История тепловых двигателей
учебно-методический материал по физике по теме

Физический вечер

Из истории тепловых двигателей

Программа.

1. Вступительное слово.
2. Из истории тепловых двигателей.
3. Биографическая миниатюра: Джеймс Уатт

                                                        Рудольф Дизель.

4. Факты: Дени Папен

                   Уатт Джеймс

                   Дизель Рудольф.

5. Игра. Колесо истории. Тема: тепловые двигатели.
6. Заключительное слово.

Содержание.

Вступительное слово.

До конца XVII-начала XVIII веков люди не занимались созданием новых двигателей, кроме ветряного и водяного колеса, потому что все хозяйство держалось на рабах, а позже на крепостных, которые выполняли всю работу.

Но вот зарождаются в городах мануфактуры, где труд разделен на отдельные несложные операции. Поскольку простую операцию быстрее и лучше может выполнить машина. Для изготовления машин и станков требовалось много металла. Чтобы плавить металлы, необходим топливно-каменный уголь.

Но как приводить в действие машины, если в близи от завода нет реки? Как откачать воду из шахты, спасти ее от затопления? Как поднять уголь? Чем заменить лошадей, доставляющих уголь к плавильным печам? и т.д. все эти вопросы требовали ответа. Нужен был такой двигатель, который мог бы выполнять всю эту работу. Новый двигатель должен был быт универсальным, а также не зависящим от погоды. Он должен был работать за счет такого источника энергии, который нетрудно доставить в любое место и в любое время года.

И человек такой двигатель построил!

Из истории тепловых двигателей.

Одной из вех промышленной революции стал переход от использования мышечной силы людей и животных, а также кинетической энергии воды и ветра к повсеместному внедрению паровых машин.

Рождение теплового двигателя было нелегким. Много изобретателей в разных странах работали над их созданием, много было побед и разочарований, но каждый из них в которых совершило целый переворот в жизни  человечества.

О движущей силе пара люди знали с глубокой древности. Одним из первых попытался воспользоваться этой силой французский физик Дени Папен. Однако так и не смог создать работоспособное устройство.

Но уже к 1765 г. Джеймс Уатт сконструировал, а позже усовершенствовал паровой двигатель. К 1784 г. создание парового двигателя было практически завершено, и он стал основным средством получения энергии в промышленном производстве.

Но одним из самых важных проблем в создании двигателя внутреннего сгорания была борьба за повышение КПД.

Выход нашел немецкий инженер Рудольф Дизель. В 1892 году Дизель получил патент на двигатель, в котором рабочий процесс отличался рядом особенностей: в цилиндре сжимается только воздух, причем очень сильно; от сильного сжатия температура воздуха возрастает настолько, что при впрыскивании в цилиндр топлива оно воспламеняется; образовавшиеся газы производят рабочий ход поршня. Такой двигатель способен был работать без карбюратора и запального устройства, расходуя меньше топлива, чем все известные до того времени тепловые двигатели. Топливом могли быть и бензин, и керосин.

Биографические миниатюры.

Джеймс Уатт (1736-1819)

Английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины, член Лондонского королевского общества (1785). С 1757 г. работал механиком в Глазго, где с большой точностью провел, пользуясь котлом Д. Папена, исследование зависимости температуры насыщенного пара от давления. В 1765 г. построил экспериментальную паровую машину с диаметром цилиндра 16 см, а в 1768 г. построил первую большую паровую машину. В 1769 г. Уатт получил английский патент на способы уменьшения потребления пара. Уатт детально исследовал работу пара в цилиндре, впервые сконструировав для этой цели индикатор. В 1782 г. получил английский патент на паровой двигатель с расширением. Он ввел первую единицу мощности – лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности – ватт). Паровая машина Уатта получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству. «Великий гений Уатта, - писал карл Маркс – обнаруживается в том, что в патенте, который он получил, его паровая машина представлена не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности».  

