Методическая разработка занятия "Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей"
план-конспект занятия по физике (10 класс) на тему

Волжский филиал

ГБОУ СПО

«Волгоградский медицинский колледж»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

КОМБИНИРОВАННОГО

ЗАНЯТИЯ

Раздел 3. Молекулярная физика. Термодинамика.

Тема: «Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей»

дисциплина ОУД. 08  ФИЗИКА

 Курс 1

Специальность:

34.02.01  «Сестринское дело»

Форма обучения: очная

Количество часов: 2

Разработчик: Преподаватель физики

Бондаренко Л.В.

Методическая разработка

рассмотрена одобрена

на заседании УМО № 3

Председатель УМО __________

/  

                                                          «_____»________20___г.

Волжский 2016 г.

Методическая разработка теоретического занятия № 17

Специальность: 34.02.01 «Сестринское дело» Дисциплина ОУД. 08  Физика

ТЕМА: «Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей»

Тип занятия: изучение нового материала.

Вид занятия: урок (комбинированное занятие).

Уровень усвоения информации: первый (узнавание ранее изученных объектов, свойств) + второй (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством)

Цели:

Учебные: 

- дать понятие тепловых двигателей, принципов работы тепловых двигателей;

- вывести формулу для расчета коэффициента полезного действия теплового двигателя;  

- сформировать представление об устройстве и принципе действия тепловых двигателей и понятие об идеальной тепловой машине Карно;

 - расширить знания учащихся по экологическим проблемам использования тепловых двигателей;

- осмыслить практическую значимость, полезность приобретаемых знаний и умений

Воспитательные:

- воспитывать у учащихся чувство ответственности перед последующими поколениями, поэтому рассмотрим влияние тепловых двигателей на окружающую среду.

- формировать экологическую культуру и активную жизненную позицию.

- воспитывать сознательное отношение к учебе и заинтересованность в изучении физики;

-  обеспечить условия для воспитания интереса к предмету;

Развивающие:

- развивать активность студентов, умения анализировать полученную 

информацию, сравнивать, делать выводы и обобщать;  

- развивать речь, совершенствовать интеллектуальные способности; решать тренировочные задачи.

Формирование требований ФГОС при изучении темы  

«Тепловые двигатели и их КПД»

Студент должен:

Знать: смысл понятий: абсолютная (термодинамическая) температура, количество теплоты, коэффициент полезного действия; вклад российских и зарубежных ученых, оказавших наибольшее влияние на развитие физики.

Уметь: объяснять принцип действия тепловых двигателей; применять полученные знания для решения физических задач; воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях СМИ, научно-популярных статьях; использовать новые информационные технологии для поиска, обработки и предъявления информации по физике в компьютерных базах данных и сетях (сети Интернета).

Интеграционные связи: экология, медицина, история, химия, математика

Формы организации учебной деятельности студентов: фронтальная, индивидуальная.

 Применяемые на занятии методы обучения:

  - по источнику информации: словесные, наглядные;

- по степени активности обучаемых: объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый;

Место проведения: классная аудитория.

Оснащение: Методическая разработка по теме, раздаточный дидактический материал, (тестовые задания) для учащихся.

Основные этапы занятия:

1. Организационный момент – 2 мин.
2.  Вводная мотивация: постановка целей, изложение плана урока – 3 мин.
3.  Актуализация  опорных знаний  ( физический диктант) – 10 мин.
4. Изучение нового материала – 35-40 мин.
5. Решение расчетных задач -10 мин.
6.  Первичное закрепление знаний - 10 мин.
7.  Творческое применение и добывание знаний -10-15 мин.
8. Подведение итогов – 2 мин.
9. Домашнее задание – 3 мин.  конспект лекции.   

Литература:

1. Учебник физики Физика, 10 класс, Часть 1, Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., 2010
2. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений (с приложением на электронном носителе). Базовый и профильный уровни - М.: Просвещение, 2011 г.

  Актуальность изучения темы

Как известно, экологическая обстановка на Земле и в нашей стране продолжает ухудшаться: озоновая дыра в Антарктике не уменьшается, а загрязненность Мирового океана и воздушной оболочки планеты повышается.

Известно, что более 60 млн. тонн вредных веществ выбрасывают в атмосферу ежегодно наши промышленные предприятия, около 37 млн. тонн таких веществ попадает в нее вместе с выхлопными газами автотранспорта, примерно 30 млрд. м3 воды, загрязненной промышленными и бытовыми отходами, стекает в реки, озера, моря. В более чем 100 городах, где проживает приблизительно 50 млн. человек, предельно допустимые концентрации вредных веществ, превышены в 10 (и больше!) раз.

