Урок - журнал на тему:" Науковий принцип дії теплових двигунів. Екологічні проблеми використання теплових двигунів.

Урок - журнал на тему: Науковий принцип дії теплових двигунів. Екологічні проблеми використання теплових двигунів.

Мета: Усвідомити фізичні принципи роботи теплових двигунів, розвивати мислення учнів, сприяти економічному вихованню учнів. Розширити уявлення учнів про шляхи підвищення ККД двигунів. Сформувати поняття коефіцієнт корисної дії, ідеальна машина.

Обладнання: модель двигуна внутрішнього згорання, таблиця    

“Двигун внутрішнього згорання”, графіки.

Хід уроку.

1.        Організація навчальної роботи учнів. Підготовка класу до уроку.
2.        Звучить музика “Я люблю свою машину...” Кожен з вас слухаючи музику уявив себе за кермом власного автомобіля, читаючи сучасний журнал про автомобілі “Мотор”.

У нас сьогодні теж в гостях - журнал, але не простий, а підготовлений самими учнями. На його сторінках ви познайомитесь з науковим принципом дії теплових двигунів.

Отже перегорнемо сторінку першу:слово журналістам-   історикам

З кожним роком кількість автомобілів збільшується, вони урізноманітнюються, кожен автомобіль серед інших знайде свій улюблений. Але скажіть, що є серцем кожного автомобіля—двигун.

Розглянемо принцип дії перших двигунів, коротко про історію створення.

Смілива думка приводити в рух механізми, зародилась дуже давно. Ще в другому столітті до н. е. Старогрецький вчений Герон Александрівський створив модель парової машини, яка б могла прообразом сучасно парової турбіни. Проте винахід Герона не знайшов застосування, залишився простою іграшкою. Пройшло 15 ст. Під час нового розквіту науки і техніки, культури великий італійський вчений інженер та художник Леонардо да Вінчі задумується над тим , як використати внутрішню енергію пари. В його рукописах ми знайомимось з зображенням циліндра і поршня. Проходить ще Іоо з лишнім років і Джованні Бранка уявив собі двигун у якому використовує енергію пери. Це колесо з лопастями, в яку вдаряє струмінь пари, тоді колесо обертається. Це було прообразом теплової турбіни.

В період бурхливого розвитку текстильно і металургійної промисловості в 18 столітті виникають теплові двигуни (в 1712 році ) англійські винахідники Ньюкомен і Коулі побудували двигун. В 1765 році в Росії був створений Ползуновий перший паровий двигун, в 1784 році в Англії Уатт патент на універсальний паровий двигун, впровадження якого стало вирішальним для всього транспорту.

Двигуна внутрішнього згорання винайдено порівняно недавно. Перший такий двигун побудував француз Етич Лучуар. В 1860 році ще 416 винаходів претендувати на патент. Але патент на перший авто двигун. Видали в 1885-86 роках німецькими механіками Готліву Даймлеру і Карлу Бенцу, які винайшли перші бензинові двигуни внутрішнього згорання, їх стали використовувати перших автомобілях. Цікаво, що при житті ці винахідники не були знайомі, але створенні ними фірми 20-х, змінились в відому ними компанію „Даймер-Бенц”.

Яка і нині випускає відомі машини „Мерседес-Бенц”. А в Росії проект бензинового двигуна створив капітан морського флоту Агнеслав Степанович Костович. На початку 1880 року цей проект був офіційно випробуваний щойно створеним  російським винахідником за участю таких видатних, як Д.І. Менделєєв, адмірал М.Н.Соковник, ККД двигуна Костовича - 20-22%

Друга сторінка слово  молодим вченим

Робота двигуна внутрішнього згорання .

Що таке двигун: тепловий двигун - це пристрій, що перетворює внутрішню енергію робочого тіла в механічну, (роглядають картки)

ДВЗ - двигун, якому хімічна енергія палива що згорає в циліндрі перетворюється в механічну роботу. Всі двигуни ВЗ з точки зору здійснюваного в них робочого циклу можуть бути розділені на три типи:

• двигуни 4 тактні, циклу Отто (карбюраторні).
• Двигуни дизеля
• Двигуни з циклом Тренклера.

