Исследовательская работа История развития тепловых двигателей

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение основная общеобразовательная школа с.Мякиши Верхошижемского района Кировской области

История развития тепловых двигателей-

история прогресса

Учебно-исследовательская работа

Работу выполнили ученицы 8 класса

Урлапова Алина

Юрлова Надежда

Под руководством учителя физики

Гониной Любовь Алексеевны

2013

История развития тепловых двигателей

Цель:

исследовать, действительно ли история развития тепловых двигателей - это история прогресса.

Содержание работы:

1. Введение.

2. История создания теплового двигателя.

3. История создания двигателя внутреннего сгорания.

4. Применение тепловых двигателей.

5. Практическая часть исследовательской работы.

- Задача

- Изготовление моделей тепловых двигателей.

6. Проверь свои знания по теме «История тепловых двигателей»

7. Вывод.

1. ВВЕДЕНИЕ.

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. 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. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1,полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины: Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 - η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). В применяемых в технике двигателях используются различные круговые процессы

Действительно ли история развития тепловых двигателей - это история прогресса? Такой вопрос мы поставили перед собой перед началом работы.

Тепловые двигатели имеют исключительно важное значение:

- в жизни человеческого общества,

- в развитии техники,

- в развитии энергетики;

- в развитии транспорта.

Очень важное значение для перехода к машинному производству было изобретение паровой машины, сделало возможным изобретение парохода(1807) и паровоза (1814). Изобретение паровой турбины позволило резко увеличить мощности электростанций. Сегодня паровая турбина-основной первичный двигатель на тепловых и атомных электростанциях. Изобретение двигателя внутреннего сгорания вызвало к жизни автомобилестроение и авиацию.

2. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

* 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 («архитронито»). 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. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром (эолипил). Этот эолипил представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. Для этого в вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками и под ним был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, выделявшийся пар поступал во внутреннюю полость шара и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара. По существу, эолипил - это не что иное, как паровая реактивная турбина. Конечно, эолипил 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.

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.

* Дени 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.

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.
Вклад Папена в науку и технику не ограничивается работами над созданием паровой машины. До сих пор успешно применяется его изобретение - автоклав. Ему же принадлежит изобретение предохранительного клапана. Известны его работы по изучению свойств водяного пара. На родине Папена, в маленьком французском городке Блуа, ему установлен красивый памятник. На вершине лестницы мраморный пьедестал, на котором стоит бронзовая фигура, прижимающая к боку цилиндр паровой машины.

* 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.

* 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.

Первый универсальный тепловой двигатель был создан в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае И. И. Ползуновым.
Кроме того, Ползунов внес серьезные усовершенствования в конструкцию рабочих органов двигателя, применил оригинальную систему паро - и водораспределения, и в отличие от машин Ньюкомена ось вала его машины была параллельна плоскости цилиндров. Проект своей машины Ползунов изложил в 1763 г. в записке, адресованной начальнику Колывано-Воскресенского горного округа А. И. Порошину.
Свою машину И. И. Ползунов начал строить в 1764 г. К нему прикомандировали четырех учеников, которых он должен был обучить не только теории, но и ремеслам. Машина была изготовлена в декабре 1765 г. А в мае 1766 г. ее создатель умер от чахотки. Машина была испытана уже после его смерти в октябре 1766 г. и работала, в общем, удовлетворительно. Как всякий первый образец, она нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла. Но изобретателя не было в живых, а без него устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г., а затем была разобрана.

Ползунов родился в 1728 г. на Урале в семье солдата. В 1742 г. окончил арифметическую школу и начал служить на Екатеринбургском заводе. Когда ему исполнилось 19 лет, был переведен на Алтай на Колывано-Воскресенские заводы, принадлежавшие царской семье, где занимал низшие технические должности. Но затем его назначили в Барнаульское комиссарское управление, где в 1754 г. он получил чин шихтмейстера, уравнивавший его в правах с первым обер-офицерским чином. Ни в Екатеринбурге, ни на Алтае машин, действующих «при помощи движущей силы огня», не было. Но известно, что в 1762 г. Ползунов и другие специалисты обязаны были изучить «Наставление рудному делу», написанное президентом берг-коллегии и главным судьей монетной канцелярии И. А. Шлаттером, в котором описывались паровые водооткачивающие машины. Есть основания считать, что Ползунов изучил также книги Леупольда и Белидора, в которых также содержалось описание паровых водооткачивающих машин. Обе эти книги перевел на русский язык тот же Шлаттер. Но описанные в них установки не годились ни для чего, кроме откачки воды. 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.

* Кюньо родился в 1725 г. в Лотарингии. Он был хорошо образован и с детства проявил исключительный интерес к технике. К несчастью, он не имел капитала, который позволил бы юноше посвятить себя изобретательству. Чтобы стать материально независимым, Кюньо поступает на службу в армию и вскоре получает звание капитана инженерных войск. Уже тогда он проявил глубокие знания в строительстве современных укреплений, причем попутно осуществил ряд ценных изобретений. Некоторые из его проектов дожили до наших дней.
Инженер 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. Кюньо 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.

*Вклад Уатта в создание паровых машин очень велик .Уатт родился в 1736 г. в Шотландии. В 1754 г. он был отправлен в Глазго для обучения профессии механика, но перебрался в Лондон, а затем вновь вернулся в Глазго и работал там в качестве университетского механика. Там он поддерживал отношения со многими учеными и основательно изучал литературу по паротехнике.
Уже около 1760 г. Уатт начинает заниматься самостоятельными разработками в области паротехники. Известно, что он прочел книги Дезагюлье и Белидора о паровых машинах, принимал участие в опытах Кевендиша и Пристли по анализу воды, измерял теплоту испарения воды и составил таблицу упругости водяного пара. В 1765 году он заинтересовался моделью паровой машины Ньюкомена.
Затратив на изготовление машины все имеющиеся у него средства, Уатт смог уже в конце этого года продемонстрировать работу своей паровой машины. Вскоре Уатт познакомился с Мэтью Болтоном. Можно было заняться ее производством и начать получать прибыль. Но нужно было заинтересовать потребителей, привыкших к хорошо зарекомендовавшим себя машинам Ньюкомена. И Уатт с Болтоном предлагают приобретать у них машины на очень заманчивых условиях. Они дают свои машины бесплатно. Но, для того чтобы не потерять прибыль, Уатту и Болтону приходилось содержать штат высококвалифицированных инженеров, следивших за исправностью и правильной эксплуатацией. Кроме того, нужно было позаботиться о сроке действия патента, так как он был выдан на 14 лет, из которых уже прошло 6, и Уатт занялся хлопотами о его продлении. После долгих хлопот 22 мая 1775 г. его патент был продлен еще на 25 лет.

* Карно (Никола Леонар) Сади (1796-1832), французский физики инженер, один из основателей термодинамики. Труд Карно был, по существу, первым серьезным теоретическим исследованием принципов работы тепловых машин. Хотя он пользовался уже в его время отвергавшимся многими физиками представлением о теплороде, приток которого вызывает нагревание, а отток - охлаждение вещества, ему удалось открыть целый ряд положений, играющих определяющую роль в работе этих машин. Попытки Карно напрямую связать коэффициент полезного действия(КПД) тепловой машины (это - тоже его термин) с температурой нагревателя и холодильника не увенчалась успехом только потому, что в то время еще не была известна абсолютная шкала температур. Так, он дал глубокий анализ того, что водяной пар или воздух выгоднее использовать в качестве рабочего вещества в тепловой машине, доказал, что максимальный теоретически возможный КПД не зависит от конструкции тепловой машины, а определяется только температурой нагревателя и холодильника, и установил много других важнейших положений.

3. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

* Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу. Идея создания ДВС родилась в 17 веке и принадлежит французскому изобретателю Дени Папену. Он задумал сделать из артиллерийского орудия машину, способную совершать полезную работу. Вместо ствола Папен решил поставить вертикальный цилиндр с поршнем внутри. К поршню прикрепили шнур, перекинутый через блоки, а к концу шнура привязали гирю. Взрыв пороха подбрасывал поршень вверх. Затем цилиндр снаружи охлаждали водой, поршень опускался вниз, а гиря поднималась. При первом же испытании машина была разрушена взрывом. В середине 19 века научились получать новое топливо- светильный газ. Тогда-то и вернулись к идее Папена.

* Французский изобретатель Этьен Ленуар ( 1822- 1900) применил для зажигания газовой смеси в цилиндре ДВС. По конструкции он почти ничем не отличался от парового двигателя , но в цилиндр поступал не пар, а смесь светильного газа с воздухом, поджигаемая искрой. Продукты сгорания выбрасывались в атмосферу. Двигатель Ленуара работал во многих странах мира, он обладал бесспорным преимуществом перед паровым двигателем: компактностью, лёгкостью, простотой пуска и эксплуатации.

Однако его КПД не превышал 5%, да и светильный газ в то время стоил дорого. В истории ДВС начался новый этап - борьба за повышение КПД.

*Французский инженер Бо де Роша пришёл к выводу, что газ в цилиндре перед сжиганием надо сжать. Он придумал схему четырёхтактного рабочего цикла нового двигателя. Свои идеи Бо де Роша изложил в книге ,опубликованной в 1862 году, но экспериментальную модель двигателя делать не стал.

*В 1876 году немецкий конструктор Николаус Отто ( 1832- 1891) создал первый четырёхтактный ДВС, КПД которого был равен 22%. Двигатель Отто работал только на смеси светильного газа с воздухом. Для транспортных целей был нужен двигатель, работающий на топливе, которое удобно перевозить.

*В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель.

*В 1897 немецкий инженер Р.Дизель , работая над повышением эффективности ДВС, предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого ДВС на заводе Л. Нобеля в Петербурге (ныне «Русский дизель») в 1898-99 позволило применить в качестве топлива нефть. В результате этого ДВС становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем.

* В 1901 в США был разработан первый трактор с ДВС.

*Дальнейшее развитие автомобильных ДВС позволило братьям О. и У.Райт построить первый самолёт с ДВС, начавший свои полёты в 1903.

*В том же 1903 русские инженеры установили ДВС на судне «Вандал», создав первый теплоход.

*В 1924 по проекту Я. М.Гаккеля в Ленинграде был создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз.

* По роду топлива ДВС разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые.

*По способу заполнения цилиндра свежим зарядом - на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха - на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

*К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, в которых горючая смесь из жидкого топлива и воздуха образуется в карбюраторе, и газосмесительные, в которых горючая смесь из газа и воздуха образуется в смесителе. В ДВС с внешним смесеобразованием зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой.

*В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры. Газовые ДВС работают большей частью на природном газе и газах, получаемых при производстве жидкого топлива.

Газовые двигатели, использующие природные газы, применяются на стационарных электростанциях, компрессорных газоперекачивающих установках и т. п. Сжиженные бутано-пропановые смеси используются для автомобильного транспорта (газобаллонный двигатель).

* Максимальный эффективный КПД наиболее совершенных ДВС около 44%. Основным преимуществом ДВС, так же как и других тепловых двигателей (например, реактивных двигателей ), перед двигателями гидравлическими и электрическими является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. п.), в связи с чем установки, оборудованные ДВС, могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Это обусловило широкое применение ДВС на транспортных средствах (автомобилях, с.-х. и строительно-дорожных машинах, самоходной военной технике и т. п.).

4. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

* Первый в России паровоз - Черепановы, российские изобретатели, крепостные заводчиков Демидовых: отец Ефим Алексеевич (1774-1842) и сын Мирон Ефимович (1803-49) построили первый в России паровоз.

*Первый мотоцикл - в 1869 году во Франции братьями Пьером и Эрнестом Мишо был создан первый мотоцикл. Он представлял собой велосипед с маленьким одноцилиндровым паровым двигателем. Блок на двигателе соединялся с блоком на заднем колесе с помощью гибкого кожаного ремня. Автомобиль (от авто... и лат. mobilis - подвижной, легко двигающийся), транспортная безрельсовая машина главным образом на колесном ходу, приводимая в движение собственным двигателем (внутреннего сгорания, электрическим или паровым).

* Первый автомобиль с паровым двигателем построен Ж. Кюньо (Франция) в 1769-70, с двигателем внутреннего сгорания - Г. Даймлером, К. Бенцем (Германия) в 1885-86. Различают автомобили пассажирские (легковые и автобусы), грузовые, специальные (пожарные, санитарные и др.) и гоночные. Скорость легковых автомобилей до 300 км/ч, гоночных до 1020 км/ч (1993), грузоподъемность грузовых автомобилей до 180 т. Создателем первого автомобиля является немецкий инженер Карл Бенц. Но существуют более ранние модели самодвижущихся повозок, такие как мусколоход улитка Деметрия Фалернского, созданный около 2000 лет назад.

