Урок з теми «Теплові двигуни й охорона природи. Урок-конференція (8 клас)».

Тема уроку: «Теплові двигуни й охорона природи. Урок-конференція (8 клас)».

Мета уроку: Формувати навички критичного підходу до оцінки існуючих теплових двигунів; ознайомити учнів з історією винаходів теплових двигунів; формувати навички економічного підходу при розв'язанні технічних задач; продовжувати екологічне виховання учнів; стимулювати розвиток творчості, ініціативи, кмітливості; зосередити увагу на глобальних проблемах сучасної цивілізації.

Тип уроку: Урок узагальнення й систематизації знань та вмінь.

Обладнання: Моделі теплових двигунів, таблиці, уривок фільму «Планета Земля».

Хід уроку:

Учитель: Тема нашого сьогоднішнього уроку, уроку-конференції "Теплові двигуни й охорона природи". Конференція розкриває питання критичного підходу до оцінки існуючих теплових двигунів; формує навички економічного підходу при розв'язанні технічних задач.

До головних проблем сучасності (людства) можна віднести:                                  

• паливно-енергетичну;
• екологічну тобто охорону навколишнього середовища.

Тому на нашій конференції ми повинні відповісти на такі запитання:

- Чи можна замінити існуюче паливо на більш високоефективне? Чи можна зменшити витрати палива?

- Як підвищити екологічність теплових двигунів?

Чому виникають такі питання? Тому, що актуальність природоохоронної діяльності пов'язана з тим, що зараз уже недостатньо втручання у розв'язання екологічних проблем окремих людей і організацій. Сьогодні лише безпосередня участь в охороні природи кожного з нас може дати позитивні результати. Хочу звернути увагу на вислів : "Охорона природи -- це справа всіх і кожного".

На конференцію запрошені екологи, теоретики, хіміки - це учні
11 класу, а ми з вами дослідники.

А секретарем нашої конференції пропоную вибрати учня(цю)
11 кл., який(ка), вже декілька років вивчає це питання.

Секретар. Приступаємо до роботи. Головне питання нашої конференції полягає в дослідженні можливих шляхів підвищення екологічності теплових двигунів.

Теплові машини широко використовуються в народному господарстві. Потужні парові турбіни на теплових і атомних електростанціях приводять у рух ротори генераторів електричного струму. Залізничними магістралями водять состави потужні тепловози, водними шляхами теплоходи. Мільйони автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння перевозять вантажі й пасажирів. Поршневі, турбогвинтові та турбореактивні двигуни встановлені на літаках і гелікоптерах. За допомогою ракетних двигунів здійснюються запуски штучних супутників, космічних станцій. Двигуни внутрішнього згоряння є основою механізації виробничих процесів у сільському    господарстві. Їх    використовують    на    тракторах,    комбайнах, самохідних шасі, насосних станціях. Тобто на даному етапі розвитку людства неможливо обійтись без теплових двигунів.

Але, як ми знаємо, теплові двигуни негативно впливають на навколишнє середовище. Слово має еколог.

Еколог. Одним із факторів негативного впливу теплових двигунів на природу є теплове забруднення. Досить порівняти температуру газоподібних продуктів згоряння з температурою навколишнього середовища (наприклад, у ДВЗ t=1600-2500⁰ С). Це призводить до поступового підвищення середньої температури на Землі. Нині споживана потужність двигунів становить приблизно                   10¹⁰ кВт. Коли ця потужність досягне 3∙ 10¹²кВт, середня температура підвищиться приблизно на 1 градус. Подальше підвищення температури може спричинити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня світового океану.

Другим фактором негативного впливу на природу є надмірно велике споживання кисню тепловими двигунами і викидання в атмосферу продуктів згоряння, які містять у собі шкідливі речовини.

У відпрацьованих газах міститься понад 170 різних шкідливих компонентів, наявність 160 з яких зумовлена неповним згорянням палива у двигунах. Зараз в усьому світі енергетичні установки викидають щорічно 200-250 млн.тонн золи і близько             60 млн.тонн оксиду сірки (SO₂). Повітря забруднюють і різні види транспорту, насамперед автомобілі. На рух автомобіля використовується лише 25% енергії палива, а 75% "'вилітає в трубу". У вихлопних газах двигуна за нормального режиму міститься 2,7 % оксиду вуглецю. Під час зменшення швидкості руху автомобіля ця частка зростає до 3,9 %, а при повільному русі - до 6,9 %. Жителі великих міст задихаються від вихлопних газів автомобільних двигунів.

