Урок "Теплота згорання палива.ККД нагрівача

Теплота згорання палива. ККД нагрівача

Знання складається із дрібних крихт щоденного досвіду.                           

Д. І. Писарєв

Мета.

Освітня: ввести поняття «горіння», «питома теплота згоряння палива»; дати учням знання про джерела тепла; навчити учнів обчислювати кількість теплоти, виділену при згорянні довільної маси палива;

Розвиваюча: розвивати логічне мислення і спостережливості учнів; продовжити формування навичок роботи з таблицями даних;

Виховна: виховання наукового світогляду учнів; свідомого розуміння ролі палива в екології суспільства.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Хід уроку.

І Організаційний етап уроку

Добрий день! Сьогодні до нас на урок завітали гості, давайте повернемось, привітаємось та  посміхнемось до гостей.

Усміхніться один одному, подумки побажайте успіхів на цілий день. Для того, щоб впоратися на уроці з завданнями, будьте старанними і слухняними. Завдання наші такі:

Не просто слухати, а чути.

Не просто дивитися, а бачити.

Не просто відповідати, а міркувати.

Дружно і плідно працювати.

Епіграфом нашого уроку буде висловлювання Дмитра Івановича Писарєва: «Знання складається із дрібних крихт щоденного досвіду.»

•         Як ви розумієте ці слова?

Отже кожного уроку ми з вами дізнаємося про нову частинку фізичного розуміння навколишнього світу.

Тож налаштуємося на співпрацю, подаруємо один одному усмішку, а я бажаю кожному з вас, щоб на уроці ви були:

УВАЖНИМИ, СПОКІЙНИМИ. ПРАЦЕЛЮБНИМИ ТА ІНІЦІАТИВНИМИ.

ІІ Актуалізація опорних знань

А зараз щоб краще засвоїти матеріал нової теми згадаємо деякі вивчені питання провівши «фізичний футбол»

Вправа фізичний футбол.

1. Як називається процес переходу речовини з пари в рідину?
2. Як залежить температура тіла від швидкості руху його молекул?
3. Одну склянку з водою залишили на столі, а з іншої воду вилили на підлогу. Чому вода з підлоги випарується швидше?
4. Як змінюється температура рідини під час випаровування?
5. Як називається кількість теплоти, що необхідна для перетворення на пару 1 кг рідини за температури кипіння?
6. У якому агрегатному стані перебуває спирт за нормального атмосферного тиску й температури 100⁰С?
7. Що можна сказати про кількість теплоти, яка необхідна для утворення пари, і кількість теплоти, яка виділяється під час її конденсації?
8. Під час випаровування температура рідини знижується. Що можна сказати про середню швидкість молекул рідини, що залишились?
9. Запишіть формулу для розрахунку питомої теплоти пароутворення.
10. За яких умов відбувається випаровування?
11. У чому полягає фізичний зміст питомої теплоти пароутворення?
12. Навіщо спітнілого коня після їзди вкривають на морозі попоною?

Відповіді.

1. Конденсація.
2. Чим більша швидкість, тим вища температура.
3. У неї більша площа вільної поверхні.
4. Знижується.
5. Питома теплота пароутворення.
6. У газоподібному.
7. Вони рівні.
8. Зменшується.
9. .
10. Випаровування відбувається забудь-якої температури, при цьому енергія поглинається.
11. Питома теплота пароутворення показує, на скільки внутрішня енергія 1 кг газу за температури кипіння більша, ніж рідини.
12.  Кінь може переохолодитися, оскільки піт, випаровуючись, забирає від його тіла теплоту.

ІІІ Мотивація навчальної діяльності

Демонстрація. Візьмемо коробку із сірниками, витягнемо один із сірників. Перед вами – два холодних тіла. Але якщо потерти головку сірника об коробку, то сірник спалахне. Звідки береться ця енергія? Завдяки виконаній роботі? Але якщо навіть довго й з зусиллям терти сірник об коробку другим кінцем, стільки теплоти не виділиться? Відповідь на запитання, ми спробуємо віднайти сьогодні.

Ми часто потребуємо збільшити температуру якогось тіла, наприклад щоб у кімнаті стало тепліше, слід збільшити температуру води у батереях опалення, щоб приготувати їжу - температуру води у каструлі.

•         Яким чином ми збільшуємо температуру найчастіше?