Коли згорання проходить при сталому об’єкті, то замкнутий цикл роботи цикл Отто (відкритий в 1876 році). Згорання при сталому тиску і температурі (в 1897році)Цикл змішаний, змішаного горіння, цикл Тренклера (1904) спочатку при сталому об’ємі, а потім при сталому тиску. Працюють двигуни швидкохідних автомобілів з високим тиском.Найпростіший двигун можна продемонструвати на паперовій вертушці, яка крутиться від дії тепла руки людини .Розлянем принцип роботи теплової машини ( по схемі).

Розлянем модель двигуна внутрішнього згорання (демонстрація).

Перший такт - іде засмоктування пального, другий такт - стискання, в кінці стискання за допомогою електричної іскри запалюється пальне, тиск трибком підвищується, починається третій такт - робочий хід. В кінці його відкривається випускний клапан тиск різко зменшується і т.д. тиском трохи збільшим ніж атмосферний відпрацьовані гази виштовхуються в навколишнє середовище. Відбувається четвертий такт - вихлоп. Цикл завершено - починається новий. (Демонструє на моделі.)

Екологічність двигуна внутрішнього згорання залежить від ступеня стиску робочої суміші в циліндрі перед її самозайманням. Однак карбюраторних двигунах пальну суміш можна стискати лише до певної межи, так, як стиск супроводжується сильним нагріванням. При тиску 6 *10⁵ Па. Температура 380-400°С. При цій температурі нафта, бензин легко самозаймається (детонація) може привести до вибуху.

Без детонаційним двигуном є дизельний двигун. Без детонаційне згорання

палива вдало здійснене німецьким інженером Рудольфом Дизелем в 1897 році. Дизелі  тиск 1,5*10⁶ - 3,5*10⁶ Па зазнає не пальне, а повітря, при цьому його температура  піднімається до 500 - 700° С . До значення достатнього для самозапалення будь якого  рідкого пального .Тому в дизелі немає ні свічки, ні струму . Потім у стиснуте і   розжарене повітря впорскується за допомогою паливного насосу і форсунки дизельне  паливо (гаряча рідка суміш з нафти і солярки ).Воно загоряється і горить значно довше бензин (без вибуху) .Утворення газу тиснуть розширюють на поршень,  виконуючи корисну роботу під час всього руху поршня вниз.Визначним ККД теплового двигуна. Робота з картками :

ККД= (A/ Q ) *100% =( (Q1 – Q2)/ Q1)* 100%

 

ККД= ((Т1-Т2)/ Т1)* 100%

 

У різних двигунів і парових машин ний ККД. У дизелі він біля 40%,він вищий,

ніж у ДВЗ так, як робоче тіло газ стискується до більш високого тиску.

Третя сторінка  Різні типи двигунів  слово  інженерам

Порівняємо діаграми дизельного і карбюраторного двигунів. Хоч 4 такти двигунів однакові усіх типів, впуск, стиск, робочий хід, випуск, діаграми в них різні. Тому, що різні фізичні процеси. Процес збільшення тиску (пояснити на діаграмі) УДВЗ іде у два етапи адіабата ВС, ізобара СД, а у дизелях в один етап тиск більше різко зростає по ізотермі БС і різні процеси розширення. У ДВЗ по діабаті ДЕ він здійснюється, ніж в ДВЗ. (3,5*10^б-4*10⁶Па - в дизелях, 5* 10⁵-9*10⁵Па - в ДВЗ).

Потужність ДВЗ визначаться тиском, об’ємом циліндра, частотою обертання колін вала і числом тактів в роботі двигуна за один цикл. Проаналізувавши це може сказати, що потужність збільшується переходячи до двох тактного двигуна. При рівній потужності і однаковому числу обертів 2х такт ний двигун має менші габарити масу ніж 4х тактні. Хід його більш рівномірний. Вони використовуються на мотоциклах, для них головне простота конструкції, мала маса, а не економічність.

Слід сказати, що дизелі працюють на пальному, яке дешевше бензину. Найбільш застосовуються масло солярне у швидкохідних дизелях, а суміш мазуту і солярки в тихохідних. Перевага дизелів висока економічність, більший ККД - 44-50%. УДВЗ - 25-30%. Вал у дизеля обертається з частотою від 100 до 3 000 обертів за хвилину.