Учитель. А як ви думаєте, чи порушується тепловий баланс на Землі внаслідок збільшення в атмосфері кількості оксиду вуглецю СО₂? Яка ваша думка?

Відповідь 8 класу.

Еколог. Так, вірно. Спостерігається порушення теплового балансу на Землі внаслідок збільшення в атмосферу кількості оксиду вуглецю (СО₂), який виділяється в процесі згоряння палива у теплових двигунах. Оксид вуглецю разом із водяною парою призводять до виникнення "парникового ефекту". Температура на поверхні Землі внаслідок "парникового ефекту" приблизно на 35°С вища за ту, яка була б без нього.

Об'ємна концентрація оксиду вуглецю в атмосфері нині становить 0,0314 % від усіх газів атмосфери. Є серйозна підстава побоюватися, що навіть незначне збільшення цієї концентрації різко порушить тепловий баланс Землі. А вже тепер кожного року в атмосферу викидається близько 5 млрд. тонн СО_2.

Як доказом моєї думки пропоную продивитися фрагмент відеофільму.

Секретар: Теплові двигуни негативно впливають на навколишнє середовище. І одна з причин полягає в тому, що ми використовуємо не екологічно чисте паливо.

Цікаво, скільки дизельного палива спалить двигун міжміського автобуса за 1 год, якщо він розвиває потужність 110 кВт? ККД двигуна становить 25% , питома теплота згоряння дизельного палива дорівнює 42∙ 10⁶ Дж/кг.

Розглянути цю задачу пропонуємо дослідникам.

Дослідник. Розв'язок задачі. Аналізує формулу.

Дано: η=           η=            m=

t =1 год=3 600 с 

N = 110 кВт = 11∙10⁴ Вт [m] =

η= 25%=0,25                                m=

q = 42∙10⁶ Дж/кг                  m=38 кг

          m-? 

Учитель:  Хочу повідомити, що за нормами, для ЛАЗ-42, витрата палива на 100 км шляху становить 22,3 л при U=60км/год. Спеціалістами встановлено, що автомобіль щороку споживає з атмосфери 4 т кисню і на 25% забруднює її.

Секретар: Так що треба зробити, щоб зменшити витрати палива?

Дослідники: Аналізуючи отриману формулу ми прийшли до висновку, що при заданій потужності й заданому часі для зменшення маси або об'єму палива треба замінити його ефективнішим, у якого питома теплота згоряння q більша, а також підвищити ККД двигуна.

Учитель: Пропоную ще раз розглянути дані таблиці "Питома теплота згоряння палива", і порівняти п.т.з бензину або дизельного палива з іншими паливними матеріалами.

Відповідь учнів 8 кл.

Учитель: Так до якого висновку ми прийшли?

Дослідник: Розглянувши дані таблиці "Питома теплота згоряння палива" ми прийшли до висновку, що дизельне паливо або бензин можна замінити пропаном або воднем, оскільки їх питома теплота згоряння більша.

 q _{пропану} =   8,4∙ 1 0⁷ Дж/кг

 q _водню = 12∙ 10⁷ Дж/кг

Учитель: Що це означає?

Дослідник: Це означає, що можна втричі зменшити масу палива, в даному випадку водню в ДВЗ тому що, п.т.з. водню приблизно втричі більша, ніж п.т.з. бензину.

Учитель: Який висновок можна зробити?

Дослідник: Тобто, водень енергетично ефективніший, ніж бензин або дизельне паливо.

Секретар: А що скажуть хіміки про екологічний вплив цього палива?

Хімік. Дослід. Бачимо з досліду під час згоряння водню утворюється чиста вода, а не шкідливі для організму людини оксид вуглецю (СО₂) і, особливо, чадний газ (СО).

Секретар: Тобто ви теж пропонуєте замінити д.т. воднем, тому що витрати палива можна зменшити, використовуючи високоефективне паливо.

Учитель: Аналізуючи  формулу  m= ми  також  встановили,  що економія палива залежить і від збільшення ККД двигуна. Зверніть увагу на данні    таблиці, і скажіть, де можна зекономити енергію щоб підвищити ККД.