(Використовуємо електроенергію; енергію, що виділяється при згоранні палива, тобто отримуємо теплову енергію спалюючи різні речовини)

Сьогодні вранці, перед тим як піти до школи ви снідали.

•         Скільки треба спалити природного газу щоб закип’ятити стакан води для чаю?
•         Як розрахувати це значення?

В кінці нашого уроку ми зможемо разом дати відповідь на це питання.

ІV. Повідомлення теми, мети уроку

Сьогодні ми зупинимося на енергії, що виділяється при згоранні палива.

І  розглянемо тему: «Теплота згоряння палива. ККД нагрівача».

(записи в зошит: дата, тема уроку) 

• Які результати ми очікуємо від уроку?(що повинні дізнатися і навчитися?)

Очікувані результати:

• Дізнатися про види палива та внаслідок чого виділяється тепло при його згоранні
• Визначити які фізичні величини характеризують процес виділення енергії при згоранні палива
• Навчитися обчислювати кількість теплоти, виділену при згоранні палива
• Як впливає горіння палива на навколишнє середовище

V. Вивчення нового матеріалу

Відомо, що людина ще з давніх-давен використовує енергію вогню для обігрівання власного тіла й житла, приготування їжі тощо.

•         Що використовується для процесів нагріваня тіла, житла? (дрова, газ, вугілля)
•         Як називається хімічний процес в результаті якого ми отримуємо енергію? (горіння)
•         Які фізичні та хімічні процеси відбуваються під час горіння? (виділяється тепло і світло та відбувається окиснення речовини, що горить)

Врахувавши наші висновки, сформулюємо визначення процесу горіння.

Отже, горіння – це хімічна реакція під час якої відбувається окиснення речовин з виділенням теплоти і світла.

•         Як називаються речовини, що горять? (паливо- горючі речовини)
•         Що ми отримуємо при згоранні, застосувавши паливо? (енергію)

Сформулюйте визначення палива!

Паливо – це горючі речовини, що застосовуються для отримання енергії при згоранні.

•         Як можна класифікувати паливо в залежності від агрегатного стану? Заповніть схему

Види палива.

Тверде    Рідке    Газоподібне

(вугілля, дрова, торф)  (бензин, спирт, гас, (метан, пропан, етилен,

      мазут)   ацетилен)

У різних місцях планети використовують різне паливо.

•         Яке паливо використовують в Україні?

Повідомлення учня(додаток 1)

Розглянемо елементний склад основних видів палива.

• Який основний горючий елемент входить у склад палива і є домінуючим?

Висновок: в паливі міститься карбон.

Під час горіння відбувається окиснення карбону.

Атоми карбону з’єднуються з двома (або одним) атомами кисню. При цьому утворюється молекула оксиду карбону – вуглекислого газу і виділяється енергія.

С+О₂→СО₂+Q

Зверніть увагу, що різні види палива мають різну кількість вуглецю.

•         Як ви вважаєте чи однакова кількість теплоти виділяється при згоранні однакової кількості різних видів палива?
•         Від чого залежить виділення теплоти? (від процентного вмісту карбону та маси самої речовини, що спалюється)

• Однакова кількість різного палива при згоранні виділяє різну кількість тепла, що  залежить від вмісту вуглецю в ньому.

Перевіримо це на досліді.

Дослід 1. Дві склянки заповнюємо водою однакової маси.

Під однією склянкою спалюємо таблетку сухого пального, а під іншою – шматочок деревини, який дорівнює сухому пальному за масою. Після повного згоряння палива вимірюємо температуру води в склянках. Вона виявляється різною.

Висновок. Різні види палива однакової маси виділяють різну кількість теплоти при повному згорянні    

   З хімії ви знаєте, що при повному згорянні вуглецю утворюється вуглекислий газ, а при горінні водню – водяна пара.

С + = С,    + =

• Чи шкідливі для людини ці продукти згоряння?

       А от вміст сірки й азоту в складі палива за згоряння виділяють деяку кількість шкідливих для людини і тварини речовин. Навіть спеціально очищені види палива за згоряння виділяють деяку кількість шкідливих речовин.

Висновок: З однієї сторони, якщо без продуктів згоряння обійтися не можемо, то з усіх горючих речовин потрібно вибрати ті, продукти згоряння яких  не завдають шкоди людині.

• Що швидше запалити папір чи деревину?

        Для того, щоб запалити речовину, її необхідно нагріти до температури займання.

