Теплові двигуни. Принцип дії і проблеми екології.

Урок 8 клас

Тема : Теплові двигуни. Принцип дії і проблеми екології.

Хто не любить природи,

той не любить людину,

той не громадянин.

Альберт Ейнштейн.

Мета: узагальнити та систематизувати знання учнів; познайомити їх  з історією винаходу теплових двигунів, їх видами, принципами дії та використання у народному господарстві;  розвивати екологічну свідомість – тобто наголосити на вплив теплових двигунів на клімат Землі, логічне мислення, уміння висловлювати особисту думку; виховувати активність, самостійність, культуру мовлення.

Тип уроку: Узагальнення та систематизації знань.

Методи навчання: діалогічний, демонстративний, інтерактивний.

Форми навчання: фронтальна, індивідуальна, групова, диференційована.

Обладнання:комп’ютер, модель ДВЗ, модель парової турбіни, таблиця ККД теплових машин, допоміжний матеріал за темою.

Демонстрації: принцип дії ДВЗ, реактивного двигуна,фільтра.

 

Очікувані результати:

Після уроку учні будуть знати    – історію створення теплових двигунів;

• галузі використання теплових двигунів;
• види забруднень від теплових двигунів;
• про альтернативні види палива;
• про альтернативні види електростанцій;
• про способи очищення вихлопних газів;

Після уроку учні будуть вміти    - пояснювати принципи дії теплових двигунів;

• розраховувати задачі на енергозбереження;
• використовувати знання для практичної та професійної діяльності;
• працювати самостійно і в колективі;
• чітко висловлювати свої думки.

 

Хід  уроку

 

Мотивація.

Якщо посміхнутись перехожому

Він посміхнеться у відповідь,

Якщо посміхнутись небу й Сонцю

Розійдуться хмари,

Якщо посміхнутись Всесвіту

Станеться щось казкове.

 

То ж посміхніться один одному і полинемо в казковий світ фізики.

 

Слово  « фізика» ввійшло у українську мову з грецького «Фюзіс» - наука про природу.

Арістотель говорив ,що у фізиці стільки загадок, стільки незрозумілого, що нам є над чим працювати впродовж всього життя.

 

Ми згадали про загадки.

Пошукайте в гаджетах фізичні загадки.

 

1. Атмосферний тиск відкрив не чарівник , чи фея , а хто він учень Галілея?
2. Царю поміг він Гієрону у воду кинувши корону.
3. Золота бджілка у вечері влітає всю оселю освітляє.

 

Повідомлення теми та мети  уроку:

Більша частина двигунів на Землі є тепловими двигунами. Саме вони дають нам дешеву електроенергію, є серцем майже всіх видів транспорту. Сучасна людина не може обходитись без них. Але широке застосування теплових двигунів впливає на стан навколишнього середовища. Тому, мета нашого уроку-конференції – познайомитися з історією винаходу двигунів, і з принципом їх дії, а також висвітлити екологічні проблеми, що виникають під час використання теплових двигунів, і шляхи їх розв’язання. Перед людством постало одвічне питання: «Що робити?», якщо це питання не вирішиться, то ми отримаємо ось такий результат… (Відео про забруднення людиною Землі).

 

Організація роботи в групах:

Учні об’єднуються в домашні групи,обирають спікера і секунданта.

Утворилось три групи:

Теоретики.

Історики.

Екологи.

Усім групам було дано випереджувальні завдання.

Перш ніж перейти до вивчення нового матеріалу пограємо гру: «Знайди помилку».

 

Виконання самостійної роботи.

 

1.Продовжіть твердження.

Температура це -

а) фізична величина, що характеризує стан теплової рівноваги системи і є мірою середньої кінетичної енергії хаотичного руху частинок речовини

б) явище взаємного проникнення тепла від одного тіла до іншого

в) фізична величина, що характеризує навколишнє середовище, його взаємодії з нами.

