двигателя, если при постоянной температуре холодильника 17оС температуру нагревателя повысить со 127 до 447оС?

 

Напишите в тетрадях по физики краткую запись задачи.

Взгляните на экран и проверьте правильность краткой записи.

 

Дано:

t1=17оС

t2=127оС

t3=447оС

СИ

 

 

Найти:

Теперь в тетради по информатике запишите первую строчку алгоритма решения задачи:

1)      записать Дано.

 

Вернемся к физике. 

Что необходимо сделать дальше?

Ответ ученика.

Правильно, перевести в систему СИ, используя формулу Т=t+273

 

Дано:

t1=17оС

t2=127оС

t3=447оС

СИ

T1=290K T2=400K T3=720K

 

Найти:

В тетради по информатике запишите первую строчку алгоритма решения задачи:

2)      осуществить перевод в систему СИ.

Запишите формулы для расчета КПД  и выведем окончательную формулу.

Проверьте правильность, взглянув на экран.

Дано:

t1=17оС

t2=127оС

t3=447оС

СИ

T1=290K T2=400K T3=720K

; ;;

 

Найти: