Урок у 8 класі "Принцип дії теплових двигунів. ККД теплових двигунів. Екологічні проблеми пов`язані з використанням теплових двигунів."

Урок №25 -презентація результатів веб-квесту       

Принцип дії теплових двигунів. ККД теплових двигунів. Екологічні проблеми пов`язані з використанням теплових двигунів.

Метавеб-квесту: познайомити учнів із принципом дії двигуна вну­трішнього згоряння, сформувати поняття коефіцієнта корисної дії теплових двигунів; показати глобальний характер екологічних проблем, пов’язаних із використан­ням теплових двигунів; формувати екологічну свідомість учнів, почуття особистої відповідальності за майбутнє своєї країни, усвідомлення себе громадянином Планети; розвивати вміння виступати перед аудиторією; розвивати інтерес до предмета.

Обладнання: модель двигуна внутрішнього згоряння, екологічні таблиці з фізики, фотовиставка «Природа України». Ноутбук, мультимедійний проектор, презентації «PowerPoint»

План уроку-презентації:

1.Організаційний момент. Вступне слово вчителя. (2 хв)

2. Повідомлення учнів (5 хв)

а) перші теплові машини (5 хв)

б)двигун внутрішнього згоряння (5 хв)

в) ККД теплового двигуна (4 хв)

3. Обговорення екологічних проблем планети.

а) забруднення атмосфери. (4хв.)

б) забруднення водойм. (4 хв.)

в) шляхи вирішення екологічних проблем.

4. Теплові двигуни й здоров`я людини. (5хв.)

5. Фізико-екологічна вікторина (4хв.)

6. Підбиття підсумків.

ХІД УРОКУ:

1. Вступне слово вчителя

— Більша частина двигунів на Землі є тепловими дви­гунами. Саме вони дають нам дешеву електроенергію, є серцем майже всіх видів швидкісного транспорту. Сучасна людина не може обходитися без них. Але ши­роке застосування теплових двигунів впливає на стан навколишнього середовища.

Мета нашого уроку — познайомитися з історією винаходу двигунів, із принципом дії ДВЗ, а також; освітити екологічні проблеми, що виникають під час використання теплових двигунів, і шляхи їх розв’язання

2. Вивчення нового матеріалу

Учні виступають із заздалегідь підготовленими повідомленнями.

1) Учень-«історик». «Перші теплові машини»

Більш ніж дві тисячі років тому, в III 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 й 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 н 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 куль: Геронова  куля — це прообраз реактивних двигунів.

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

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

Над винаходом парової машини в ХУП-ХУПІ ст. працювали Томас Севері й Томас Ньюкомен (Англія), Ден Папен (Франція), 1.1. 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 І              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 згоряння з’явився в середині XIX ст.

2).Учень- «механік». «Будова та принцип дії двигуна внутрішнього згоряння».

Ми знаємо, що в результаті виконання над газом роботи або передачі йому певної кількості теплоти можна збільшити його внутрішню енергію і, навпаки, за рахунок внутрішньої енергії газу може бути виконана механічна робота. Внутрішня енергія є одним з найдешевших видів енергії. Її можна дістати, спалюючи різні види палива, використовуючи енер­гію сонячних променів тощо. Разом з тим, на виробництві, транспорті для роботирізнихмеханізмівпотрібнамеханічнаенергія. Тому перетвореннявнутрішньоїенергії в механічну є надзвичайноважливим для практичноїдіяльностілюдини. Такеперетворенняздійснюється за допомогоютеплових машин.

Як робочетіловикористовується газ (пара). Якщовінзнаходиться в циліндрі з рухомим поршнем, то під час йогорозширеннявиконується робота, і внутрішняенергія газу (в основному – цекінетичнаенергіяйого молекул) частковоперетворюється в механічнуенергію поршня.  Щоб у про­цесірозширення температура залишаласясталою, газу слідпередаватикількістьтеплоти, яка дорівнюєзмінійоговнутрішньоїенергіїпротягомпроцесу і виконаній поршнем роботі. Під час  розширеннявиконанарухомим поршнем робота дорівнюєзменшеннювнутрішньоїенергії газу.

Оскількициліндрмаєобмеженірозміри, за один хід пор­шня можнаперетворити в механічнуенергіютакожобмеженукількістьтеплоти. Для того щоб газ мігвиконувати роботу і далі, його треба повернути у вихідний стан, тобтонадатийомупевнукількістьтеплоти для повернення в початковий стан з більшоювнутрішньоюенергією. Такусукупністьзмін стану газу, в результатіякихвінповертається у вихідний стан, називаютькруговимпроцесом, або циклом.