А для ДВЗ використовується бензин різних марок - це суміш складна з легких вуглеводів і застосовується головним чином у двигунах з іскровим запаленням. А дизельне пальне - це середній і важкий фракцій перегонки нафти, утворюються з неї шляхом википання при температурах 270-240°С. Пальне для дизелів у стаціонарному стані суміш з мазутів розбавлених газойлевими фракціями.

Четверта    сторінка   Це ви зможете!  Подумай. Розв’яжи.

    
Задача 1 Яку частину кількості тепла від нагрівника за 1 цикл роботи ідеальної теплової машини газ віддає холодильнику, коли абсолютна температура нагрівника в 4 рази більша абсолютної температури холодильника?   

 

 

 

 

 

 

 

 

      Задача 2   Потужність двигуна автомобіля 50кВт.Визначте витрату бензину за 1 год, коли ККД 25%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3   Який ККД тракторного двигуна, коли витрати дизельного палива 216г 1 кВт год.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 4   Температура холодильника 20°С, нагрівника 150° С. Від нагрівника взято 1,0*10⁵ кДж тепла. Яка робота виконана машиною?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 5   Ідеальна теплова машина, що працює за циклом Карно стримує від нагрівника за кожен цикл 2500 Дж. Температура нагрівника 400 К, холодильника З00К.Яку механічну роботу виконує дана машина за один цикл та яка кількість теплоти при цьому віддається холодильнику? Визначте ККД?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П’ята сторінка     Двигун майбутнього  слово  молодим вченим

Робота по створенню двигунів майбутнього сконцентрована на теоретичній розробці , таких проблем: збільшення витрату пального надійності, економічності, екологічної чистоти в двигуні.

Збільшення потужності тягне за собою масу проблем: збільшення витрату пального, зниження надійності ускладнення конструкцій підвищення термо і вібро навантаження.

Створюються двигуни з газовим пальним. Має переваги продовжений строк служби на 40% свічок запалювання, в 4 рази моторних масел, в 2-10 разів зменшується викид в атмосферу шкідливих речовин. Недоліки: необхідність стиску газу до 200-250 атмосфер, вимагає додаткового компресора, зберігання декількох балонів із стисненим газом.

Вже понад 10 років використовують внутрішню енергію водню в автомобілебудуванні. Автомашини РАФ і „Волга” працюють на експериментальних водневих двигунах. Водневі двигуни екологічно чисті, але водень важко добувати старим способом, важко транспортувати, перші двигуни іноді вибухали.

Хіміки працюють над створенням нових каталітичних нейтралізаторів, які змішуються з пальним, значно зменшують викиди.

В московському фізико-технічному інституті створено І технологічну лінію для виготовлення бензино-водневої емульсії(10-15% води, 85-90% бензину ). Викиди в два рази менше містять оксиду вуглецю, на 20% менше оксидів азоту.

Ведуть пошуки замінювачі бензину. В США випробовують суміші етилового і метилового спиртів, спиртів з бензином.

Двигуну майбутнього відмовляється від важкого металу і стануть керамічними, вже створені двигуни з різних композиційних матеріалів.

 

Та Токсичні відходи деяких галузей промисловості
Відходи	Шкідливі речовини відходів
Машинобудування
Осад хромістщх стоків	Хром
Осад ціанистих стоків	Ціан
Стрижневі суміші на органічному в’яжучому	Хром
Осад після вакуум-фільтрів станцій нейт­ралізації гальванічних цехів	Цинк, хром, нікель, кадмій, свинець, мідь, хлорофос
Кольорова металургія
Відходи збагачення та шлами	Солі важких металів
Медична промисловість
Відходи виробництва синтоміцину	Бром, двохлоретан, метанол
Нафтопереробна і нафтохімічна промисловість
Відпрацьована глина	Масла
Відпрацьовані каталізатори	Хром
Відходи процесу фільтрації	Цинк
Алюмосилікатний адсорбент від очищення масла, парафіну	Хром, кобальт
Хімічна промисловість
•Шлами лакофарбового виробництва	Цинк, магній
Відходи виробництва гіпосульфіту, суль­фату безводного	Фенол
Відходи магнітного лаку, колодію, фарб	Двохлоретан, метанол, толуор
Відпрацьовані масла цеху азотного вироб­ництва	Канцерогенні речовини
Цинкові відходи содової промисловості	Цинк
Відходи фільтрації капролактаму	Капролактам
Графітовий шлам	Ртуть

 

 

 

Шоста сторінка „Екологічна” слово  вченим -  екологам

Звучить музика „Місячна соната” Бетховена Слово учителя

З кожним днем, кожним роком машини, двигуни забирають у людей часточку кисню. А для його поповнення потрібна клопітка праця зелених друзів - лісів.