* Бенц, в 1885 году построил трехколесный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания собственной конструкции, но за пределы фабрики на нем не выезжал. Когда 29 января 1886 года он оформил патент ДРП 37435 на самодвижущийся экипаж как таковой, стало возможным провести публичную демонстрацию своего детища. Выезд состоялся 3 июля 1886 года.

В 1901 увидел свет автомобиль «Мерседес», который явился для многих заводов образцом для подражания и стал на долгое время классической конструкцией.

*Механик-самоучка Иван Кулибин (1735-1818) родился в 1735 году в Нижнем Новгороде в семье мелкого торговца мукой. Его отец был старообрядцем, и сына воспитывал в строгих правилах, приучая к труду. Начав учиться, Иван уже не мог остановиться и, не имея другой возможности, стал самостоятельно изучать науки по книгам, в том числе и по сочинениям Михаила Ломоносова. Трехколесную "самокатку" Иван Кулибин изобрел в 1791 году. Самокатку приводили в движение «мускульной силой». Слуга, находившийся «на запятках», нажимал на педали, от которых шла передача через зубчатое колесо храпового механизма, насаженного на ось маховика, через коробку передач на одно из задних колес. Роль тормозов выполняли пружины. При наклоне дороги или после разгона слуга мог отдохнуть -«самокатка» ехала сама. Подшипники скольжения уменьшали трение. Модель «самокатки» не сохранилась, ее удалось восстановить по оставшимся чертежам, и теперь в Государственном политехническом музее в Москве можно посмотреть, как она работала. Паровые машины оказались победителями среди тепловых машин. Они единственные служат и сейчас на тепловых и атомных электростанциях и мощных судах!

5. Практическая часть исследовательской работы.

Задача:

- используя оборудование, определить, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива (сухого горючего), необходимого для нагревания воды от комнатной температуры до 50⁰С,

- рассчитать, какое количество теплоты пошло на нагревание воды,

- рассчитать КПД нагревательной установки,

- попробовать объяснить полученные результаты,

- в ходе выполнения работы, заполнить таблицу.

№

Физическая величина, единицы измерения

Значение величины

1

Объем воды в мензурке V, см³

100 ± 0,1

2

Масса этой воды m₁, кг

0,1

3

Удельная теплоемкость воды c, Дж/(кг∙⁰С)

4200

4

Начальная температура воды t₁, ⁰С

20

5

Конечная температура воды t_2, ⁰С

65

6

Количество теплоты, пошедшее на нагревание воды Q₁, Дж

18900

7

Масса кусочка спирта до нагревания m₂, кг

0,020

8

Масса кусочка спирта после нагревания m₃, кг

0,008

9

Масса сгоревшего спирта ∆ m, кг

0,012

10

Удельная теплота сгорания спирта q, Дж/ кг

2,7∙10⁶

11

Количество теплоты Q₂, выделившееся при сгорании ∆ m спирта _, Дж

32400

12

Коэффициент полезного действия нагревательной установки КПД, %

58%

Выводы по работе:

В тепловых двигателях не вся внутренняя энергия пара или газа превращается в механическую энергию. Тепловой двигатель состоит из: нагревателя (камеры сгорания, парового котла); рабочего тела (газ, пар) и холодильника (внешняя среда, конденсатор). 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

КПД паровой машины составляет 8-12 %, паровой или газовой турбины 20-40 %, ДВС 20-25 % (у карбюраторных) и 30-36 % (у дизелей).

Энергия топлива 100%

35%- потери энергии с выхлопом газов

25%-полезная работа

25%-потери энергии на трение и др.

10-15%-потери в системе охлаждения

КПД нашей нагревательной установки 58 % означает, что 42% энергии сгоревшего спирта было израсходовано на нагревание воздуха, сосуда, в котором находилась вода.

Изготовление моделей тепловых двигателей

1.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.

Водяной пар, имеющий избыточное давление по сравнению с окружающей средой, совершает работу, вращая вертушку, внутренняя энергия пара уменьшается, он охлаждается.

2. 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.

Внутренняя энергия топлива превратилась во внутреннюю энергию воды, а затем водяного пара. Пар, расширяясь, вырывается из отверстия и , совершая работу, охлаждается. Пароходик, по 3 закону Ньютона, движется.

3. 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.

Внутренняя энергия топлива перешла во внутреннюю энергию воды, а затем пара; пар, расширяясь, совершает работу; часть его энергии превращается в механическую энергию пробки, тележка, по 3 закону Ньютона, откатывается назад.