2.Як залежать розміри фізичних тіл від температури?

а) Не змінюються         б) Зменшуються

в) Збільшуються           г) Важко сказати

3. Виберіть кілька правильних відповідей.

Які температурні шкали існують?

а)  Цельсія          б) Кельвіна          в) Фаренгейта        г)         Фарадея  д) Кулона    е) Максвелла        4.Внутрішня енергія це -

а) сума кінетичної енергії теплового руху частинок речовини і потенціальної енергії їхньої взаємодії

б) енергія, що залежить від швидкості руху фізичного тіла

в) енергія, що впливає на навколишнє середовище.

г) енергія, яка утворюється навколо усіх фізичних тіл

5.Виберіть  правильну відповідей.

Від чого залежить внутрішня енергія тіла?

а) залежить від температури тіла

б) при незмінній масі від агрегатного стану

в) ніщо не впливає на внутрішню енергію.

г) важко сказати

6.Конвенція це -

а) вид теплопередачі, при якому теплота передається потоками рідини чи газу.

б) вид теплопередачі, при якому теплота передається від одного тіла до іншого.

в) вид теплопередачі, при якому теплота передається крізь будь - яке фізичне тіло

г) вид теплопередачі, при якому теплота передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого

Після завершення учні проводять самооцінювання за готовими відповідями.

 

 

Проблемне запитання :

 

 

Учень зачитує вірш :

Поважні які теплові двигуни.

Бо людям полегшують працю вони:

Орють, засівають, збирають зерно,

Без них у житті, як без рук все одно.

Із міста у місто нас возять не раз,

І тим економлять нам сили і час.

Внизу залишивши свій шлейф вогняний.

У простір космічний злітають вони.

В повітрі, як птахи, як риби в воді,

Хоч досить вже давні, та все ж молоді.

Потрібні всім людям усюди й завжди,

Та тільки приводять бува до біди.

Повітря отруйне, як спадок для всіх. 
І в тому їх шкода, великий їх гріх.

А скільки пального з’їдають щодня!!!

То може повернем вола і коня?

Проблеми відразу розв'яжуться всі.

Є віз дерев'яний, навіщо таксі?

Чи, може, зуміємо вихід знайти.

Щоб землю свою й двигуни зберегти.

 

Пояснення нового матеріалу.

Розглянемо модель чайника.

 

 

 

 

Пояснюємо принцип дії двигуна.

З’ясуємо на прикладі з чайником, із яких основних частин має складатися теплова машина.

Будь-яка теплова машина складається з:

 

Робоче тіло – газ, який виконує роботу в процесі свого розширення.

(Пара, яка, розширюючись, піднімає кришку.)

 

Нагрівник – пристрій, від якого робоче тіло одержує певну кількість теплоти.  (Газовий пальник.)

 

Холодильник – об'єкт, якому робоче тіло віддає певну кількість теплоти.

(Водяна пара періодично віддає частину енергії довкіллю.)

 

Принцип дії теплових машин:

Робоче тіло одержує певну кількість теплоти (Q₁) від нагрівника, ця теплота частково перетворюється на механічну енергію (робоче тіло виконує роботу A), а частково (Q₂) передається холодильнику.

 

Тепловий двигун — це машина, яка працює циклічно й перетворює енергію палива на механічну роботу.

 

Знайомимось з видами теплових двигунів.

Парова турбіна.

Принцип - енергія, яка виділяється під час згоряння палива, йде на утворення водяної пари та її нагрівання, а вже потім нагріта пара, розширюючись, виконує механічну роботу.

Використання - Парові турбіни широко використовують на електростанціях, де механічна енергія обертання турбіни перетворюється на електричну. На транспорті парові турбіни не набули широкого застосування в основному через великі габарити.

 

Реактивні двигуни.

Основний недолік— відносно низька економічність. Реакти́вний двигу́н — двигун-рушій, що створює реактивний рух внаслідок швидкого витікання робочого тіла із сопла, найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалювання палива у камерах згоряння.

