Исследовательский проект по физике «От игрушки до ракеты …»

МБОУ «Сухобезводненская средняя школа»

Секция: математика, физика

Учебный исследовательский проект по физике

Работу выполнили: учащаяся 8-а класса

Половинкина Екатерина

                                           Научный руководитель: Булатова Н.С.,

                                                                                    учитель физики.

р.п.Сухобезводное

2016г.

Содержание:

I. Введение……………………………………………………………………2

   II. Основная часть…………………………………………………………….3

        1.История создания тепловых двигателей……………………………….3

               1.1. Первое появление тепловых двигателей

               1.2. Первая машина Папена - прототип современного ДВС

                1.3. Томас Ньюкомен и его машина

             1.4. Вклад Уатта в создание паровых машин

               1.5. Использование  паровых машин

                     1.6. Универсальная машина Ползунова

               1.7.Реактивный двигатель

  2.  Принцип работы тепловых двигателей ………………………………10

                 2.1.  Типы тепловых двигателей

                 2.2.  Схема устройства теплового двигателя

 3. Коэффициент полезного действия …………………………………….13

 4 . Экологические последствия работы тепловых двигателей………....14

      5. Практическая часть работы…………………………………………….15 

           5.1. Изготовление моделей    

           5.2. Расчет коэффициента полезного действия

III. Заключение…………………………………………………………………18

IV. Литература………………………………………………………………….19  

V. Приложение…………………………………………………………………20

I. Введение

          В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных. Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.  С этого момента люди пытались использовать силу пара.

  Актуальность исследования:

Мы выбрали тему о тепловых двигателях, потому что она заинтересовала нас по несколько пунктам.

Во-первых, тепловой двигатель - необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии. Без тепловых двигателей невозможно представить, современный транспорт

Во-вторых, тепловые двигатели уже изменили мир, что дальше? А с чего все началось?

  В-третьих, повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду.  

Цель работы: сбор, оформление и представление информации о тепловых двигателях.   Задачи:

1. Изучить историю создания паровой машины
2.  Кто придумал тепловой двигатель?
3.  Много ли толку от пара и газа?
4.  А не вредны ли тепловые машины?

 Объект исследования:   паровые машины.

Предмет исследования: принципы работы тепловых машин.

Проблема исследования:

  Что общего между игрушкой, автобусом, самолетом, ракетой и автомобилем?

II.Основная часть

1. История создания тепловых двигателей

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.            Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.      Как же стреляла эта пушка?

Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро.
    Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

Примерно тремя столетиями позже в Александрии - культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря - жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским.     В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром,  который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь.   По существу,   это не что иное, как паровая реактивная турбина. Конечно, этот шар не соответствует определению теплового двигателя, так как он ничего не приводит в движение, это просто красивая игрушка, но в нем, безусловно, теплота превращается в механическую работу, а идея использования энергии пара путем разгона его и подачи струй в окружном направлении была позднее использована при создании паровых турбин.

Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу.

1.1.Первое появление тепловых двигателей

Появление тепловых двигателей связано с возникновением     промышленности в начале XVII в.    в  Англии. Копи, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды. Глубина шахт стала достигать 200 м. Приходилось держать до пятисот лошадей на одном руднике.    Поэтому первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды.
    В 1698 г. Томас Севери, шахтовладелец, получил патент № 356 с формулировкой, что он выдан на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня...».

 Севери первым отделил рабочее тело (водяной пар) от перекачиваемой воды. Для этого он сделал отдельный котел, а пар, который поломали в котле, через кран выпускал в сосуд с водой, и пар вытеснял воду в напорную (верхнюю) трубу. Впоследствии машина Севери была усовершенствована Дезагюлье, предложившим охлаждать пар в сосуде путем впрыскивания в него воды. Это существенно увеличило частоту рабочих циклов. Одна из таких машин была выписана Петром I и установлена в Летнем саду. Машины Севери оказались очень надежными и долговечными. 