При роботі теплових машин кожного для спалюємо 33 млн. Тон вугілля, разом з попелом розсіюється до 220 тис. тон урану і 280 тис. т миш’яку , в той час як весь світ виробляє для своїх потреб 30 і 40 тис. тон за рік.

Виступи учнів

Парові турбіни щоб виробити 1 кВт год. електроенергії викидають в атмосферу 2 кВт години теплової енергії, а це веде до потепління клімату на землі, так в штаті Арізона, в районі де скупчено до десяти великих ТЕС постійно підвищується хмарність, знижується сонячна освітленість, випадають дощі, а в зимовий час - ожеледь, ожеледиця, мокрий сніг з дощем, іній, ми бачимо ознаки парникового ефекту, а створення теплових електростанцій, конденсаційних закритого типу, одиничною потужністю 4-6млн. кВт знизить собі вартість на 4-10 % електроенергії. Утворення великих ТЕЦ створює умови повного використання тепло енергії для теплопостачання міст і сіл, господарств. На кожній ТЕЦ і ДРЕС стоять засоби контролю за станом атмосфери.

 

Одночасно карбюраторний двигун автомобіля несамовито «з’їдає» кисень. Так, потреба такого двигуна в кисні у 2,5 рази перевищує до­бову потребу однієї людини, яка приблизно становить 1 кілограм. В середньому за рік легковий автомобіль використовує приблизно 4,5 тонни кисню.

Автотранспорт стає головним джерелом викидів вуглецю у бага­тьох індустріальних країнах. У світі частка викидів вуглекислого газу, спричинена транспортом, підскочила від 17 відсотків у 1971 р. до 23 відсотків у 1997 р. Цей стрибок зумовлений дорожнім рухом: якщо у 1990 р. частка автотранспорту у світових викидах вуглекислого газу (СО2) всім транспортним сектором становила 58 відсотків, то у 1997 р. вже 73 відсотки.

Втрати довкілля від авіасполучень також привертають до себе де­далі більшу увагу. За витратами палива літаки можуть бути особливо неефективні на* коротких відстанях. Вони є основним джерелом вики­дів парникових газів, які потрапляють безпосередньо у верхні шари ат­мосфери. Вчені помітили, що такі викиди більше сприяють потеплін­ню, ніж якщо б вони викидалися на поверхні землі. Деякі дослідники виявили зростання кількості пернистих хмар, пов’язаних з «хврстами» конденсатів за літаками, що може вплинути на кліматичний режим. Ре­активні літаки викидають не лише СО2, а й водяну пару, окисли азоту, сажу і сульфати та відповідають приблизно за 3,5 відсотків глобальних викидів парникових газів. Вчені Міжурядової групи з питань зміни клімату встановили, що ця частка може збільшитися у 4 рази протягом 50 років, навіть якщо відбудуться суттєві зрушення в ефективності використання пального.

У містах, поряд з автотранспортом, використовуються будівельно- дорожні і будівельні машини та механізми, які відзначаються високою витратою палива і внаслідок цього, великим об’ємом викидів випуск­них газів. Так, за годину роботи бульдозера витрачається 10-12 літрів палива, скрепера - 14 літрів, екскаватора - 120-140 літрів, а трактор викидає у повітряне середовище в середньому близько 17 г сажі на 1 кг палива. За рік роботи у грунт потрапляє до 59 мкг бензаперину / кг гру­нту.

Постійно виділяють у повітряне середовище «акумуляторні гази» автомобільні акумуляторні батареї, особливо під час зарядження бата­рей. Серед цих газів: двоокис сірки, сурм’янистий і миш’яковистий во­день, вуглекислий газ, аерозоль сірчаної кислоти та ін.

 

Від стирання асфальтових та інших дорожних покриттів, а також гумових коліс з кожного кілометра дороги заввишки 10 метрів щороку виноситься у повітряне середовище близько 1 т дрібного пилу. При ни­зькій якості покриття кількість пилу у приземному шарі повітря навіть на відстані 100-150 метрів від краю досягає 20-500 мг/м³, що в 400- 1000 разів перевищує допустимі норми для даного виду забруднення.

