Текст - кейс по теме "Работа газа и пара при расширении. ДВС"
план-конспект занятия по физике (8 класс) на тему

Тема: Работа газа и пара при расширении. ДВС.

Сегодня на уроке мы поговорим об изобретениях, которые имеют исключительно важное значение в жизни человеческого

   общества, развитии техники,

   энергетики и транспорта.

Эти изобретения позволили человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.

Н О В А Я     Т Е М А

Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива.

Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии.

Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать часть полученного количества теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом.

Тепловой резервуар с более высокой температурой, передающий теплоту тепловому двигателю, называется нагревателем, а забирающий остатки тепла с целью вернуть рабочее тело в исходное состояние -холодильником.

Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется.

ВИДЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.По роду топлива: жидкостные и газовые;

2.По рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные;

3.По способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием;

4.По виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные.

 Первый ДВС сконструирован Э. Ленуаром в 1860.

В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит либо за четыре хода поршня, за четыре такта, либо за два и двигатели делятся на четырёхтактные и двухтактные.

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновый ДВС. Самый распространенный тип современного теплового двигателя ДВС устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Они могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).

Основной частью двигателя внутреннего сгорания является один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.

Внутри цилиндра передвигается поршень. Поршень представляет собой полый, с одной стороны закрытый цилиндр, опоясанный пружинящими кольцами, Назначение поршневых колец — не пропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнем и стенками цилиндра (показаны штриховой линией). Поршень снабжен металлическим стержнем  («пальцем»), служащим для соединения поршня с шатуном. Шатун в свою очередь служит для передачи движения от поршня коленчатому валу.

Работа ДВС

Работа двигателя состоит из четырех тактов:

I такт — всасывание. Открывается впускной клапан 1, и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.

II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.

III такт — сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, даваемой свечой. Сила давления газов — раскаленных продуктов сгорания горючей смеси — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего хода давление в цилиндре падает почти до атмосферного.

IV такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.

Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота коленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с целью получения более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по крайней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надо привести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

Добавим, что необходимой частью двигателя является приспособление для охлаждения стенок цилиндров. Охлаждение цилиндров производится проточной водой, отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом. Вода циркулирует, омывая цилиндры. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в радиаторе. Это — система медных трубок, по которым протекает вода. В радиаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого при движении вентилятором.

СХЕМА РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя. Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.

   Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

Q1 - количество теплоты, полученное от нагревателя,

Q2 - количество теплоты, отданное холодильнику.

   Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы A´, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η<1.

   КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T1-T2=0 двигатель не может работать.

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела и получил для КПД этой машины следующее выражение:

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру T1, и холодильником с температуройT2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины

Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η=1.

   Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

   Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Влияние тепловых двигателей на окружающую среду

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов. 

1.при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. 

2.сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. 

3.при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу два-три тонн свинца. 

Один из путей уменьшения путей загрязнения окружающей среды- использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород. 

Выбросы вредных веществ в атмосферу- не единственная сторона воздействия энергетики на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на земле. Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию

1. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетических энергий всех молекул. (нет)

2. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетической и потенциальной энергии всех молекул. (да)

3. Работа, которая совершается при нагревании тела – это количество теплоты. (нет)

4. Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче. (да)

5. Источник энергии топлива – соединении при его горении атомов в молекулы. (да)

6. Закон сохранения механической энергии утверждает – кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот. (нет)

7. Закон сохранения механической энергии утверждает – при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной. (да)

8. Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает при этом внутренняя энергия переходит в механическую. (да)

9. Превращение внутренней энергии в механическую происходит при распиливании бревна, т.к. при этом пила нагревается. (нет)

10. Один из основных законов природы - закон сохранения и превращения энергии устанавливает постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому. (да)

Игра «Да или Нет»

1. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетических энергий всех молекул. _____

2. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетической и потенциальной энергии всех молекул. ___

3. Работа, которая совершается при нагревании тела – это количество теплоты. ___

4. Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче. ___

5. Источник энергии топлива – соединении при его горении атомов в молекулы.____

6. Закон сохранения механической энергии утверждает – кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот. ___

7. Закон сохранения механической энергии утверждает – при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной. ___

8. Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает при этом внутренняя энергия переходит в механическую. ___

9. Превращение внутренней энергии в механическую происходит при распиливании бревна, т.к. при этом пила нагревается. _

10. Один из основных законов природы - закон сохранения и превращения энергии устанавливает постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому.___

КПД теплового двигателя

Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может иметь значительно большую мощность. Дизели ставят на судах (теплоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших электростанциях. Большим преимуществом дизеля является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизели оказываются менее выгодными.

Игра «Да или Нет»

1. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетических энергий всех молекул. _____

2. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетической и потенциальной энергии всех молекул. ___

3. Работа, которая совершается при нагревании тела – это количество теплоты. ___

4. Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче. ___

5. Источник энергии топлива – соединении при его горении атомов в молекулы.____

6. Закон сохранения механической энергии утверждает – кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот. ___

7. Закон сохранения механической энергии утверждает – при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной. ___

8. Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает при этом внутренняя энергия переходит в механическую. ___

9. Превращение внутренней энергии в механическую происходит при распиливании бревна, т.к. при этом пила нагревается. _

10. Один из основных законов природы - закон сохранения и превращения энергии устанавливает постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому.___

Игра «Да или Нет»

1. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетических энергий всех молекул. _____

2. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетической и потенциальной энергии всех молекул. ___

3. Работа, которая совершается при нагревании тела – это количество теплоты. ___

4. Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче. ___

5. Источник энергии топлива – соединении при его горении атомов в молекулы.____

6. Закон сохранения механической энергии утверждает – кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот. ___

7. Закон сохранения механической энергии утверждает – при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной. ___

8. Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает при этом внутренняя энергия переходит в механическую. ___

9. Превращение внутренней энергии в механическую происходит при распиливании бревна, т.к. при этом пила нагревается. _

10. Один из основных законов природы - закон сохранения и превращения энергии устанавливает постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому.___

Игра «Да или Нет»

1. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетических энергий всех молекул. _____

2. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетической и потенциальной энергии всех молекул. ___

3. Работа, которая совершается при нагревании тела – это количество теплоты. ___

4. Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче. ___

5. Источник энергии топлива – соединении при его горении атомов в молекулы.____

6. Закон сохранения механической энергии утверждает – кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот. ___

7. Закон сохранения механической энергии утверждает – при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной. ___

8. Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает при этом внутренняя энергия переходит в механическую. ___

9. Превращение внутренней энергии в механическую происходит при распиливании бревна, т.к. при этом пила нагревается. _

10. Один из основных законов природы - закон сохранения и превращения энергии устанавливает постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому.___

1. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетических энергий всех молекул. (нет)

2. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетической и потенциальной энергии всех молекул. (да)

3. Работа, которая совершается при нагревании тела – это количество теплоты. (нет)

4. Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче. (да)

5. Источник энергии топлива – соединении при его горении атомов в молекулы. (да)

6. Закон сохранения механической энергии утверждает – кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот. (нет)

7. Закон сохранения механической энергии утверждает – при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной. (да)

8. Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает при этом внутренняя энергия переходит в механическую. (да)

9. Превращение внутренней энергии в механическую происходит при распиливании бревна, т.к. при этом пила нагревается. (нет)

10. Один из основных законов природы - закон сохранения и превращения энергии устанавливает постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому. (да)