Автомобили на сегодняшний день в России - главная причина загрязнения воздуха в городах. Сейчас в мире их насчитывается более полумиллиарда. В России автомобиль имеет каждый десятый житель, а в больших городах - каждый пятый. Выбросы от автомобилей в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне 60-90 см. от поверхности земли и, особенно на участках автотрасс, где стоят светофоры. Автомобили выбрасывают в атмосферу диоксид и оксид углерода, оксиды азота, формальдегид, бензол, бензопирен, сажу (всего около 300 различных токсичных веществ). При истирании автомобильных шин об асфальт атмосфера загрязняется резиновой пылью, вредной для здоровья человека. Автомобиль расходует огромное количество кислорода. За неделю в среднем легковой автомобиль выжигает столько кислорода, сколько его четыре пассажира расходуют на дыхание в течение года. С ростом числа автомобилей уменьшается площадь, занятая растительностью, которая дает кислород и очищает атмосферу от пыли и газа, все больше места занимают площадки для парковок, гаражи и автомобильные дороги. На свалках скапливаются изношенные шины, ржавые корпуса. Впрочем, старые кузова автомобилей можно увидеть и во дворах и на пустырях.

Автомобили загрязняют почву. Одна тонна бензина, сгорая, выделяет 500-800 кг.вредных веществ. Если двигатель машины работает на бензине, с добавлением свинца, то они загрязняют почву этим тяжелым металлом вдоль дороги в полосе шириной 50-100 м, а если дорога идет вверх, и двигатель работает с нагрузкой, и загрязненная полоса имеет ширину до 400 м! Свинец, загрязняющий почву, накапливается растениями, которыми питаются животные. С молоком и мясом металл попадает в организм человека и может стать причиной тяжелых болезней.

Ход занятия:

Приложение 1

Вопросы для физического диктанта

 В1.     1. Что понимают под внутренней энергией?

 В2.    1. Что понимают под внутренней энергией?

 В1.    2. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?

 В2.    2. Назовите способы теплопередачи

 В1.    3. По какой формуле вычисляют внутреннюю энергию идеального газа?

 В2.    2. По какой формуле вычисляют работу газа в термодинамике?

 В1.    4. Запишите формулу и сформулируйте 1 закон термодинамики.

  В2.    4. Сформулируйте закон сохранения энергии в тепловых процессах.

  В1.    5. Какой процесс называют необратимым?

  В2.    5. Сформулируйте второй  закон термодинамики.

Приложение 2

Изучение нового материала

План изложения учебного материала по теме

1. Понятие теплового двигателя

2. Устройство и принцип действия тепловых двигателей

3. КПД тепловых двигателей

4. Использование тепловых двигателей

5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

1. Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу.

- Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

- Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

    Большая часть двигателей, используемых людьми, - это тепловые двигатели.

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. 

 Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а газ (пар), расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия газа (пара) превращается в кинетическую энергию поршня.

  Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Про тепловые двигатели вы уже говорили в 8 классе.

2. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи  градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Тепловая машина работает циклично. Газ, которому передается энергия, нагрет до высокой температуры и соответственно внутренняя энергия такого газа достаточно большая. Расширяясь, газ совершает работу, соответственно охлаждается, его внутренняя энергия уменьшается и совершается полезная работа. В дальнейшем, чтобы все повторилось нам надо перевести наш тепловой двигатель в первоначальное состояние, таким образом, чтобы работа вновь повторилась. Для этого нам необходимо газ охлаждать. Для рассмотрения всех процессов, происходящих в ТД, удобно рассматривать газ, находящийся в цилиндре под поршнем. В этом случае мы говорим, что газ совершает работу по перемещению поршня. Работа этого поршня и будет считаться полезной.

   Однозначно классифицировать ТД нельзя. Существует много признаков, по которым различают тепловые двигатели: по назначению двигателей, по роду используемого топлива, по способу преобразования тепловой энергии в механическую, по способу регулирования в связи с изменением нагрузки и т.д.

Основная классификация тепловых двигателей по способу подвода теплоты к рабочему телу:

1. Двигатели внутреннего сгорания
2. Двигатели внешнего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива и выделение теплоты с преобразованием в механическую работу — происходят непосредственно внутри двигателя.

Двигатели внешнего сгорания – класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Это, например, паровая турбина, газовая турбина, паровая машина.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

    Первая часть - нагреватель. Нагревателем в ТД является процесс сгорания топлива. Именно в этот процесс включается образование газа. Нагреватель характеризуется температурой нагревателя Тн, т.е. температура того, газа, который образовался. И конечно количеством теплоты, который передается этому газу.