• Як ви гадаєте, температура займання повинна бути висока чи ні?

Наприклад, для вугілля  350° С, дерево запалюється при 610° С, папір – 400° С, бензин 200° С.

       Під час вибору палива важливо знати не лише температуру займання  (вона має бути невисокою),  а й спосіб добування й переробки, а також транспортування.        

       Ось чому сьогодні висувають строгі вимоги до палива: за його використання повинна виділятися мінімальна кількість шкідливих продуктів згоряння. Паливо має бути екологічно чистим. Паливо має бути доступним (ідеться про запаси в природі)Донецький кам'яновугільний басейн забезпечував Україну на 95% вугіллям. Ресурси нафти і газу обмежені. Донецько – Дніпровська нафтогазоносна область забезпечувала Україну на 90% нафтою. Прикарпатська  нафтогазоносна область – найстаріша, але найбільш вичерпана. Найбільш перспективною була Причорноморсько – Кримська область, яка окупована.          

Проблемне запитання.   Вогонь людині друг чи ворог?

        Всі види палива володіють внутрішньою енергією, яка накопичується протягом років під впливом сонячного випромінювання.

• Прийом «Знайди помилку». Чи погоджуєтесь ви зі мною?

• Головне призначення палива – давати тепло.
• Значить, чим більше виділяється тепла при його згорянні, тим краще.

• Яку помилку я допустила в твердженні?

          Необхідно знати точно, яку кількість теплоти може виділити паливо, що горить. Навіть, інженеру при розрахунку роботи різних двигунів важливо знати скільки  палива і  чи  надовго його вистачить  при  роботі двигуна. Тому для енергетичної характеристики того чи іншого виду палива вводять фізичну величину, що називають питомою теплотою згоряння.

                                q =  ;    [q] = 1

Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг, називається питомою теплотою згоряння палива.

Її позначають буквою q (читається “ку”); її одиниця – 1 Дж/кг .

Кількість теплоти, що виділяється внаслідок згоряння палива, обчислюється за формулою:

Q=q×m 

Значення питомої теплоти згоряння різних видів палива наводиться у відповідних таблицях.

Робота з підручником.

•         Відкрийте підручник на с. 230  . Розглянемо таблицю, дайте відповіді на запитання:

1.     Що означає цифра 12000 для сухих дров?  
2.     Яке паливо здатне виділити найменшу кількість теплоти?
3.     Яке паливо здатне виділити найбільшу кількість теплоти?
4. Обчислення кількості теплоти, що виділяється під час згоряння палива.

Дослід 2. Дві склянки заповнюємо водою однакової маси. Під першою склянкою спалюємо одну таблетку сухого пального, а під другою – дві. Після повного їхнього згоряння температура води в другій склянці виявляється вищою, ніж у першій.

Висновок. Кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива, залежить від його маси.

На жаль, не все тепло, що виділяєтьсяся при згорянні пали­ва, ми можемо використати корисно. Частина енергії передається навколишньому середовищу. Тому введемо поняття ККД нагрівальної установки. Величина, що показує, яку частину становить корисно використовувана теплота  Q_кор від всієї, що виділилася при згорянні палива, Q_з називається ККД нагрівника.

Якщо не вживати спеціальних заходів щодо запобігання «ви­киду тепла» в навколишній простір, ККД нагрівника буде дуже низьким.

У техніці для підвищення ККД нагрівник і тіло, яке він на­гріває, поміщають у спеціальну оболонку - це зменшує теплові витрати.

Розв’язування проблеми.

Повернемося до задачі, яку ми записали на початку уроку і складемо коротку умову.

Скільки треба спалити природного газу щоб закип’ятити стакан води для чаю?

Яку масу гасу треба спалити, щоб кількості теплоти, яка виділилася, вистачило на нагрівання води масою 200 г від 20 °C до кипіння? Тепловими втратами знехтувати

m_г-?    СІ   Q_B=cm_B(t₂-t₁)

m_в=200 г    m_в=0,2 г  Q_г=qm_г

t₁=20 ⁰С       Q_B= Q_г

t₂=100⁰С       cm_B(t₂-t₁)= qm_г

q=44    q=44*10⁶   m_г=

c=4200      m_г==0,0015 (кг)

відповідь: 0,0015 кг

Рухівка «Австралійський дощ»

Піднявся вітер – потерти долоні.