Дослідник: В автомобільному двигуні найбільше енергії втрачається з газами -35 %, і з водою - 25 % (таблиця).

Секретар: Але як зменшити ці втрати?

Учитель: Хочу вам підказати. Після роботи двигуна треба обов'язково охолоджувати, якщо цього не робити він вийде з ладу. А з іншого боку якщо двигун не охолодити, це призведе до зменшення ККД.

Охолодити двигун - означає зменшити його внутрішню енергію.

Якими способами можна змінити енергію тіла?

Дослідник: Внутрішню енергію тіла можна змінити теплопередачею і виконанням роботи.

Учитель: Яким чином охолоджується автомобільний двигун?

Дослідник: За рахунок теплопередачі.

Учитель: А чи можна охолодити двигун, змінюючи агрегатний стан (перетворюючи рідину на пару або виконуючи роботу)?

Дослідник: Якщо двигун охолоджувати, змінюючи агрегатний стан, двигун працюватиме за температури кипіння рідини. Для води це 100⁰ С. Вода буде інтенсивно випаровуватися, її необхідно весь час доливати, а це означає, що потрібен радіатор.

Учитель: А якщо охолодити двигун і пару за рахунок виконання роботи? Що з цього питання скаже теоретик.

Теоретик: Для цього треба двигун не охолоджувати, а теплоізолювати. Тоді пару, що утворилася у "водяній сорочці", можна подавати в циліндри парової машини, яка переміщатиме поршень і через систему передач обертатиме колеса автомобіля.

Секретар: Підіб'ємо підсумки. Ви теплоізолювали двигун. Це означає, що ви заощадили близько 20 % енергії, яка втрачалася з водою. Використовуючи пару і вихлопні гази як робоче тіло для парової машини і газової турбіни, ви реально збільшили ККД двигуна внутрішнього згоряння на 10-15%.

Учитель: Як працюють парові машини?

Секретар: Надаємо слово теоретику.

Теоретик: Вода в котлах кипить під високим тиском, а отже за температури, вищої за 100°С. Пару подають у циліндр парової машини, де поршень переміщується за рахунок енергії пари. Вода кипить під високим тиском. Крім того, пару додатково нагрівають до високих температур.

Але у теплоізольованому двигуні температура пари становитиме тільки 100° С, тобто буде "м'якою", а тому потужність парової машини буде мала.

Тому, для підвищення потужності двигуна можна використати частину енергії, що виходить із вихлопними газами. Адже температура цих газів (таблиця № 142) становить 900-1400°С. Тобто вихлопні гази можна використати для газової турбіни і МГД-генератора.

Учитель: Отже ми з вами винайшли новий комбінований тепловий двигун (для роботи якого необхідна парова машина і турбіна). Які переваги має автомобіль із таким типом двигуна порівняно з ДВЗ?

Дослідник: Збільшення ККД двигуна дає змогу зменшити витрати палива, а отже, і негативний вплив двигуна на природу.

Учитель: Подумати над тим, які будуть розміри і маса нового комбінованого двигуна, оскільки з'явиться додаткова парова машина і газова турбіна. Які недоліки матиме такий комбінований двигун? Це і буде ваше домашнє завдання.

Секретар: Конференція закінчена. Нам залишається узагальнити й обґрунтувати дослідження, зробити висновки. Хочу вам нагадати, що ми досліджували можливі шляхи підвищення екологічності теплових двигунів. Слово надається групі дослідників.

Дослідники: 1. Використовувати високоефективне паливо (заміна існуючого палива екологічно чистим).

2. Підвищення ККД.

3. Крім  того,  треба  створити  сприятливі  умови  для  згоряння   палива, реконструювати старі й створити нові двигуни.
4. Удосконалити  систему управління  міським  транспортом    - створити умови для безупинного руху машин на дорогах, бо під час гальмування і рушання з місця  кількість шкідливих речовин,  що викидаються  в повітря, збільшується у кілька разів, а також шукати шляхи зменшення рівня шумового забруднення.

5. Підвищити ефективність використання енергії, боротися за екологію.
Які запитання виникли у дослідників під час конференції.

1.   Які вам відомі екологічно чисті джерела енергії?
2.   Що означає "берегти природу"?