    Газ, образовавшийся в результате, того что сгорело топливо, называется рабочим телом. Рабочее тело и совершает работу. И оставшееся, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

 Холодильником, как правило, является окружающая среда. Именно температура холодильника в данном случае нам говорит о том, до какой температура мы должны понизить температуру рабочего тела, чтобы перевести машину в первоначальное состояние.

 Работу, которое совершает рабочее тело, газ при расширении, мы определяем следующим образом: A=| Q 1|– |Q 2|. Важное значение имеет цикличность работы. Работа двигателя будет оправдана в том случае, если работа по сжатию газа будет меньше, чем работа, произведенная самим газом. В этом случае работа газа совершается при расширении, т.е. тогда, когда давление газа будет больше атмосферного. А в случае охлаждения газа, сжатие газа будет производиться внешними силами, тогда работа газа будет считаться отрицательной.

3. КПД тепловых двигателей

КПД теплового двигателя – важнейшая его характеристика. ТД подчиняется первому закону термодинамики и конечно же второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах. η =  ·100%       η =  ·100%

Qн – теплота, полученная от нагревателя, Дж      Qх - теплота, отданная холодильнику, Дж

Этот КПД является реальным, т.е.  как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ для определения (через термодинамическую температуру):

η =  ·100%     Тн – термодинамическая температура нагревателя,  К

                                Тх -  термодинамическая температура холодильника,  К.

И этот коэффициент полезного действия получил название максимального

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Тх, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Не существует теплового двигателя,  у которого КПД = 100% или 1.

Формула  дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. 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.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

4. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима.  Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. 

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

       Тепловые двигатели- паровые турбины- устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном- поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- ДВС и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:  Паровой двигатель – 8%;  Паровая турбина – 40%; Газовая турбина – 25-30%;

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%;  Дизельный двигатель – 40– 44%; Реактивный двигатель – 25%

5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды   Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивают возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых двигателях химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания. 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. Дальнейшее существенное увеличение концентрации СО2 в атмосфере может привести к повышению ее температуры («парниковый эффект»).
3.  при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными

соединениями, вредными для растений, животных  и  для здоровья человека.

4. Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.
5. Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).

  Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
2. использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;
3. 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.

Приложение 3

Решение расчетных задач

Задачи.

1. Найти КПД теплового двигателя, если газ получает от нагревателя 200 Дж теплоты и отдает холодильнику 135 Дж.
2. Чему равен КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 800оС, а температура холодильника 25оС?
3. Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с температурой нагревателя 727 оС и температурой холодильника 27 оС.
4. Каков КПД теплового двигателя, если рабочее тело, получив от нагревателя количество теплоты 1,6 МДж, совершило работу 400 кДж? Какое количество теплоты передано холодильнику?

Приложение 4

Вопросы для закрепления материала.

1. Какие машины называются тепловыми?
2. Каков принцип работы тепловых двигателей?
3. Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.
4. Что называют кпд теплового двигателя?
5. По какой формуле рассчитывают КПД реальной машины?
6. По какой формуле рассчитывают КПД идеальной  машины? Каков ее смысл?
7. Назовите какие виды тепловых машин вам известны?

Тест для закрепления материала

(Тест   получает каждый студент)

1. Какие устройства относятся к тепловым двигателям:

 а) превращающие тепловую энергию в механическую;

 б) электрическую энергию в тепловую;

 в) внутреннюю энергию в тепловую

2. Какой элемент теплового двигателя совершает работу:

 а) холодильник;

 б) газ или пар;

 в) нагреватель;

3. Какие условия необходимы для циклического получения механической работы в тепловом двигателе:

 а) наличие нагревателя и холодильника;

 б) наличие рабочего тела и холодильника;

 в) наличие нагревателя и рабочего тела

4.Коэффициент полезного действия теплового двигателя:
а) отношение времени полезной работы ко времени, затраченному на техническое обслуживание и ремонт;
б) отношение механической работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя;

в) отношение температуры нагревателя к температуре охладителя.

5. КПД теплового двигателя всегда:

 а) больше1;

 б) равен 1;

 в) меньше 1.

6.Для приближения КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, к единице, необходимо:
а) повышать температуру нагревателя и понижать температуру холодильника;
б) повышать температуру холодильника и понижать температуру нагревателя;
в) повышать температуру холодильника и нагревателя;
г) понижать температуру холодильника и нагревателя;
д) стремиться сделать равной температуру холодильника.

7. Термодинамика позволяет при известной температуре. Т1 источника тепла (нагревателя) и температуре Т2 приемника тепла (холодильника) ...

а)...рассчитать кпд любого теплового двигателя.

б)...оценить максимальный кпд любого теплового двигателя.

в)...оценить минимальный кпд любого теплового двигателя...

г)...определить конструкцию двигателя с кпд 100%.