1.2.Первая машина Папена - прототип современного ДВС

 Папен человек очень интересной судьбы, член многих академий, работал вначале в Париже с известным голландским физиком Христианом Гюйгенсом, а в 1675 г. переселился в Лондон, где долгое время работал с другим известным физиком Робертом Бойлем. Предложения Гюйгенса и Готфейля были очень похожи. В цилиндр помещали поршень и под ним поджигали порох. Под действием продуктов сгорания поршень поднимался, его фиксировали в этом положении, продукты сгорания охлаждали. В результате их объем уменьшался, под поршнем возникало разрежение. Под действием атмосферного давления поршень опускался и мог совершать полезную работу.
Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и внешнего атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, и это на протяжении всей работы двигателя). Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным. Однако нельзя не усмотреть в первой машине Папена черты современного двигателя внутреннего сгорания.

1.3. Томас Ньюкомен и его машина

Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле.
    Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто - между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех - пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно «прожорлива»: пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в «ненасытную пасть» топки, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр.

4. Вклад Уатта в создание паровых машин

Вклад Уатта в создание паровых машин очень велик. В 1765 г. Уатт, изготовив макет машины Ньюкомена в Глазго по заказу местного университета и проводя на нем опыты, понял, что основной причиной ее низкой экономичности является охлаждение расширяющегося пара стенками цилиндра. Уатт пришел к выводу, что нужно использовать давление пара и не связывать машину  воедино ни с каким потребителем мощности. Затратив на изготовление машины все имеющиеся у него средства. Вскоре Уатт познакомился с Мэтью Болтоном. Уатт смог уже в конце 1765 г. продемонстрировать ее работу. Второй образец он назвал «Вельзевул».
   Все  это время Уатт продолжал совершенствовать паровые двигатели. Задумывался он и о паромобилях. Но Уатт рассчитал, что сделать компактный пригодный для самоходного экипажа паровой двигатель можно только при высоком давлении в котле – до 8,3 атм. при толщине  медных стенок в 6,35 мм. И, решив, что это крайне небезопасно (котел может попросту взорваться!), Уатт, по сути остановил развитие паромобилей в Великобритании на целых 32 года – на срок действия своего патента!

1.5.Использование  паровых машин

 Кюньо детально интересовался приспособлением паровой машины для привода «безлошадного экипажа», досконально знал конструкцию машины Папена и ряда паровых машин Уатта. К сожалению, слишком большие размеры этих конструкций не позволяли разместить их на повозке. Коньо начал постройку собственной паровой машины небольших размеров. Но так как получавшиеся конструкции все равно были слишком велики, изобретатель вскоре был вынужден прекратить работы, на которые уже не хватало средств, а попытки добиться дополнительного финансирования от правительства не дали результата.

 Французский инженер  Луи Гийома Перро,   создал собственный паровой мотоцикл. Начал он с велосипеда, оснастив его в 1868 г. большим маховиком, благодаря чему ездок мог определенное время двигаться по инерции. Но, к сожалению, накануне франко-прусской войны его изобретение не смогло завоевать поклонников и принести прибыль.

Паровоз - локомотив с самостоятельной паросиловой установкой (паровой котел и паровая машина), движущийся по проложенным рельсам.
    Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. Р. Тревитиком и в 1814 г. - Дж. Стефенсоном. В России первый паровоз построен в 1833 г. отцом и сыном Черепановыми.
    Тревитик был инженером-угольщиком из Корнуолла. Там во многих шахтах были железные рельсы для вагонов.
    В 1804 г. Тревитик приделал к паровому двигателю Уатта специальные колеса. Получился первый паровоз. Вскоре паровозы вовсю дымили не только в шахтах, но и на поверхности.      Первая пассажирская железная дорога была открыта в 1825 г. на севере Англии - между Стоктоном и Дарлингтоном. По ней ходили паровозы «Движение», созданные Джорджем Стефенсоном. В 1829 г. лучший из его паровозов - «Ракета» - с грузом в 20 тонн развивал скорость до 40 км /час.