Джеймс Уатт похоронен там, где покоятся прославленные сыны его отечества – в Вестминстерском аббатстве. На его памятнике начертано: «Не для того, чтобы увековечить имя, которое будет жить, пока процветают мирные искусства, но чтобы показать, что человечество воздает почести тем, кому оно обязано благодарностью». Король, его слуги, а также многочисленные дворяне и граждане королевства воздвигли этот памятник Джеймсу Уатту. Его гению удалось путем опыта усовершенствовать паровую машину. Благодаря этому он множил богатства своего отечества, увеличил мощь людей и поднялся до высоких ступеней среди великих деятелей науки, этих истинных благодетелей человечества.

Рудольф Дизель (1858-1913)

Двигатели типа «Дизель» хорошо знакомы всем. О жизни же его создателя, немецкого инженера Р. Дизеля известно немного.

Р. Дизель родился 18 марта 1858 года в семье немецкого эмигранта, жившей в Париже. В 1870 г. началась франко-прусская война, и семье Дизеля пришлось срочно покинуть Францию и поселиться в германском городе Аугсбурге, где Рудольф продолжил учебу. Затем дизель поступил в Высшую политехническую школу в Мюнхене.

Став дипломированным инженером, Р. Дизель пытается создать двигатель внутреннего сгорания, работающий на угольной пыли. Опыт оказался неудачным. А затем уже в 1897 г. появился ДВС с КПД, равным 25%, - большим, чем у любой из тепловых машин того времени.

«Я настолько превзошел все до меня существовавшее в деле машиностроения, - писал Дизель, - что смогу смело утверждать, что иду во главе технического прогресса».

Теперь Р. Дизелю уже не до спокойной работы в лаборатории. Он переезжает из одного города в другой. Нюрнберг, Берлин, Лейпциг, Гент, Фабри - выставки, конференции, речи…

В 1913 году вместе с группой инженеров Р. Дизель отправился на теплоходе в Англию. В один из вечеров после ужина коллеги проводили его до каюты. Утром постель Дизеля оказалась нетронутой. А спустя 2 дня рыбаки подняли из воды труп хорошо одетого человека. Так ушел из жизни выдающийся немецкий изобретатель.

Факты.

Дени Папен

Французский физик; один из первых создателей паровых машин, сконструировал паровой котел с предохранительным клапаном (1680). Установил зависимость температуры кипения воды от давления. Изобрел центробежный насос (1689). Начал работы над пароатмосферным двигателем. В начале 18 века построил лодку с паровым двигателем.

Рудольф Дизель

Немецкий инженер. В 1892 году запатентовал идею двигателя внутреннего сгорания с предварительным сжатием воздуха и самовоспламенением топлива; построил его в 1897 году. После доработки двигатель был назван именем изобретателя.

Джеймс Уатт

Английский изобретатель; создатель универсальной паровой машины (патенты: первый – в 1769 году, на двигатель с расширением – 1782 году, на универсальный паровой двигатель).

Колесо истории

Содержание игры

1. До конца 17 – начала 18 века человек не построил никаких двигателей, кроме ветряного и водяного колеса.

Рождение тепловых двигателей было нелегким. Много изобретателей во многих странах работали над их созданием, много было побед и разочарований, но каждый из них по большей или меньшей степени внес свой труд в создание новых двигателей, появление которых совершило целый переворот в жизни человечества.

Первая паровая машина была построена в 90-х годах XVII века. Она была весьма несовершенна. Наиболее удачной была машина, построенная в 1711г.. Однако и она имела серьезные недостатки: КПД был низок, а рабочие ходы поршня машины разделялись длительными промежутками, она могла приводить в действие только насос.

В 1765 году машина значительно усовершенствована.

И только в 1784г. был изобретен универсальный тепловой двигатель (рис.1), который и стал широко применяться. Они имели мощность около 35кВт и КПД менее 3%.

Вопрос. Кто из перечисленных ученых является изобретателем универсального теплового двигателя?

Варианты ответов. 1. Т.Ньюкомен

                                    2. Д.Уатт

                                    3. Д Папен

                                    4. И.И.Ползунов.

Ответ. Д.Уатт.

2. Трудами Уатта и других изобретателей паровая машина постепенно совершенствовалась и завоевывала все новые и новые отрасли промышленности и транспорта.