Эталоны ответов:1А, 2Б , 3В, 4В, 5 В, 6 А, 7Б.

Задачи  

1 уровень. Чему равен КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя 5000 С, а температура холодильника 200 С?

2 уровень. Температура нагревателя 1500 С, а холодильника 200 С. От нагревателя получено 105 кДж количества теплоты. Определить работу, произведенную машиной, если считать ее идеальной.

Эталоны ответов к задачам

1. КПД=62%

2. А=31 МДж

Критерии оценки: за решение задачи 1 уровня– «3» балла

за решение задачи 1и 2  уровня (имеются недочеты)– «4» балла

  за решение задачи 1и 2  уровня – «5» баллов

Приложение 5

Творческое применение и добывание знаний

Влияние тепловых двигателей на  здоровье человека.

     Вещества, содержащиеся в выхлопных газах (СО, СО2, СН4, SO2, NO2, и другие) наносят большой вред окружающей среде. Считается, что один автомобиль выделяет 1000-1200 вредных компонентов, многие из которых очень токсичны.

      Коварным газом является оксид углерода  СО, или угарный газ. В легких он  соединяется с гемоглобином крови в 200-300 раз быстрее, чем кислород. При сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания. Зарегистрированы случаи, когда, попадая в районы интенсивного автомобильного движения, люди теряли сознание. Угарный газ угнетает также активность ферментов клеток печени, сердца, мозга, повышает уровень сахара в крови. 

   Выбросы сернистого газа SO2 и оксидов азота вызывают заболевания дыхательных путей.

Кроме того, соединения азота неблагоприятно действуют на кровь и на кровеносные

сосуды. Считается, что оксиды азота в десять раз опаснее, чем оксид углерода.

   Свыше 100 лет назад английский химик А.Смит ввел понятие кислотные дожди, но о них

стали говорить только в последнее время. Как они образуются? Какое влияние они оказывают на природу? Содержащиеся в выбросах автомобилей газы, такие, как углекислый, сернистый, оксиды азота, растворяясь в дождевой воде, образуют кислоты.

  Кислотные осадки (дождь, туман, снег), оседая на почву и вступая с ней во взаимодействие, способствуют образованию ионов алюминия и других токсичных металлов, что приводит к загрязнению как поверхностных, так и грунтовых вод.

Алюминий, например, способен вызвать болезнь Альцгеймера, заключающуюся в преждевременном старении и развитии умственной неполноценности. 

            Содержащиеся в отработанных газах автомобилей алканы, алкены и арены вызывают депрессию центральной нервной системы. При взаимодействии с оксидами азота они под действием солнечного излучения образуют фотохимический смог, содержащий соединения, значительно превышающие по своей токсичности исходные (появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость, воспаляются глаза, слизистые оболочки носа, горла, обостряются легочные заболевания).

      При сжигании топлива происходят выбросы и твердой фазы (сажи). Попадая в поверхностные воды, сажа способствует повышению их щелочной реакции. В саже содержится сильное канцерогенное вещество - бензопирен. Высокая заболеваемость злокачественными опухолями у людей, длительное время дышавших воздухом с бензопиреном, установлена статистически. Особенно много бензопирена выделяется на холостом ходу, во время разгона, торможения, а также при езде по плохим дорогам.

    Еще одним чрезвычайно вредным компонентом автомобильных выхлопов является свинец. По международной классификации - это один из наиболее токсичных элементов. Вследствие применения этилированного бензина в атмосферу выбрасывается ежегодно около 200 тыс. т свинца. Он вызывает заболевания крови, нарушение функции почек, нервные расстройства, отрицательно влияет на синтез белка и наследственность.

 Выражение «Жми на акселератор - получишь акселерацию». Как его объяснить? Согласно гипотезе инженера К. Арсеньева  причиной акселерации является увеличение  содержания углекислого газа в атмосфере. Так, рост солдат XVIII  (по антропологическим исследованиям скелетов участников Полтавской битвы) оказался на 20 см меньше, чем у современных призывников. Результаты исследования знали, что акселерация больше свойственна детям в городах  (из-за загрязненности воздуха усиливаются дыхательные процессы), чем на селе. Так, по данным 1900 г., объем грудной клетки у городских детей достигал объема головы в годовалом возрасте, а в 1967 г. уже в 2-3-месячном.

   Более 300 тыс. человек ежегодно погибают в России из-за неблагополучного состояния

окружающей среды. Это значение превышает количество всех других причин смерти в

нашей стране. Причем с каждым годом экологическая обстановка только ухудшается —

зоны экологического неблагополучия охватывают уже около 15% территории страны. До

40 тысяч человек в России каждый год умирают исключительно от болезней, связанных с

дыхательной системой.