Починає крапати дощ – клацати пальцями.

Починається справжня злива – плескати руками по стегнах.

Злива переходить у град – тупати ногами.

Буря стихає – плескати по стегнах.

Дощ стихає – поплескати по грудях однією рукою.

Рідкі краплі дощу падають на землю – клацати пальцями.

Тихий шелест вітру – потирати долоні.

З’являється сонце – піднімати руки вгору і посміхатися.                                   

Згадаємо процес горіння.

•         Який газ утворюється в результаті горіння палива крім виділення енергії? (вуглекислий газ)
•         Чи впливають на екологічну ситуацію довкілля викиди в атмосферу при згоранні палива?

Найбільша кількість забруднюючих речовин виділяється під час згоряння ВУГІЛЛЯ і НАФТОПРОДУКТІВ.

На всіх стадіях свого розвитку людина була тісно пов’язана з навколишнім світом. Але відтоді як з’явилося високо індустріальне суспільство, небезпечне втручання людини в природу різко посилилося і загрожує стати глобальною небезпекою для людства.

Продуктами згоряння палива є зола, вуглекислий, чадний та інші гази, сажа, кіптява. Шкідливі гази потрапляють у повітря. Основним джерелом забруднення на планеті є теплові електростанції, металургійні й хімічні підприємства, котельні установки, що споживають понад 70% твердого та рідкого палива, яке видобувають щороку. Найбільша кількість забрудників виділяється за згоряння вугілля і нафтопродуктів. Виявляється вплив на стан здоров’я людини – вдихання диму з концентрацією оксиду вуглецю 0,4% протягом всього 5 хв призводить до смерті.

 Окрім газів, аерозолів і золи, у довкілля виділяється величезна кількість тепла, спричиняючи теплове забруднення атмосфери, гідросфери, літосфери. Зокрема, через підвищення температури водойм розвиваються водорості, що знижують вміст кисню у воді. А це призводить до зниження здатності водного середовища до самоочищення.

Лісові пожежі завдають великої шкоди фауні і флорі (щорічно трапляється 5-6 мільйонів пожеж; знищують тварин і рослини; вогонь губить все живе на глибині до 25 см, позбавляє її родючого шару).

Викликає тривогу в екологів забруднення Світового океану нафтою і нафтопродуктами. Нафтове забруднення може спричинити істотні порушення газо- й водообміну між гідросферою та атмосферою.

• Які ви знаєте шляхи боротьби з цим?

Зменшення викидів  шкідливих речовин в атмосферу можна досягти шляхом раціонального спалювання палива. Дотримання правил пожежної безпеки.

80% усіх видів забруднень біосфери зумовлені енергетичними процесами, до яких входять добування, переробка і використання палива.

•         Які екологічні проблеми виникають при спалюванні палива? (кислотні дощі, парниковий ефект, забруднення навколишнього середовища)

 Проблемна ситуація

Чи всю енергію, що виділяється під час згоряння палива ми можемо використати?

Висновок: не всю енергію, що виділяється під час згоряння ми можемо використати. Частина енергії виділяється довкіллю. Тому й виходить, що в результаті згоряння палива виникають ще й екологічні проблеми?

 Це: забруднення атмосфери, парниковий ефект, нестача паливних ресурсів.

      Значить,  екологія в небезпеці? Який вихід з цієї ситуації ви можете запропонувати? Відповіді учнів

Запитання  до учнів. Яке паливо є екологічно чистим?

          Конструктори багатьох країн працюють над проектом двигунів на водневому паливі. Його використання й екологічне й економічне.

Внаслідок згоряння водню утворюється чиста вода,  а не шкідливі для організму людини і чадний газ.

• Блок «Паливо для організму людини».

•  Що є «паливом» для нашого організму?

         Різні види їжі, як і різні види палива, містять різний запас енергії.

Енергія, за рахунок якої підтримуються обмінні функції організму людини, виділяється в ході хімічних реакцій окислення складових їжі (білків, жирів, вуглеводів). Самим ефективним джерелом енергії є жири.

При згорянні в організмі 1 г жиру виділяється приблизно стільки ж енергії, як при згорянні 1 г бензину.

VI. Закріплення нового матеріалу

• бесіда Метод «Обмін проблемами»

Проблема 1. При підготовці до уроків на протязі 2 год ви затрачаєте 800 кДж енергії. Чи відновите ви запас енергії, якщо з'їсте пачку чіпсів 28г, пачку сухариків 33г і вип'єте бутилку «Кока – коли» об'ємом 1л (густина 1040 кг/м )?