В России в 1834г. отец и сын Черепановы, крепостные крупнейшего горнозаводчика Урала Демидова, построили первый отечественный паровоз (рис.2). этот паровоз перевозил руду на территории Нижнетагильского завода по специальной «чугунной дороге». Он развивал скорость 15км/ч при грузе 3,5т.

Вопрос. Когда была построена первая железная дорога общественного пользования в России? И какие населенные пункты она связывала?

Варианты ответов.  1. 1834г.

                                     2. 1837г

                                     3. 1839г

                                     4. 1840г.

    Ответ. Первая железная дорога в России была открыта в 1837г. она связывала Петербург и Царское Село.

3.   Использовать первую паровую машину для передвижения судов впервые задумал изобретатель Дени Папен. В последней трети XVIII века многие изобретатели пытались соорудить первые суда. И вот построен пароход «Клермонт» (рис.3).

Вопрос . В  каком году построен пароход и с чьим именем связано это изобретение?

Варианты ответов.  1. 1782г 

                                     2. 1797г.      

                                              3. 1807г.

                                     4. 1815г.

Ответ. Пароход «Клермонт» построен в 1807г. американцем Р.Фултоном.

4. Применение паровой машины было дорогим и громоздким. Появились попытки создания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и он был создан, однако его КПД был очень низок- 3,5%. Начался новый этап- борьба за повышение КПД. Выход был найден одним известным немецким инженером.

Вопрос. Когда и кем был изобретен двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (рис.4)?

Варианты ответов. 1. 1860г. Ленуар.

                                    2  1878г. Н.Отто.

                                    3. 1885г. Даймер

                                    4. 1897г. Р.Дизель.

Ответ.1897г. Р.Дизель.

5. С самого зарождения авиации самолет приводили в действие тепловые двигатели.

Вопрос. Когда был построен самолет, на котором был установлен двигатель внутреннего сгорания и осуществлен на нем первый успешный полет (рис.5)? 

Варианты ответов. 1. 1892г.

                                             2. 1897г.  

                                             3. 1903г.        

                                             4. 1904г.        

Ответ. 1903г., братьями У. и О.Райт.

6.  История авиации – это история непрерывной борьбы за увеличение дальности, высоты и скорости полета. Понадобились новые двигатели – реактивные. Был создан первый реактивный самолет (рис.5).

 Вопрос.  Когда и кем был создан первый реактивный пассажирский самолет? Как он назывался?

Варианты ответов. 1. 1956г             

                                             2. 1957г        

                                             3. 1961г        

                                             4. 1963г.

Ответ.  1956г. А.Н.Туполевым. ТУ-104.

7.   Ракета была изобретена в Древнем Китае. Одним из первых, кто предложил использовать ракеты для полетов в космос был русский ученый К.Э.Циолковский. он впервые разработал теорию реактивного движения. Ракету для межпланетных сообщений К.Э.Циолковский спроектировал в 1903г.

Вопрос. Когда в нашей стране был запущен первый в мире искусственный спутник Земли? (рис.7).

Варианты ответов. 1. 1903г.        

                                             2. 1929г.        

                                             3. 1950г.        

                                             4. 1957г.        

Ответ. 4 октября 1957г впервые в нашей стране запущен первый в мире искусственный спутник Земли (ИСЗ).

8. Вскоре были построены и запущены с помощью ракет новые спутники Земли. Ракета доставила на Луну вымпел Советского Союза. Были построены космические корабли-спутники, которые могли не только совершить полет в космос, но и произвести мягкую посадку на Землю.         

Полет человека в космос впервые в истории был осуществлен в Советском Союзе. Корабль-спутник «Восток» пилотировал первый в мире космонавт Ю.А.Гагарин.

Вопрос. Когда и кем был создан космический корабль «Восток» и осуществлен первый полет человека в космос?

Варианты ответов. 1. 1958г.

                                             2. 1960г.        

                                             3. 1961г.        

                                             4. 1963г.

Ответ. В 1961г. под руководством С.П.Королева.        

                                                                                         Рис.1.

                                                                                                 Рис.2.

                                                                                                                   Рис.3.

                                                                        Рис.4.

                                                                                                     Рис.5.

                                                                                           Рис.6.

                                                                                                         Рис.7.

                                                                                              Рис.8.