1.6. Универсальная машина И.Ползунова

  Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин - Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов.  Ползунов построил свою «огнедействующую  машину» на одном из барнаульских заводов. Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни. В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение. В отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал и недостатки которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины  непрерывного действия. Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря работе пара в цилиндрах.

 Изобретательность Ползунова не может не вызвать восхищения. Он первым понял, что можно заставить паровую машину приводить в движение не только насос, но и кузнечные мехи. Рабочие органы его машины передавали движение валу отбора мощности. Это качество придавало машине Ползунова свойство универсальности.

2. Принцип работы тепловых двигателей

2.1.Типы тепловых двигателей

К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твердое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

 Рабочим веществом может быть  водяной пар или газ.

1. Дви́гатель Стирлинга - тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от создания разницы температур его цилиндров.

2.Поршневой двигатель внутреннего сгорания 

Двигатель Внутреннего Сгорания или ДВС, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5.

 3.Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания

 Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания 

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.

4.Реактивный двигатель - это двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела; в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи.

2.2. Схема устройства теплового двигателя

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника. Рабочее тело (пар или газ) получает некоторое количество теплоты  Q1от нагревателя, у которого за счет сгорания топлива поддерживается постоянная высокая температура T1. Это количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение им работы A1. В результате газ, расширяясь,  совершает работу  A1.  

Чтобы процесс был циклическим, поршень необходимо вернуть в исходное положение.   Для этого рабочее тело приводят в контакт с телом меньшей температуры T2 1 (холодильником). Рабочее тело при этом отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q2, и при сжатии совершается работа A2.  

Полезная работа за цикл A=A1-A2  .

 Итак, принцип действия теплового двигателя основан на свойстве газа или пара при расширении совершать работу. В процессе работы теплового двигателя периодически повторяются расширения и сжатия газа. Расширения газа происходят самопроизвольно, а сжатия под действием внешней силы.

3. Коэффициент полезного действия

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможно  превратить все  количество теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу. КПД  паровой  машины составляет 8-12 %, паровой или  газовой турбины 20-40 %, ДВС 20-25 % (у карбюраторных) и 30-36 % (у дизелей).

4.Экологические последствия работы тепловых двигателей

    Тепловые двигатели необходимы для получения электроэнергии, для приведения в движение большинства транспортных машин.

Наибольшее значение имеет применение мощных паровых турбин на электростанциях для вращения роторов генераторов. Паровые турбины устанавливают также на атомных электростанциях, где для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

На современном транспорте используются все виды тепловых двигателей. В автомобилях, тракторах, самоходных комбайнах, тепловозах применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в авиации - газовые турбины, на космических ракетах - реактивные двигатели.

Тепловые двигатели оказывают некоторые вредные воздействия на окружающую среду:

КПД тепловых двигателей η < 50 %, следовательно, большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве, вредно влияя на общую экологическую обстановку.

Тепловые электростанции и автомобили выбрасывают вредные для растений, животных и человека продукты сгорания топлива (сернистые соединения, оксиды углерода, оксиды азота и др.);

Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере увеличивает «парниковый эффект» Земли.

В связи с этим весьма важной стала проблема охраны природы. Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

• эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
• использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;
• повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.
• перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода.
• идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.

5. Практическая часть

Истина – это то, что выдерживает проверку опытом.

А. Эйнштейн

5.1.Изготовление моделей тепловых двигателей

1. Простейшие тепловые машины.

Изготавливаем вертушку, прикрепляем к ней через нить груз. С помощью фена создаем поток воздуха. Направляем его на вертушку, которая вращаясь, совершает работу по подъему груза.

Простейшая тепловая машина  на теплом воздухе совершает механическую работу по подъему груза.