За якихзмін стану можнадістати цикл? Очевидно, якщоздійснитиспочаткурозширення газу в якомусьпроцесі, а потімйогостиснути в цьому ж процесі, то не буде виконанокорисноїроботи, оскількидодатна робота розширення газу дорівнюєвід’ємнійроботістискання. Щобдістати в результатіздійснення циклу корисну роботу, треба використатирізніпроцеси: розширення газу за високихтиску та температури і стисканняйого за нижчихтиску і температури.

Перегляд кінофрагмента. Демонстрація «пушка»

 

 

3). Учень-«інженер». «Коефіцієнт корисної дії теплових двигунів».

У 1824 році С. Карно встановив, щотеплова машина повинна складатися з нагрівника, робочоготіла, що, власне, виконує роботу й холодильника (охолоджувача).

 

 

Така машина буде виконувати роботу, якщо температура охолоджувачанижчетемпературинагрівника. За законом збереженняенергіїця робота дорівнюватиме

A = Q1 - Q2.

Ефективність теплового двигунатимвище, чимбільше робота А, виконанадвигуном, за тієї ж кількостітеплоти Q1, щовиділилася при згорянніпалива.

Коефіцієнтомкорисноїдії ? теплового двигунаназиваютьвиражене у відсоткахвідношенняроботи А, виконаноїдвигуном, до кількостітеплоти Q1, щовиділилася при згорянніпалива:

Оскільки робота A = Q1 - Q2, то

Зважаючи на те, що передана навколишньомусередовищукількістьтеплоти Q2 завждибільше нуля, коефіцієнткорисноїдії будь-якого теплового двигунаменше 100 %. Цеозначає,що на механічнуенергіюможнаперетворититількичастинуенергії, яка виділилася при згорянніпалива.

Ізчасівпояви перших тепловихдвигунівучені й інженерипрагнули максимально збільшитиїх ККД. І вони досяглизначнихуспіхів: якщо ККД перших парових машин становив усьоголишеблизько 1 %, а ККД паровозів — близько 5 %, то ККД сучаснихдвигуніввнутрішньогозгоряннядосягає 35-40 %. Такий же приблизно ККД сучаснихпаровихтурбін на тепловихелектростанціях.

Осмисленняоб’єктивнихзв’язків

Розв’язування задач

1. Тепловийдвигундістаєвіднагрівникащосекундикількістьтеплоти 36 кДж і за той самий час віддає холодильнику 27 кДж. Який ККД двигуна. (25%)

2. Двигунвнутрішньогозгоряннявиконавкорисну роботу, щодорівнює

54,6 МДж, витративши на це 5 кг  дизельного палива. Обчислити ККД двигуна.

(26%)

3. Визначтемасу бензину, якийвитрачаєавтомобіль за 10 хв, якщопотужністьйогодвигуна становить 55 кВт, а ККД 25 %. (3 кг)

 

4).Учень-«еколог».  «Забруднення атмосфери»

Під час роботи теплових двигунів найбільшому забруд­ненню піддається повітряний басейн планети. Тверді частинки пилу й сажі, що утворюються під час роботи теплових двигунів, запилюють повітря. Це є причи­ною помітних змін погоди (похолодання, часті тумани й дощі). Викиди сірчистого газу й оксидів азоту є при­чиною утворення кислотних опадів, які приводять до загибелі сільськогосподарських культур, лісів, негативно впливають на прісні водойми і їхніх мешканців. Викиди вуглеводнів призводять до утворення фотохімічного смогу. Під час роботи теплових двигунів виділяється вуглекислий газ. Наявність цього газу в атмосфері разом з парами води приводить до парникового ефекту. Атмос­фера пропускає видиме сонячне випромінювання, що поглинається поверхнею Землі. Нагріта Земля випускає невидиме інфрачервоне випромінювання, що значною мірою поглинається вуглекислим газом, який міститься в атмосфері. У результаті температура на поверхні землі підвищується.

 

5). Учень-« представник Всесвітнього фонду дикої природи».

Як паливо зараз використовуються нафтопродукти. У результаті аварій, витоків під час заправлення танкерів і перекачування нафти в берегові сховища величезна кількість нафти потрапляє в море. Розливаючись по поверхні води тонкою плівкою в кілька мікрон, тонна нафти може покрити площу близько 12 км². Нафтова плівка порушує газо- і вологообмін між атмосферою й водоймою, що відіграють значну роль у формуванні клімату. Навіть незначна домішка нафти до-морської води викликає загибель ікри й мальків багатьох видів риб. Але головна загроза забруднення морських вод на­фтою полягає в загибелі фітопланктону, що є першою ланкою харчового ланцюга мешканців моря. Фітопланк­тон є основним виробником кисню на земній кулі, ви­робляючи за рахунок фотосинтезу близько 70 % усього кисню. Катастрофічні розливи нафти в море приводять до знищення безлічі морських птахів. Водоплавні птахи дзьобом змащують свої пір’я жиром, який виділяють особливою залозою. У результаті пір’я не змочуються водою, пух під пір’ям залишається сухим, навколо тіла птаха зберігається повітряний прошарок. Завдяки цьому птах тримається на волі й не мерзне навіть у холодній воді. Коли ж пір’я змочує нафта, вода проникає в шар пуху, птах замерзає й тоне.