Волжский филиал

ГБОУ СПО

«Волгоградский медицинский колледж»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

КОМБИНИРОВАННОГО

ЗАНЯТИЯ

Раздел 3. Молекулярная физика. Термодинамика.

Тема: «Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей»

дисциплина ОУД. 08  ФИЗИКА

 Курс 1

Специальность:

34.02.01  «Сестринское дело»

Форма обучения: очная

Количество часов: 2

Разработчик: Преподаватель физики

Бондаренко Л.В.

Методическая разработка

рассмотрена одобрена

на заседании УМО № 3

Председатель УМО __________

/  

                                                          «_____»________20___г.

Волжский 2016 г.

Методическая разработка теоретического занятия № 17

Специальность: 34.02.01 «Сестринское дело» Дисциплина ОУД. 08  Физика

ТЕМА: «Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей»

Тип занятия: изучение нового материала.

Вид занятия: урок (комбинированное занятие).

Уровень усвоения информации: первый (узнавание ранее изученных объектов, свойств) + второй (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством)

Цели:

Учебные: 

- дать понятие тепловых двигателей, принципов работы тепловых двигателей;

- вывести формулу для расчета коэффициента полезного действия теплового двигателя;  

- сформировать представление об устройстве и принципе действия тепловых двигателей и понятие об идеальной тепловой машине Карно;

 - расширить знания учащихся по экологическим проблемам использования тепловых двигателей;

- осмыслить практическую значимость, полезность приобретаемых знаний и умений

Воспитательные:

- воспитывать у учащихся чувство ответственности перед последующими поколениями, поэтому рассмотрим влияние тепловых двигателей на окружающую среду.

- формировать экологическую культуру и активную жизненную позицию.

- воспитывать сознательное отношение к учебе и заинтересованность в изучении физики;

-  обеспечить условия для воспитания интереса к предмету;

Развивающие:

- развивать активность студентов, умения анализировать полученную 

информацию, сравнивать, делать выводы и обобщать;  

- развивать речь, совершенствовать интеллектуальные способности; решать тренировочные задачи.

Формирование требований ФГОС при изучении темы  

«Тепловые двигатели и их КПД»

Студент должен:

Знать: смысл понятий: абсолютная (термодинамическая) температура, количество теплоты, коэффициент полезного действия; вклад российских и зарубежных ученых, оказавших наибольшее влияние на развитие физики.

Уметь: объяснять принцип действия тепловых двигателей; применять полученные знания для решения физических задач; воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях СМИ, научно-популярных статьях; использовать новые информационные технологии для поиска, обработки и предъявления информации по физике в компьютерных базах данных и сетях (сети Интернета).

Интеграционные связи: экология, медицина, история, химия, математика

Формы организации учебной деятельности студентов: фронтальная, индивидуальная.

 Применяемые на занятии методы обучения:

  - по источнику информации: словесные, наглядные;

- по степени активности обучаемых: объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый;

Место проведения: классная аудитория.

Оснащение: Методическая разработка по теме, раздаточный дидактический материал, (тестовые задания) для учащихся.

Основные этапы занятия:

1. Организационный момент – 2 мин.
2.  Вводная мотивация: постановка целей, изложение плана урока – 3 мин.
3.  Актуализация  опорных знаний  ( физический диктант) – 10 мин.
4. Изучение нового материала – 35-40 мин.
5. Решение расчетных задач -10 мин.
6.  Первичное закрепление знаний - 10 мин.
7.  Творческое применение и добывание знаний -10-15 мин.
8. Подведение итогов – 2 мин.
9. Домашнее задание – 3 мин.  конспект лекции.   

Литература:

1. Учебник физики Физика, 10 класс, Часть 1, Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., 2010
2. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений (с приложением на электронном носителе). Базовый и профильный уровни - М.: Просвещение, 2011 г.

  Актуальность изучения темы

Как известно, экологическая обстановка на Земле и в нашей стране продолжает ухудшаться: озоновая дыра в Антарктике не уменьшается, а загрязненность Мирового океана и воздушной оболочки планеты повышается.

Известно, что более 60 млн. тонн вредных веществ выбрасывают в атмосферу ежегодно наши промышленные предприятия, около 37 млн. тонн таких веществ попадает в нее вместе с выхлопными газами автотранспорта, примерно 30 млрд. м3 воды, загрязненной промышленными и бытовыми отходами, стекает в реки, озера, моря. В более чем 100 городах, где проживает приблизительно 50 млн. человек, предельно допустимые концентрации вредных веществ, превышены в 10 (и больше!) раз.