2.Паровая турбина

Пробирку с водой плотно закрываем пробкой, в которую вставлена стеклянная трубочка. Из фольги делаем вертушку и крепим её на булавке к деревянной планке, которую вставляем в штатив. Пробирку устанавливаем наклонно на другом штативе и поджигаем сухой спирт. Образующийся водяной пар под большим давлением вырывается через трубочку, попадает на вертушку и заставляет её вращаться.

 3. Пароход.

Из алюминиевой фольги делаем корпус парохода, на дно в металлическую крышечку кладем сухой спирт. Из яйца через два отверстия, проделанных иголкой, выдуваем содержимое, пустое яйцо промываем, одно отверстие заклеиваем, заполняем с помощью шприца на треть водой и устанавливаем с помощью алюминиевого держателя на пароход. Спирт поджигаем - вода закипает, образуется пар. Вырываясь струёй, он заставляет пароходик двигаться в противоположную сторону.

 4. Реактивная тележка.

К тележке полоской жести крепим пробирку с небольшим количеством воды и плотно закрываем её пробкой. Поджигаем спирт. Вода закипает, образуется пар, его внутренняя энергия возрастает, давление пара увеличивается, и он, расширяясь, выталкивает пробку, совершая работу, а тележка откатывается назад.

5.2.Расчет коэффициента полезного действия

Цель исследования: рассчитать КПД нагревательной установки

Задачи:

1.Используя оборудование, определить, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива (сухого горючего), необходимого для нагревания воды от комнатной температуры на 450С,

2.Рассчитать, какое количество теплоты пошло на нагревание воды,

3.Попробовать объяснить полученные результаты,

Ход работы:

1. Объем воды в мензурке  V=100 см3
2. Масса этой воды  m1=0,1 кг
3. Начальная температура воды  t1 =20 0С
4. Конечная температура воды  t2,  =650С
5. Удельная теплоемкость воды  c=4200 Дж/(кг∙0С)
6. Количество теплоты, пошедшее на нагревание воды    

                   Q1 = сm∆t=4200∙0,1∙ 45=18900 Дж

7.  Масса сгоревшего спирта ∆ m= m2  - m3 =0,020 -0,008 =0,012 кг
8.  Удельная теплота сгорания спирта  q =2,7∙106  Дж/ кг                                                                                                                                                                                                              
9. Количество теплоты  Q2, выделившееся при сгорании ∆ m спирта  

                Q2 = q ∙   ∆ m = 2,7∙106 ∙ 0,012 = 32400 Дж

     10)Коэффициент полезного действия нагревательной установки  

              η= Q1: Q2=  18900:  32400=0,58  ∙ 100 %= 58%

Выводы:

В  тепловых двигателях не вся внутренняя энергия пара или газа превращается в механическую энергию. Тепловой двигатель состоит из:  нагревателя, рабочего тела (газ, пар) и холодильника  . Важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу, т.е. в ту работу, ради которой он создан. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее

III. Заключение

Мы ответили на   вопрос что же общего между игрушкой, автобусом, самолетом, ракетой и автомобилем?  и поэтому  результатом исследования   является:

1.Более  глубокое понимание работы тепловых двигателей. При изучении работы двигателей мы убедились, что свойства их настолько разнообразны, что мы смогли исследовать лишь некоторые из них.

 2.Очень интересна история создания двигателей. Оказывается, долгие годы тепловые механизмы были лишь развлечением.

3. Мы попробовали сконструировать простейшие игрушки, работающие на пару. Актуальность и оригинальность   работы  состоит в практической направленности. Также можем  сказать о том, что создание паровой машины не сложная работа, но очень интересная. И любой человек  у себя дома, сам может создать паровую машину. Ведь для этого   не нужно никаких специальных лабораторий, принадлежностей и великолепных знаний.  

IV .Литература

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/-википедия
2. http://www.po4emu.ru/drugoe/history/index/tehnika/stat_tehnika/74.htm -история техники
3.  http://images.yandex.ru/yandsearch?text –поиск картинок
4. http://www.vseslova.ru/-коллекция словарей