 

Тепловий двигун внутрішнього згорання.

До теплового двигуна з зовнішнім згорянням палива належать парові машини і парові турбіни, до теплового двигуна з внутрішнім згорянням - двигуни внутрішнього згоряння, газові турбіни і реактивні двигуни.

 

Будовою та принципом дії двигуна внутрішнього згорання.

 

 

Група «Історики» знайомить учнів з історією виникнення теплових двигунів.

Більше ніж дві тисячі років тому, в ІІІ ст. до н.е., видатний грецький математик і механік Архімед побудував гармату, що стріляла за допомогою пари. Малюнок гармати Архімеда та її опис були знайдені через вісімнадцять століть у рукописах великого італійського вченого, інженера та художника Леонардо да Вінчі.

Як же стріляла ця гармата? Один кінець ствола сильно нагрівали на вогні. Потім у нагріту частину ствола наливали воду. Вода миттєво випаровувалася й перетворювалася на пару. Пара, розширюючись, із силою викидала ядро.

Приблизно через триста років в Олександрії видатний учений Герон винайшов прилад, у якому внутрішня енергія пари перетворювалася в механічну енергію обертання кулі. Геронова куля – це прообраз реактивних двигунів.

У рукописах Леонардо да Вінчі виявили кілька малюнків із зображенням циліндра й поршня. Під поршнем у циліндрі перебуває вода, а сам циліндр підігрівається. Леонардо да Вінчі думав, що пара, що утворилася в результаті нагрівання, розширюючись і збільшуючись в об’ємі, буде шукати вихід і штовхати поршень нагору. Під час свого руху поршень міг би виконувати корисну роботу.

Д. Бранка описав двигун, у якому використовувалася енергія пари в іншому виді. Це було колесо з лопатями, у яке із силою вдаряв струмінь пари, завдяки чому колесо починало обертатися. Власне кажучи, це була перша парова турбіна.

Над винаходом парової машини в XVII – XVIII ст. працювали Томас Севері й Томас Ньюкомен (Англія), Дені Папен (Франція), І.І. Ползунов (Росія) та ін.

Геніальний російський винахідник у 1763 р. створив проект першого універсального парового двигуна. Ця машина призначалася для повітродувних міхів, що нагнітають повітря в плавильні печі. Головною її особливістю було те, що робочий вал качався безперервно, без холостих пауз. Це досягалося завдяки тому, що Ползунов у своїй машині передбачив замість одного циліндра, як це було в машині Ньюкомена, два, що працювали почергово. Робочий хід здійснювався за рахунок роботи пари в циліндрі.

Творцем універсального парового двигуна став англійський механік Джеймс Уатт. Він удосконалив машину Ньюкомена, винайшов конденсатор, висунув ідею застосування розширеної пари в циліндрі. Двигун внутрішнього згорання з’явився в середині ХІХ ст.

Перша парова турбіна, що здобула практичного застосування, була виготовлена шведським інженером Густавом Лавалем в 1889 році.

 

Група «Теоретики» розповідає про забруднення навколишнього середовища та вплив на людський організм.

Справжні зрушення в біосферних процесах почалися у XXст. У результаті чергової промислової революції. Бурхливий розвиток енергетики, машинобудування, хімії, транспорту призвів до того, що людська діяльність зробилася порівнянною за масштабами з природними енергетичними й матеріальними процесами, що відбуваються в біосфері.

На всіх основних видах  сучасного транспорту переважно використовуються теплові двигуни внутрішнього згорання. Що працюють на рідкому паливі.

Без  паливних двигунів сучасну цивілізацію  просто неможливо уявити. Якщо б їх не було, ми б не мали удосталь дешевої електроенергії  й були позбавлені всіх видів швидкісного транспорту. Але всі вони дуже шкідливі!

