Теплові двигуни. Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна

Урок фізики 8 клас

ТЕМА: Теплові двигуни. Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна.

МЕТА: Формувати компетентності:

предметна:

знаннєва складова: ознайомитися із поняттями і термінами: тепловий двигун; коефіцієнт корисної дії теплового двигуна;

діяльнісна складова: навчитися описувати принцип дії теплового двигуна, вміти розрізняти різні види двигунів;

ціннісна складова: вміти обґрунтувати вибір двигуна транспорту, розуміти шкоду для екології;

ключові:

спілкування державною мовою (налагоджувати комунікації у процесі вирішення навчальних завдань, готувати і представляти повідомлення, презентувати результати проектної діяльності, спілкуватися за проблематикою предмета сучасною науковою мовою з використанням усталених астрономічних термінів і понять);

спілкування іноземними мовами (користуватися іншомовними джерелами як додатковими під час виконання навчальних завдань);

основні компетентності у природничих науках і технологіях (планувати та реалізовувати фізичні спостереження, фіксувати та опрацьовувати й правильно інтерпретувати та оцінювати їх результати);

інформаційно-цифрова компетентність (визначати можливі джерела інформації, добирати потрібну інформацію, оцінювати, аналізувати); уміння вчитися впродовж життя (визначати цілі навчальної діяльності в короткотерміновому та довготерміновому періодах, виконувати самостійний пошук інформації з використанням різних видів джерел);

соціальна та громадянська компетентності (усвідомлювати пріоритетність загальнолюдських цінностей та соціальних інтересів при вирішенні наукових та технологічних проблем, дотримуватися принципів демократичності та відповідальності під час роботи в групі, критично оцінювати власні досягнення).

ОБЛАДНАННЯ: комп’ютер, проектор, мультимедійна дошка, модель парової турбіни, модель двигуна внутрішнього згоряння.

ТИП УРОКУ: урок формування компетентностей.

ХІД УРОКУ

І. МОТИВАЦІЙНИЙ ЕТАП

ВЧИТЕЛЬ: Сьогодні автомобіль - це, швидше необхідність, ніж розкіш. А що ж можна назвати автомобілем? Колісниця - це не автомобіль, оскільки екіпаж тягне кінь. А якщо коня поставити на шасі й змусити через трансмісію надавати руху колесам, то чи буде тоді колісниця автомобілем? Багато хто вважає, що так. Автомобілем можна вважати такий екіпаж, який їде за допомогою ведучих коліс, має двигун, привод від двигуна до ведучих коліс і змінює напрям руху маніпуляцією з колесами. Сьогодні ми допоможемо розібратися замовнику. Йому потрібно вдосконалити свій винахід, а саме двигун машини.

ІІ. ЕТАП ВИВЧЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ І СПОСОБІВ ДІЯЛЬНОСТІ

ЗАМОВНИК: Добрий день, дорогі мої вчені та механіки. Я зібрала вас для того, щоб ви допомогли вдосконалити винахід, а саме двигун машини, яка може рухатися зі швидкістю 320 км/год і, навіть, більше.

МЕХАНІК 1: Дуже цікаво, але який саме буде двигун у цьому винаході?

ЗАМОВНИК: А є різновиди двигунів?

МЕХАНІК 2: Звичайно. Бувають два види двигунів – бензинові і дизельні. У перших займання палива відбувається від електричної іскри і називається примусовим, у других – від стискання паливо-повітряної суміші, внаслідок чого вона дуже сильно нагрівається і вибухає.

АНАЛІТИК 1: На сьогодні наймасовішими двигунами для автомобілів є  чотиритактні автомобільні двигуни, які працюють за циклом Отто (на честь німецького винахідника, який у 1876 році першим створив чотиритактний двигун внутрішнього згоряння).

МЕХАНІК 3: так, будь-який автомобільний двигун внутрішнього згоряння призначений для того, щоб змусити автомобіль рухатися. Принцип роботи такого двигуна полягає в перетворенні енергії, яка виділяється при згорянні палива в певну рушійну силу, тобто перетворення теплової енергії в кінетичну. Як саме відбувається цей процес залежить від конструкції двигуна, а вони можуть бути різними, так само, як і види автомобільних двигунів. У загальному, можна виділити два види автомобільних двигунів: поршневі, в яких весь робочий процес відбувається в циліндрах і безпоршневі, наприклад, газотурбінні.

АНАЛІТИК2: На переважній більшості сучасних автомобілів встановлені

саме поршневі двигуни.

МЕХАНІК 4: Автомобільні двигуни мають досить складну будову. Вони складаються з різних механізмів і систем: кривошипно-шатунного механізму, механізму газорозподілу, системи охолодження, системи мащення, системи живлення, а в бензинових двигунах ще й і системи запалювання. Принцип роботи чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння. Такти: впуск, стиснення, робочий хід, випуск.

АНАЛІТИК 3: Разом із електричним двигуном, двигун внутрішнього згоряння є одним із найпоширеніших типів двигунів. Найчастіше він використовується у транспортних засобах. ККД 10-42 %. Тому і радила б використовувати саме його.