Транспорт, і особливо автотранспорт, створюють «шумове забруд­нення» довкілля. Так, легковий автомобіль створює шум близько 70 дБ, а вантажівка - до 90 дБ. Рівень шуму на відстані 7 метрів від краю проїзної частини вулиць становить близько 80 дБ. У зв’язку з цим слід нагадати, що постійний вплив шуму силою вище 30 дБ негативно впливає на психіку людини, а при 60-90 дБ - ще й на вегетативну нер­вову систему, тобто викликає виразкову хворобу і гіпертонію.

В Україні найперспективнішим напрямком покращення експлуа­таційних і, насамперед, екологічних характеристик транспорту визнано використання спеціалізованих присадок різної функціональної дії без­посередньо до палива і мастил, введення стандартів у бензині, викори­стання бінарного палива (двокомпонентна суміш з низькооктанового бензину і пропан-бутану дозволяє знизити шкідливі викиди у 2-3 рази).

Для автотранспорту, одним із напрямків зменшення негативної дії на довкілля, є вдосконалення звичайних бензинових і дизельних авто­мобілів, тобто безпосереднє вприскування палива, електронне управ­ління, нейтралізація відпрацьованих газів та ін. систем, без яких екс­плуатацію машин у більшості розвинених країн заборонено.

 

 

Ми знаємо про вагомі переваги дизельного двигуна над   карбюраторним. Він економічніший на 20-30%. Виробництво дизпалива вимага в 2,5рази менше енергії  ніж бензин, виділяє при згоранні на 11 % більше енергії, у вихлопних газах дизеля паливо згорає майже повністю 80-90%, тому там менше шкідливих газів.На Дмитрівському заводі автомобілів (Болгарія) створено новий карбюратор „Озон”, який дає економію 10-15 % палива. Як в плине на ККД двигуна підвищення максимального тиску газу в циліндрі перед запалюванням дального? (ККД підвищується).Чи може працювати багато циліндровий двигун, коли в ньому припинити подачу пального в частину циліндрів? ( Так, може і малі навантаження на двигун - це найдоцільніший засіб, збереження високого ККД).Як цими шляхами і якими шляхами поліпшують експлуатацію двигунів.ДВЗ створений, щоб покращити життя людей, але поступово це геніальне творення перетворилось у зло, в джерело небезпеки. ДВЗ разом з автомобілем забирає у людини землю. В даний час 0,02 % сумі зайнято під автозупинки і дороги, мала рухливість водіїв при чина сердечно-судинних хвороб. А основне автомобіль забруднює навколишнє середовище внаслідок викидів газів в атмосферу. Усі види палива не згорають повністю.Гинуть зелені насадження, над містами утворюються смог - ядовитий туман, який не розсмоктується. Внаслідок розчинення викидів сірки та азоту, їх оксидів підвищується кислотність, яка вимірюється показником рН, зміна рН на один, означає, що кислотність змінилась в 10 разів. Звичайна дощова вода повинна мати кислотність рН 5,6...5,7. У деяких районах вона досягла 6,0...6,7. Гинуть молюски, види деяких риб, водорослів. На землі йдуть кислотні дощі. 30% лісів на землі уражено кислотними дощами.Дуже шкідливий шум, створений автотранспортом. Він складає 80% технічних шумів, які діють на людину. Шум впливає на нервову систему, викликає психічні захворювання, скорочує життя на 8-12 років. Деякі лікарі вважають гастрит і виразку шлунку хворобами в наслідок шуму і вібрації автомобіля. Після алкоголю і тютюну шум третій смертельний ворог людини.Тому в кожній країні є своя спеціальна служба охорони середовища. Проводиться експертиза вихлопних газів двигуна. На двигунах встановлюють фільтри опрацьовуються зразки газотурбінних, роторних і навіть парових двигунів, точне регулювання карбюраторів, глушників, перехід на використання природного газу. Ідуть пошуки нового виду палива. В багатьох країнах працюють електромобілі, електроавтобуси „ Даймлер-Бенц”.

 

 

Домашнє завдання:

Вивчити тему „Науковий принцип дії теплових двигунів”

Підготувати презентації на конкурс