6. Проверь свои знания по теме «История развития тепловых двигателей»

1.Наша школа очень медленный и совершенно безвредный тепловой двигатель. Почему?

2. Почему иногда подпрыгивает крышка чайника, когда в нем кипит вода?

3.Опишите простейшую модель теплового двигателя? Зачем нужен холодильник? Какова роль нагревателя? Приведите примеры нагревателя, холодильника.

4.Какой двигатель использовался в первом автомобиле? В первом паровозе? Кем был изобретен паровоз? Автомобиль?

5.Почему невозможно создать вечный двигатель?

6.Каково назначение и действие вентилятора, находящегося перед радиатором внутри автомобиля?

7.Почему ученые и инженеры всех стран работают над проблемой замены н а транспорте тепловых двигателей электродвигателями?

8.Что общего в работе турбины и ДВС? Что отличного?

9. Газ, заключенный в цилиндр, расширяясь, совершил работу. Изменилась ли внутренняя энергия газа, если не было теплообмена с окружающей средой? Объясните.

10.Как влияет неполное сгорание топлива на КПД двигателя?

11. В одну паровую турбину подается пар при температуре 250 ⁰С,а в другую-при 500⁰С. У какой турбины КПД больше, если температура отработанного пара одинакова? Объясните.

С нами загадки играют в прятки.

Он гудит и чертит мелом,

Он рисует белым-белым,

Смело в небе проплывает,

Человек им управляет,

Обгоняет птиц полет.

Что такое?

На рояль он не похожий,

Но педаль имеет тоже,

Кто не трус и не трусиха,

Покатается он лихо,

У него мотора нет,

Его зовут…..

Едет конь стальной, рычит,

Сзади плуг он волочит,

Который роет и копает

И землю разрыхляет.

Все рычит, рычит мотор

Ну, конечно, это…..(трактор).

Несется и стреляет,

Ворчит скороговоркой,

Трамваю не угнаться

За этой тараторкой.

В четыре такта его цикл,

Это быстрый……

Ползет черепаха,

Стальная рубаха, враг в овраг,

И она туда, где враг.

Испугались очень янки

Ах! И чудо наши…..

Ест он уголь, пьет и воду,

А напьется, даст он ходу.

Что ни говори, силен,

Хоть дымит порою он,

Везет обоз на сто колес,

Это сильный……

Он гудит, скажу я, важно,

По воде плывет отважно

И красив, скажу я вам

Коль бежит он по волнам

Не сбавляя быстрый ход

Что такое?........

Кто далеко живет,

Тот пешком не пойдет.

Наш приятель тут как тут,

Всех домчит он в пять минут.

Эй, садись, не зевай,

Отправляется…….

Чтоб тебя я повез,

Мне не нужен овес,

Накорми его бензином

На копыта дай резину,

И тогда поднявши пыль,

Побежит……(автомобиль).

7. ВЫВОД.

Целью нашей работы было - исследовать, действительно ли история развития тепловых двигателей - это история прогресса. В ходе изучения истории развития тепловых двигателей, мы можем высказать своё мнение: создание и развитие тепловых двигателей это действительно большой шаг к развитию научно- технического прогресса.

В дальнейшем возможно рассмотреть, какое пагубное влияние оказывают тепловые двигатели на окружающую среду, какие существуют пути решения этих экологических проблем .

Литература

Блудов М.И. Беседы по физике. М.. Просвещение,1984.

Горлова Л.А. Нетрадиционные уроки, внеурочные мероприятия по физике. 7-11 классы. М.. «Вако»,2006.

Глазунов А.Т. Техника в курсе физики средней школы, М.. Просвещение, 1977.

Кореневская О.В. Доклады. Рефераты. Сообщения. Физика 7 класс. СПб.. изд. дом Литера. 2006.

Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике. М.. Просвещение, 1986.

Перельман Я.И. Занимательная физика.- М.:Столетие,1994.

Тихомирова С.А. Физика в пословицах, загадках и сказках М.. Школьная Пресса,2002.

Уоэллэйс Роберт Мир Леонардо. М.. Терра,1997.

Физика 8 класс, поурочные планы по учебнику Громова С.В., Родиной Н.А..Волгоград, 2006.

Шабловский В.А. Занимательная физика. Нескучный учебник. - СПб: Тригон, 1997.