ЕКОЛОГ 1: Це все так чудово, але проблема забруднення навколишнього середовища дуже актуальна в даний час, оскільки від її вирішення залежить життя на Землі, здоров’я і добробут людини. Вона загострилася у ХХ столітті через інтенсивний розвиток промисловості і транспорту. Автомобільний транспорт у процесі діяльності викидає в атмосферу оксид вуглецю, оксиди азоту, бензол та багато шкідливих речовин. Також, одним із чинників впливу автотранспорту на стан навколишнього середовища є тривалість його експлуатації, перевірка технічного стану та регулювальних параметрів двигунів внутрішнього згоряння. Токсичні викиди в атмосферу від автомобілів тільки в перші три роки можна підтримувати рівень викидів, гарантований підприємством-виробником. У процесі експлуатації поточні несправності і порушення регулювань призводять до погіршення показників токсичних викидів.

АНАЛІТИК 4: Отже, щоб мінімізувати вплив автотранспорту на стан довкілля, достатньо відповідального ставлення кожного власника автотранспорту до технічного стану свого авто та використання екологічно чистих видів палива, таких як скраплений нафтовий газ і стислий природній газ?

ЕКОЛОГ 2: Все вірно. Крім того, слід зазначити, що заміна традиційних рідких видів палива газом має як екологічний зиск, так і економічний, адже ціни на газове паливо значно нижчі, ніж на бензин чи дизельне паливо.

ЗАМОВНИК: А як паливо вплине на роботу двигуна?

МЕХАНІК 1: Кожний двигун має таку характеристику, яка називається коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна - це відношення виконаної корисної роботи двигуна до енергії, отриманої від нагрівача. Тому різне паливо буде давати на виході різну кількість енергії.

АНАЛІТИК 1: Поршнева парова машина: робочим тілом є пара, ККД - 7-15%. Парова турбіна: робочим тілом є пара, ККД - 20-25%. Дизель: робочим тілом є продукти згоряння палива, ККД - 30-39%. Карбюраторний двигун: робочим тілом є продукти згоряння палива, ККД - 18-24%.

ЗАМОВНИК: А як можна збільшити ККд теплових двигунів?

АНАЛІТИК 2: До найпопулярніших теплових двигунів належать газова турбіна і двигун внутрішнього згоряння. Щоб підвищити ККД турбіни, потрібно збільшити температуру нагрівача і зменшити температуру холодильника. Для цього треба знайти такий кут нахилу лопастей турбіни, при якому найбільша частина енергії газу буде передаватися їм, перетворюючись у механічну. Тоді температура у холодильнику знизиться. На практиці зробити це досить складно, цю проблему вирішують кращі технічні інститути.

ЗАМОВНИК: Із цього виходить, що чим більше ККД двигуна, тим більша його продуктивність, а значить і рух?

АНАЛІТИК 3: Цілком правильно. Наприклад, експерти прийшли до висновку, що найвищим ККД володіє електродвигун. Для “зеленого” приводу він становить до 99%, а це означає, що 99% електричної енергії, що генерується, перетворюється в кінетичну енергію руху. До того ж, зростання продажів і вдосконалення моделей дозволяють виключити існуючі недоліки електрокарів, роблячи ці машини бездоганними за експлуатаційними характеристиками, динамічними і швидкісними властивостями. Завдяки цим перевагам, вони незабаром повністю замінять бензинові авто.

ЕКОЛОГ 3: У мене теж більшість плюсів за електроавтомобіль. Він має малу вагу, довговічний і простий в обслуговуванні, економічний, має високий ККД, є підзарядка при зниженні швидкості, двигун фактично не виробляє звук, а основне, - екологічний. Відсутність вихлопів дозволяє ефективно знизити негативний вплив на навколишнє середовище і природу. Це стало однією з основних причин, через яку даний вид двигунів став дуже популярним у всьому світі.

ЗАМОВНИК: Отже, вирішили, у винаході буде електродвигун. Дякую всім.

ІІІ. ЕТАП ПЕРВИННОЇ ПЕРЕВІРКИ РОЗУМІННЯ ВИВЧЕНОГО

ВЧИТЕЛЬ: У 1877 році Н. Отто розробив чотиритактний цикл дії двигунів: усмоктування, стискання, розширення, вихлоп, за якими працює більшість двигунів і сьогодні. Застосування двигунів внутрішнього згоряння на транспорті могло бути тільки при рідкому паливі, яке можна компактно зберігати в баках. Найзручнішим став бензин - він легко випаровується в повітрі та утворює горючі суміші. Однак, бензинові двигуни мають низький ККД, який принципово не можна було підвищити. Коли починали підвищувати ступінь стискання, суміш парів бензину з повітрям не витримувала нагрівання і вибухала зовсім не тоді, коли їй належало. Так не відбувається у дизельних двигунах. Однак, на сьогоднішній день, електрокари мають набагато більше переваг над транспортом із двигунами внутрішнього згоряння.

ІV. ЕТАП ЗАСТОСУВАННЯ ВИВЧЕНОГО

Учні виконують вправу з підручника

V. ЕТАП ІНФОРМАЦІЇ ПРО ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Отож, домашнє завдання у вас буде творче: написати есе про користь чи шкоду двигунів внутрішнього згоряння.

VІ. РЕФЛЕКСІЯ

Діти висловлюються щодо вивченого;

✔ на уроці я дізнався… зрозумів… навчився;

✔ найбільший мій успіх – це…

✔ найбільші труднощі я відчув…

✔ я не вмів, а тепер вмію…

✔ я змінив своє ставлення до…

✔ на наступному уроці я хочу…