Отже, виділено дві основні проблеми, пов’язані із застосуванням теплових двигунів: теплові електростанції й автотранспорт.

Збільшення кількості автомобілів подібне до вибуху. Через те, що більшість автомобілів  використовують двигуни внутрішнтого згорання, що  працюють на бензині або дизельному паливі, забруднення навколишнього середовища  перетворилося в серйозну проблему.

У продуктах згорання міститься до 60 різних хімічних сполук. Основну частину в них становлять вуглекислий газ СО₂ і чадний газ СО, окиси азоту NO, різні вуглеводні, отруйні сполуки свинцю, у всіх рідких паливах міститься сірка. Кислотні дощі, спричинені передусім діоксином сірки й оксидом азоту, завдають величезної шкоди біоценозам. Установлено, що хвойні породи страждають від кислотних дощів більшою мірою,  ніж широколисті.

 

Можна виділити кілька напрямків шкідливої дії автотранспорту на навколишнє середовище.

1. Токсичне забруднення атмосферного повітря.
2. Пилове забруднення атмосферного повітря.
3. Токсичні забруднення ґрунту від зливу палива та мийних рідин.
4. Акустичне забруднення навколишнього середовища: вплив на психіку людей призводить до швидкої утоми, поганого самопочуття; знижує продуктивність сільськогосподарських тварин.

Вплив на організм людини здійснюють шкідливі викиди, що утворюються в результаті роботи теплових двигунів.У викиді звичайно міститься цілий ряд речовин. Сполука викиду визначається характером виробництва і його технологій. Діоксид вуглецю має наркотичну дію, подразнює шкіру і слизову оболонку.

Оксид вуглецю під час вдиху зв’язується з гемоглобіном крові, витісняючи з неї кисень. Висока концентрація оксиду вуглецю навіть при короткочасному впливі може викликати смерть; а його невеликі дози викликають запаморочення, головний біль, почуття утоми й уповільнену реакцію. Діоксид азоту викликає сильне подразнення слизових оболонок очей.

Альдегіди (кисневмісні похідні вуглеводнів) подразнююче діють на очі, дихальні шляхи, уражають центральну нервову систему, нирки й печінку. Якщо настає фотохімічний смог, спостерігається запалення очей, слизових оболонок носа й горла, відзначаються симптоми ядухи, загострення легеневих і нервових захворювань, бронхіальної асми.

Сірчистий газ призводить до росту онкозахворювань.  Вдихання вологого повітря, що містить діоксин сірки, особливо небезпечно для людей, що страждають на серцево-судинні захворювання.

Сполуки свинцю уражають органи й тканини організму, нервову систему, шлунково-кишковий тракт, порушують обмінні процеси, спричиняють ріст онкозахворювань.

Небезпека отруєння сполуками свинцю збільшується ще  внаслідок того, що вони, як і канцерогенні речовини, не видаляються з організму, а накопичуються в ньому, так само, як в грунті й рослинах.

 

Група «Екологи» познайомила з ефективними способами усунення забруднення навколишнього середовища.

Оскільки виробництво теплових двигунів  постійно росте у зв’язку  із швидким збільшенням населення Землі, учені й інженери працюють над  створенням більш екологічних двигунів  з мінімальним забрудненням навколишнього середовища. Дослідження проводяться за трьома  основними напрямками:

1. Удосконалювання конструкції двигуна
2. Поліпшення процесів згорання  палива
3. Пошук нового палива
4. Переведення частини автотранспортних засобів на газомоторне паливо вирішує завдання надійного забезпечення перевезень, зниження їхньої собівартості й зменшення шкідливого впливу автотранспорту на навколишнє середовище. При переведенні автотранспортних засобів на газ:

• Шкідливість викидів відпрацьованих газів, карбюраторних двигунів автомобілів зменшується на 69-73 % ;
• На 3…8 децибел або практично у два рази знижується рівень шуму від працюючих двигунів;
• Для згорання газомоторного палива у двигунах  потрібний вдвічі менший об’єм повітря,  ніж у бензині.