Автомобили на сегодняшний день в России - главная причина загрязнения воздуха в городах. Сейчас в мире их насчитывается более полумиллиарда. В России автомобиль имеет каждый десятый житель, а в больших городах - каждый пятый. Выбросы от автомобилей в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне 60-90 см. от поверхности земли и, особенно на участках автотрасс, где стоят светофоры. Автомобили выбрасывают в атмосферу диоксид и оксид углерода, оксиды азота, формальдегид, бензол, бензопирен, сажу (всего около 300 различных токсичных веществ). При истирании автомобильных шин об асфальт атмосфера загрязняется резиновой пылью, вредной для здоровья человека. Автомобиль расходует огромное количество кислорода. За неделю в среднем легковой автомобиль выжигает столько кислорода, сколько его четыре пассажира расходуют на дыхание в течение года. С ростом числа автомобилей уменьшается площадь, занятая растительностью, которая дает кислород и очищает атмосферу от пыли и газа, все больше места занимают площадки для парковок, гаражи и автомобильные дороги. На свалках скапливаются изношенные шины, ржавые корпуса. Впрочем, старые кузова автомобилей можно увидеть и во дворах и на пустырях.

Автомобили загрязняют почву. Одна тонна бензина, сгорая, выделяет 500-800 кг.вредных веществ. Если двигатель машины работает на бензине, с добавлением свинца, то они загрязняют почву этим тяжелым металлом вдоль дороги в полосе шириной 50-100 м, а если дорога идет вверх, и двигатель работает с нагрузкой, и загрязненная полоса имеет ширину до 400 м! Свинец, загрязняющий почву, накапливается растениями, которыми питаются животные. С молоком и мясом металл попадает в организм человека и может стать причиной тяжелых болезней.

Ход занятия:

Приложение 1

Вопросы для физического диктанта

 В1.     1. Что понимают под внутренней энергией?

 В2.    1. Что понимают под внутренней энергией?

 В1.    2. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?

 В2.    2. Назовите способы теплопередачи

 В1.    3. По какой формуле вычисляют внутреннюю энергию идеального газа?

 В2.    2. По какой формуле вычисляют работу газа в термодинамике?

 В1.    4. Запишите формулу и сформулируйте 1 закон термодинамики.

  В2.    4. Сформулируйте закон сохранения энергии в тепловых процессах.

  В1.    5. Какой процесс называют необратимым?

  В2.    5. Сформулируйте второй  закон термодинамики.

Приложение 2

Изучение нового материала

План изложения учебного материала по теме

1. Понятие теплового двигателя

2. Устройство и принцип действия тепловых двигателей

3. КПД тепловых двигателей

4. Использование тепловых двигателей

5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

1. Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу.

- Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

- Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

    Большая часть двигателей, используемых людьми, - это тепловые двигатели.

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. 

 Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а газ (пар), расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия газа (пара) превращается в кинетическую энергию поршня.

  Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Про тепловые двигатели вы уже говорили в 8 классе.

2. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи  градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Тепловая машина работает циклично. Газ, которому передается энергия, нагрет до высокой температуры и соответственно внутренняя энергия такого газа достаточно большая. Расширяясь, газ совершает работу, соответственно охлаждается, его внутренняя энергия уменьшается и совершается полезная работа. В дальнейшем, чтобы все повторилось нам надо перевести наш тепловой двигатель в первоначальное состояние, таким образом, чтобы работа вновь повторилась. Для этого нам необходимо газ охлаждать. Для рассмотрения всех процессов, происходящих в ТД, удобно рассматривать газ, находящийся в цилиндре под поршнем. В этом случае мы говорим, что газ совершает работу по перемещению поршня. Работа этого поршня и будет считаться полезной.

   Однозначно классифицировать ТД нельзя. Существует много признаков, по которым различают тепловые двигатели: по назначению двигателей, по роду используемого топлива, по способу преобразования тепловой энергии в механическую, по способу регулирования в связи с изменением нагрузки и т.д.

Основная классификация тепловых двигателей по способу подвода теплоты к рабочему телу:

1. Двигатели внутреннего сгорания
2. Двигатели внешнего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива и выделение теплоты с преобразованием в механическую работу — происходят непосредственно внутри двигателя.

Двигатели внешнего сгорания – класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Это, например, паровая турбина, газовая турбина, паровая машина.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

    Первая часть - нагреватель. Нагревателем в ТД является процесс сгорания топлива. Именно в этот процесс включается образование газа. Нагреватель характеризуется температурой нагревателя Тн, т.е. температура того, газа, который образовался. И конечно количеством теплоты, который передается этому газу.

    Газ, образовавшийся в результате, того что сгорело топливо, называется рабочим телом. Рабочее тело и совершает работу. И оставшееся, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

 Холодильником, как правило, является окружающая среда. Именно температура холодильника в данном случае нам говорит о том, до какой температура мы должны понизить температуру рабочего тела, чтобы перевести машину в первоначальное состояние.