Відповідь: запас енергії ми тимчасово відновимо, але свій шлунок зіпсуємо. Значить, втратимо енергію на боротьбу з хворобою. Тому потрібно правильно харчуватися, ухилятися від штучних продуктів і вести ЗСЖ.

• Прийом «Проблемний експеримент».  Дослід зі свічкою.

• Чому погасла свічка?

«Щоб зігріти інших свічка повинна згоріти» (М. Фарадей)

• Як ви розумієте ці слова?

Підведемо підсумки уроку та згадаємо про які основні поняття ми сьогодні дізналися

Вставте пропущені слова

1.     Горючі речовини, що застосовуються для отримання енергії при згоранні називаються (паливом)
2.     Хімічна реакція під час якої відбувається окиснення речовин з виділенням теплоти і світла називається (горінням)
3.     При згоранні палива атоми з’єднуються в молекули і (виділяється) енергія
4.     Однакова кількість різного палива при згоранні виділяє різну кількість тепла, що  залежить від кількості (вуглецю) в ньому
5.     Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні палива масою 1 кг, називається (питомою теплотою згорання).
6.     Питома теплота згорання розраховується за формулою .
7.     Одиницями вимірювання питомої теплоти згорання є

8. Що виділить більше енергії при повному згоранні – 1 кг кам’яного вугілля чи 1 кг сухих дров?
9.     Чому будинок вигідніше опалювати, використовуючи вугілля, природний газ або рідке паливо, ніж дерево й солому?

VII. Підсумки уроку

Інтерактивна вправа «незакінчене речення»

Закінчіть речення

•       Сьогодні на уроці я дізнався…
•       Сьогодні на уроці я навчився…
•       Сьогодні на уроці мені сподобалося…

VIII. Домашнє завдання. 

Опрацювати §15 вправа 15 (4,5,7)

Відмітьте за лічильником середньодобову витрату газу й обчисліть, скільки кілограмів дров замінює газ.

    Чому, якщо сильно дмухати на тліюче вугілля, воно розпалюється, а свічка при цій умові гаситься?

Творче завдання.

Написати міні-твір «Що б ти зробив, щоб зекономити запаси горючих природних ресурсів?»

Оцінювання

Наостанок, «Я можу  лише виразити свої побажання, щоб ви могли з честю витримати порівняння зі свічкою, тобто могли бути світочем для оточуючих, щоб у всіх своїх діях ви наслідували красу полум’я, чесно й гідно виконували свій обов’язок перед людством» (М.Фарадей)

Картка 1.Що здивувало Марко Поло в Китаї?

Марко Поло – відомий венеціанський купець-мандрівник. У своїй книзі він пише: «У Китаї є чорний камінь, викопують його в горах, як руду, а горить він, як дрова. Вогонь від нього сильніший , ніж від дров, і тримається всю ніч до ранку. Спалювати цей камінь набагато дешевше, і дерева зберігаються при цьому…».

Незвичайний камінь, що здивував Марка Поло, - кам’яне вугілля.

Картка 2. Не тільки горять.

Вугілля і нафта не тільки цінні види палива. З вугілля одержують понад 200 корисних речовин, які використовують для виробництва лаків, мила, пластмаси, фарб. А з нафти виготовляють ліки, клей, поліетилен, жувальну гумку  і навіть … жіночі колготки.

Картка 3. Як спирт став «сухим»?

«Сухий спирт», який продають у магазинах, насправді аж ніяк не пов’язаний зі спиртами. Цю назву застосовують до найрізноманітніших речовин, які горять майже безбарвним полум’ям, не створюючи при цьому кіптяви й диму. Перше сухе пальне було отримане 1860 року російським хіміком Л.М. Бутлеровим і дістало назву атропін (його хімічна формула – (СН₂)₆N₄).

Картка 4. Чи можна опалювати … алюмінієм?

У Швейцарії проходять експерименти щодо використання алюмінієвого порошку як пального. Теплотворні властивості алюмінію всього на 1/3 менші,ніж у нафти, але цілком можуть конкурувати з вугіллям. Порошок з алюмінію спалюють у спеціальній установці, у струмені повітря, попередньо розігрітому. При цьому температура полум’я досягає 2300⁰С.