Природний  газ – відмінне паливо для машин через значне зменшення забруднення навколишнього середовища при його використанні. За інших рівних умов у вихлопних газах автомобілів, що працюють на газі, оксиду вуглецю меншає на 25-40%, діоксину азоту – на 25 - 30%,  а сажі – на 40-50%, ніж в автомобілів з бензинова ними двигунами.

Спирт. Це дійсно реальна зміна бензину. Але для його виробництва потрібно масове виробництво продукту, що містить цукор.

Розглядається можливість переходу на чистий водень, при згоранні якого утворюється вода.  Це дозволило б включити проблему забруднення атмосфери відпрацьованими газами. Використання водню утруднюється й тим, що в цей час недостатньо відпрацьована технологія  його одержання,  транспортування і зберігання, що призводить до великих витрат електроенергії на виробництво водню й, відповідно, його високої вартості.

Привабливою є перспектива зміни двигунів внутрішнього згорання електродвигунами.

Електромобіль ідеальний для міста. Він не токсичний, не забруднює повітря, не потребує запасу палива й води,  не вогненебезпечний, не спричиняє багато шуму, легко керується, має гарну тягову характеристику. Однак має він і недоліки, які перешкоджають швидкому поширенню електромобіля. Головні труднощі полягають у тому, що електродвигуни працюють у результаті дії первинних двигунів й є двигунами вторинними.

Щоб повітря промисловими районами й містами зробилося чистим, на фабриках і заводах встановлюють очисні пристрої, які обробляють димові відходи перед їх випуском у повітря.

1. Якщо кожен водій в сім’ї не проїде 8 км, то це забезпечить кисень одному члену родини на цілі сутки.

Один із засобів запобігти забрудненню атмосфери вихлопами бензинових

двигунів – перехід на електричну тягу. До недавнього часу електромобілі були

тихохідні, а заряду батарей їм вистачало лише на коротку відстань. Але

нещодавно компанія «Джененрал Моторе» випустила електромобіль «Імпект».

Це автомобіль обтічної форми з двома потужними електродвигунами, по

одному на кожне переднє колесо. Він розганяється від 0 до 100 км/год за 8 с, як

спортивний автомобіль, і розвиває швидкість до 160 км/год. Його акумулятори

заряджаються від електростанцій, що спалюють паливо. Виходить, що хоча

сама машина і не викидає шкідливих газів, але це робить електростанція. Але

електродвигуни можна заряджати вночі, використовуючи залишки

електроенергії.

У майбутньому автомобілі, можливо, перейдуть на сонячну енергію і зовсім

перестануть забруднювати атмосферу шкідливими газами. «Санрейсер»

(«Сонячний автомобіль»)фірми «Дженерал Моторе» брав участь у змаганнях

подібних машин в Австралії.Сонячні панелі на даху«Санрейсера» дають електричну енергію. В електродвигуні машини знаходиться спеціальний магніт. «Сонцемобіль» має дуже незвичайну форму. Вона  дозволяє максимально

покращити його аеродинамічні властивості. Змагання проводилися на трасі

довжиною в 3138 км між Дарвіном і Аделаїдою. Першим на фініші був

«Санрейсер». Перехід на електромобілі затримується внаслідок малої ємності і

великої маси акумуляторів, «сонячні» ж автомобілі ще занадто дорогі, ще довго

вдосконалюватимуться.

 

Розв’язати задачу.

Учениця  виконала домашню експериментально-розрахункову  задачу на обчислення економії сім’єю   кількості спожитого природного газу тільки, під час чає пиття.