 Работу, которое совершает рабочее тело, газ при расширении, мы определяем следующим образом: A=| Q 1|– |Q 2|. Важное значение имеет цикличность работы. Работа двигателя будет оправдана в том случае, если работа по сжатию газа будет меньше, чем работа, произведенная самим газом. В этом случае работа газа совершается при расширении, т.е. тогда, когда давление газа будет больше атмосферного. А в случае охлаждения газа, сжатие газа будет производиться внешними силами, тогда работа газа будет считаться отрицательной.

3. КПД тепловых двигателей

КПД теплового двигателя – важнейшая его характеристика. ТД подчиняется первому закону термодинамики и конечно же второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах. η =  ·100%       η =  ·100%

Qн – теплота, полученная от нагревателя, Дж      Qх - теплота, отданная холодильнику, Дж

Этот КПД является реальным, т.е.  как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ для определения (через термодинамическую температуру):

η =  ·100%     Тн – термодинамическая температура нагревателя,  К

                                Тх -  термодинамическая температура холодильника,  К.

И этот коэффициент полезного действия получил название максимального

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Тх, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Не существует теплового двигателя,  у которого КПД = 100% или 1.

Формула  дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. 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.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

4. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима.  Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. 

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

       Тепловые двигатели- паровые турбины- устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном- поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном- ДВС и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с дизельными установками; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:  Паровой двигатель – 8%;  Паровая турбина – 40%; Газовая турбина – 25-30%;

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%;  Дизельный двигатель – 40– 44%; Реактивный двигатель – 25%

5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды   Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивают возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых двигателях химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания. 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. Дальнейшее существенное увеличение концентрации СО2 в атмосфере может привести к повышению ее температуры («парниковый эффект»).
3.  при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными

соединениями, вредными для растений, животных  и  для здоровья человека.

4. Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.
5. Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).

  Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
2. использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;
3. 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.

Приложение 3

Решение расчетных задач

Задачи.

1. Найти КПД теплового двигателя, если газ получает от нагревателя 200 Дж теплоты и отдает холодильнику 135 Дж.
2. Чему равен КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 800оС, а температура холодильника 25оС?
3. Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с температурой нагревателя 727 оС и температурой холодильника 27 оС.
4. Каков КПД теплового двигателя, если рабочее тело, получив от нагревателя количество теплоты 1,6 МДж, совершило работу 400 кДж? Какое количество теплоты передано холодильнику?

Приложение 4

Вопросы для закрепления материала.

1. Какие машины называются тепловыми?
2. Каков принцип работы тепловых двигателей?
3. Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.
4. Что называют кпд теплового двигателя?
5. По какой формуле рассчитывают КПД реальной машины?
6. По какой формуле рассчитывают КПД идеальной  машины? Каков ее смысл?
7. Назовите какие виды тепловых машин вам известны?

Тест для закрепления материала

(Тест   получает каждый студент)

1. Какие устройства относятся к тепловым двигателям:

 а) превращающие тепловую энергию в механическую;

 б) электрическую энергию в тепловую;

 в) внутреннюю энергию в тепловую

2. Какой элемент теплового двигателя совершает работу:

 а) холодильник;

 б) газ или пар;

 в) нагреватель;

3. Какие условия необходимы для циклического получения механической работы в тепловом двигателе:

 а) наличие нагревателя и холодильника;

 б) наличие рабочего тела и холодильника;

 в) наличие нагревателя и рабочего тела

4.Коэффициент полезного действия теплового двигателя:
а) отношение времени полезной работы ко времени, затраченному на техническое обслуживание и ремонт;
б) отношение механической работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя;

в) отношение температуры нагревателя к температуре охладителя.

5. КПД теплового двигателя всегда:

 а) больше1;

 б) равен 1;

 в) меньше 1.

6.Для приближения КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, к единице, необходимо:
а) повышать температуру нагревателя и понижать температуру холодильника;
б) повышать температуру холодильника и понижать температуру нагревателя;
в) повышать температуру холодильника и нагревателя;
г) понижать температуру холодильника и нагревателя;
д) стремиться сделать равной температуру холодильника.

7. Термодинамика позволяет при известной температуре. Т1 источника тепла (нагревателя) и температуре Т2 приемника тепла (холодильника) ...

а)...рассчитать кпд любого теплового двигателя.

б)...оценить максимальный кпд любого теплового двигателя.

в)...оценить минимальный кпд любого теплового двигателя...

г)...определить конструкцию двигателя с кпд 100%.