6). Учень-«еколог»

Шляхи зниження забруднення навколишнього середо­вища:

а). використання в автомобілях замість карбюраторних бензинових двигунів дизелів, у паливо яких не до­дають свинцю;

б). перспективними є розробки й випробування автомобі­лів, у яких замість бензинових двигунів застосовують електродвигуни, що працюють на акумуляторах, або двигуни, що використовують як паливо водень.

в). Найбільш перспективними розробками в даний час є термомагнітний двигун і тепловий двигун із зовнішнім підведенням теплоти. Термомагнітний двигун вигідно відрізняється простою конструкцією, в якій теплова енергія гарячих газів, одержуваних від згоряння палива переходить в механічну енергію за рахунок фазового переходу матеріалу ротора з магнітного стану в немагнітних і назад. Двигун з зовнішнім підводом теплоти призначений для утилізації теплової енергії гарячих газів, які є відходами виробництв і процесів. Витягнуте тепло двигунперетворює на механічну роботу, яка за допомогоюелектрогенератораможе бути перетворена в електроенергію

На теплових електростанціях, що працюють на вугіллі викидають велику кількість оксидів сірки в газах, слід пропускати ці гази через спеціальні пристрої — скрубери, в яких сірка зв’язується вапном, тоді концентрація оксиду сірки істотно зменшується.

 

7).Учень — «доктор медичних наук». «Теплові двигуни й здоров’я людини».

Шкідливі викиди, що утворюються в результаті роботи теплових двигунів, впливають на організм людини. Діоксид вуглецю діє на шкіру й слизові оболонки. Оксид вуглецю при вдиханні зв'язується з гемоглобіном крові, витісняючи з неї кисень, у результаті настає кисневе голодування, що позначається насамперед центральній нервовій системі. Оксид вуглецю зумовити появу хвороби серця — стенокардії. Діоксид азоту викликає сильне роздратування слизових оболонок очей. Альдегідиподразнюютьочі, дихальні шляхи, вражаютьцентральнунервову систему, та йпечінку. У разіфотохімічного смогу запалюютьсяслизовіоболонки носа і горла, відзначаютьсясимптоми задухи, загостреннялегеневих і нервовихзахворювань; Сірчистий газ призводить до росту онкозахворювань;Сполукисвинцювражаютьоргани й тканини;нервову систему, порушуютьобмінніпроцеси.

 

Фізико-екологічна вікторина

Чому нафта розтікається по поверхні води тонкою плівкою?

Як впливає нафтова плівка на біосферу водойми?

Забруднення атмосфери відходами промислово призводить до зменшення льодовиків у горах. Чому?  Які можливі небажані наслідки цього?

Чому ємності для зберігання бензину повинні ; закриватися пробкою з гумовою прокладкою?

 

7. Підбиття підсумків уроку-конференції

Учитель. Проблема охорони навколишнього середовища є глобальною, тому що вона зачіпає інтереси всього людства. Земля — наш спільний дім, і ми повинні берегти  й охороняти її. Сьогодні були порушені екологічні проблеми нашої планети, пов’язані з використанням теплових двигунів, і позначені шляхи їх розв’язання. Дякую всім за активну участь у роботі сподіваюся, що в майбутньому ви завжди пам’ятатимете про екологію та необхідність її охорони заради здоров’я людини.

 

 

8. Домашнє завдання: вивчити §16,письмово впр. 16(1-3).

9. Рефлексія.

Учень-«лірик». Вірш про теплові двигуни.

Поважнітепертепловідвигуни,

Бо людям полегшуютьпрацювони:

Орють, засівають, збирають зерно,

Без них, як без рук все одно.

Ізміста у місто нас возять не раз

І тимекономлять нам сили і час.

Внизу залишившисвій шлейф вогняний,

У простіркосмічнийзлітають вони.

В повітрі, як птахи, як риби в воді,

Хочдоситьвжедавні, та все ж молоді.

Потрібнівсім людям усюди й завжди,

Та тількипризводять, бува, до біди.

Повітряотруйне, як спадок, для всіх –

І в тому їх шкода, великийїхгріх.

А скількипальногоз’їдаютьщодня!..

То, може, вернемо вола і коня?

Проблемивідразурозв’яжутьсявсі:

Є віздерев’яний, навіщотаксі?

Чи, може, зуміємовихідзнайти,

Щоб Землю свою й двигунизберегти?