«Моя сім’я складається з чотирьох осіб.  Кожного дня  ми  три рази п’ємо чай  щоразу киплячи   2л води, а випиваємо тільки 1 л! Отже ми кип’ятили 1л даремно? Яка буде економія  коли ми не будемо витрачати зайву енергію газу? Я взяла і визначила скільки  м³ газу необхідно щоб закип’ятити 1л і 2л води. Для цього помітила покази лічильника до і після кип’ятіння. Потім знайшла різницю.

 

Дано: m1=1кг m2=2кг t1=250С t2=1000 С ΔV1=0.028м3 ΔV2=0.054м3	За один раз чає пиття економія така 0.054м3- 0.028м3=0.026м3 За один день  0.026м3  х 3 =0.078м3. За рік 0.078м3 х 365=28.47м3 . За рік у гривнях при середньому тарифі 1 грн за 1м3 наша сім’я може зекономити 1грн  х 28.47м3=28.47 грн. Економія на одну людину 28.47грн / 4=7.1грн. Якщо в країні 45000000 осіб то економія в межах країни буде 45000000 х 7.1грн=319 500 000 грн. Врахувавши що половина жителів може користуватися          електроенергією маємо кінцеву відповідь 159 750 000 грн, що
Економія-?

 

Відповідь: під час правильного використання енергії можна зекономити в Україні за рік 159 750 000грн. Прошу усіх присутніх задуматися над цими цифрами. Майбутнє Землі в наших руках.    Я вношу такі пропозиції щодо економії газу:

 

1. Підтримувати необхідний температурний режим(+18⁰С) в будинках.
2. Не нагрівати і не кип’ятити воду в кількості більш,ніж необхідно.
3. Використовувати по можливості посуду мінімального об’єму. Розташовувати її над центром конфорки.
4. Закривати посуд кришками під час приготування страви. Це зекономить 15 відсотків газу.
5. Регулювати газ до мінімального розміру після закипання води в посуді. При наявності конфорок різної потужності, велику використовувати в необхідних випадках.
6. Після приготування страви виключати газову плиту. Вчасно очищати стіл газової плити, конфорки і посуд від забруднення.
7. Попереджувати створення осадку на чайнику.
8. Берегти тепло в будинку.
9. Не перегрівати воду в проточних газових водонагрівачах.
10. Прати білизну в оптимальній кількості гарячої води.
11. Не заповнювати ванну гарячою водою, в кількості більше ніж необхідно.

Пам’ятай! Економне використання газу підвищує надійність газопостачання і економить ваші гроші та здоров’я.

 

Рефлексія.

Притча.

Троє чоловіків виконували одну й ту ж саму роботу. По закінченні якої їм поставили одне й те саме питання «Як Вам працювалось?»

Перший робітник сказав, що камені тягав.

Йому працювалось дуже важко.

Другий робітник  сказав, що заробляв собі на прожиття.

Він працював в міру своїх сил.

Третій  робітник сказав ,що будував храм.

Йому працювалось легко.

 

Проаналізуйте свою працю на уроці і скажіть як працювалось вам?

 

Сьогодні  на  уроці  я

познайомився з…

дізнався що ...

зрозумів як ...

Мені особливо сподобалось ...

Сьогодні не вдалося...

На наступному уроці ми будемо…

 

Домашнє завдання: прочитати та осмислити § 16  Вправа № 16 (1, 3)

 

Творче завдання:

Написати есе – «Вода – паливо майбутнього»
 

Заключне слово вчителя

Зараз багато говорять про використання відновлювальних видів енергії. Це енергія сонця, вітру, морів і океанів, річок, термальних вод, теплових течій в океанах. Ця енергія чиста, вона не отруює середовище. Але потрібні принципово нові технології, способи її використання. І ці способи доведеться шукати вам, хто сидить сьогодні за шкільною партою.

 

Вдумайтесь у слова американського метеоролога  Баттана, які він написав у книзі: «Забруднене небо»:

«Цивілізацію чекає одне з двох: або люди зроблять так, що в повітрі стане менше диму, або дим зробить так, що на Землі стане менше людей»