Эталоны ответов:1А, 2Б , 3В, 4В, 5 В, 6 А, 7Б.

Задачи  

1 уровень. Чему равен КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя 5000 С, а температура холодильника 200 С?

2 уровень. Температура нагревателя 1500 С, а холодильника 200 С. От нагревателя получено 105 кДж количества теплоты. Определить работу, произведенную машиной, если считать ее идеальной.

Эталоны ответов к задачам

1. КПД=62%

2. А=31 МДж

Критерии оценки: за решение задачи 1 уровня– «3» балла

за решение задачи 1и 2  уровня (имеются недочеты)– «4» балла

  за решение задачи 1и 2  уровня – «5» баллов

Приложение 5

Творческое применение и добывание знаний

Влияние тепловых двигателей на  здоровье человека.

     Вещества, содержащиеся в выхлопных газах (СО, СО2, СН4, SO2, NO2, и другие) наносят большой вред окружающей среде. Считается, что один автомобиль выделяет 1000-1200 вредных компонентов, многие из которых очень токсичны.

      Коварным газом является оксид углерода  СО, или угарный газ. В легких он  соединяется с гемоглобином крови в 200-300 раз быстрее, чем кислород. При сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания. Зарегистрированы случаи, когда, попадая в районы интенсивного автомобильного движения, люди теряли сознание. Угарный газ угнетает также активность ферментов клеток печени, сердца, мозга, повышает уровень сахара в крови. 

   Выбросы сернистого газа SO2 и оксидов азота вызывают заболевания дыхательных путей.

Кроме того, соединения азота неблагоприятно действуют на кровь и на кровеносные

сосуды. Считается, что оксиды азота в десять раз опаснее, чем оксид углерода.

   Свыше 100 лет назад английский химик А.Смит ввел понятие кислотные дожди, но о них

стали говорить только в последнее время. Как они образуются? Какое влияние они оказывают на природу? Содержащиеся в выбросах автомобилей газы, такие, как углекислый, сернистый, оксиды азота, растворяясь в дождевой воде, образуют кислоты.

  Кислотные осадки (дождь, туман, снег), оседая на почву и вступая с ней во взаимодействие, способствуют образованию ионов алюминия и других токсичных металлов, что приводит к загрязнению как поверхностных, так и грунтовых вод.

Алюминий, например, способен вызвать болезнь Альцгеймера, заключающуюся в преждевременном старении и развитии умственной неполноценности. 

            Содержащиеся в отработанных газах автомобилей алканы, алкены и арены вызывают депрессию центральной нервной системы. При взаимодействии с оксидами азота они под действием солнечного излучения образуют фотохимический смог, содержащий соединения, значительно превышающие по своей токсичности исходные (появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость, воспаляются глаза, слизистые оболочки носа, горла, обостряются легочные заболевания).

      При сжигании топлива происходят выбросы и твердой фазы (сажи). Попадая в поверхностные воды, сажа способствует повышению их щелочной реакции. В саже содержится сильное канцерогенное вещество - бензопирен. Высокая заболеваемость злокачественными опухолями у людей, длительное время дышавших воздухом с бензопиреном, установлена статистически. Особенно много бензопирена выделяется на холостом ходу, во время разгона, торможения, а также при езде по плохим дорогам.

    Еще одним чрезвычайно вредным компонентом автомобильных выхлопов является свинец. По международной классификации - это один из наиболее токсичных элементов. Вследствие применения этилированного бензина в атмосферу выбрасывается ежегодно около 200 тыс. т свинца. Он вызывает заболевания крови, нарушение функции почек, нервные расстройства, отрицательно влияет на синтез белка и наследственность.

 Выражение «Жми на акселератор - получишь акселерацию». Как его объяснить? Согласно гипотезе инженера К. Арсеньева  причиной акселерации является увеличение  содержания углекислого газа в атмосфере. Так, рост солдат XVIII  (по антропологическим исследованиям скелетов участников Полтавской битвы) оказался на 20 см меньше, чем у современных призывников. Результаты исследования знали, что акселерация больше свойственна детям в городах  (из-за загрязненности воздуха усиливаются дыхательные процессы), чем на селе. Так, по данным 1900 г., объем грудной клетки у городских детей достигал объема головы в годовалом возрасте, а в 1967 г. уже в 2-3-месячном.

   Более 300 тыс. человек ежегодно погибают в России из-за неблагополучного состояния

окружающей среды. Это значение превышает количество всех других причин смерти в

нашей стране. Причем с каждым годом экологическая обстановка только ухудшается —

зоны экологического неблагополучия охватывают уже около 15% территории страны. До

40 тысяч человек в России каждый год умирают исключительно от болезней, связанных с

дыхательной системой.