МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА открытого урока по дисциплине «Физика» на тему: Второе начало термодинамики. Принцип действия тепловых машин. КПД тепловых машин

Управление образования и науки Тамбовской области

ТОГБОУ СПО «Жердевский колледж сахарной промышленности»

Рассмотрено

на заседании цикловой комиссии математических и общих естественно научных дисциплин

Протокол №____ от _______2013

Председатель ЦК

__________ Л.В. Бредищева

Утверждаю

Зав.по воспитательной

работе___________Б.Г.Розман

«____» ___________________2013

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

открытого урока по дисциплине

«Физика»

на тему: Второе начало термодинамики.

Принцип действия тепловых машин.

КПД тепловых машин.

Подготовила: Л.В. Бредищева, преподаватель физики и информатики

Жердевка

2013

Введение 3

Подготовительный этап 4

План занятия 5

Структура занятия 6

Методика проведения занятия 7

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

Введение

Методическая разработка открытого урока является актуальной для преподавателей работающих с внедрением активных методов в учебном процессе.

Данное занятие позволяет глубже узнать о принципах работы тепловых двигателей, а так же знакомит учащихся с историческими событиями рассказывающими о создании транспорта; о первых применениях паровых двигателей в промышленности; о вкладах ученых в развитии физики.

Методическая разработка состоит из основных разделов:

- подготовительный этап, в котором планируется порядок проведения урока;

- структура урока состоит в подробном распределении элементов занятия и изучаемых вопросов, а так же методов обучения и времени, необходимого для изучения темы;

- методика проведения занятия включает в себя подробное описание каждого элемента занятия и его целей;

- заключительный этап анализирует результаты работы и подводит итоги поведенного урока.

Подготовительный этап

Проведение открытого урока по теме «Второе начало термодинамики. Принцип действия тепловых машин. КПД теплового двигателя» является продолжением темы «Работа газа в термодинамике». Вид занятия урок - семинар.

Студенты готовят доклады по теме и презентации к ним самостоятельно.

Начало урока проводится традиционным способом.

Время проведения: 90 минут

Место проведения : аудитория 43

Участники: группа 1Ма

Домашнее задание:

1.задача. Тепловой двигатель получает от нагревателя за одну секунду 7200кДж теплоты и отдает холодильнику 5600кДж. Каков КПД теплового двигателя?

2. Подготовить сообщения: а) карбюраторный двигатель;

Б) паровая турбина: в) газовая турбина;

г) реактивные двигатели

группа

дата

Дисциплина Физика

1 МА

Тема урока Второе начало термодинамики. принцип действия тепловых машин

КПД тепловых машин

Вид урока урок - семинар

Тип урока комбинированный урок

Обеспечение занятия

цель занятий

Образовательная дать понятие обратимых и необратимых процессов; раскрыть физический принцип

действия тепловых машин

Воспитательная показать основные достижения и перспективы применения тепловых двигателей

Развивающая систематизировать и обобщить знания о тепловых двигателях

Межпредметные связи история, техническая механика

Обеспечение занятия

А Наглядные пособия Компьютер, проектор, экран

Б Раздаточный материал

В Технические средства обучения

Г Литература основная В.Ф. Дмитриева Физика

Д Дополнительная Л.С. Жданов Учебник по физике для ССУЗов

Т.Я. Мякишев, Б,Б, Буховцев Физика 10

Структура занятия

Этапы

урока

Элементы урока

Изучаемые вопросы

Метод обучения

Планируемое время

1

2

3

4

1

Организационный момент

Словесный

3 мин

2

Актуализация знаний Индивидуальный опрос

1. Сформулируйте первое начало термодинамики

2. Записать формулу первого закона термодинамики

3. Озвучьте следующие формулы

3. Проверка домашней задачи: В цилиндре под тяжелым поршнем находится углекислый газ (М=0,044 кг/моль) массой 0,20кг. Газ нагревается на 88К. Какую работу он при этом совершает?

Практический

10 мин

3

Объяснение нового материала

1. Исторический путь развития тепловых машин

2. Сообщение студентов: Первые тепловые двигатели

3. Сообщение студентов: Паровая машина И.И. Ползунова

4. Тепловые машины.

5. Принцип работы тепловых машин.КПД

6. Цикл Карно

7. Сообщение студентов: Холодильная машина

8. Двигатели внутреннего сгорания

9. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Словесный

55 мин

4

Закрепление

Задача 1. Температура нагревателя идеальной тепловой машины117 С, а холодильника 27 С. Количество теплоты, получаемое машиной от нагревателя за 1 с, равна 60 кДж. Вычислить КПД машины, количество теплоты, отдаваемое холодильнику в 1 с, и мощность машины.

Дано

t₁=117º C

t₂=27º C

t=1c

Q1=60кДж

СИ

390 К

300 К

60*10³Дж

Решение

Ŋ-?

N-?

Тест:

1. Какая экологическая проблема возникла в связи с появлением быстроходных винтовых судов.

1.участились столкновения судов и их гибель

2. люди стали чаще посещать другие страны, и ускорилось взаимное влияние культур

3. волны от таких судов разрушают берега малых рек

4. резко возросла стоимость судов и проезда на них

2. При разработке нового автомобиля необходимо решать следующую экологическую проблему:

1. Увеличить мощность двигателя

2. Уменьшить токсичность выхлопных газов

3. Улучшить комфортность салона

4. Уменьшить мощность двигателя

3. При работе двигателя внутреннего сгорания происходит переход внутренней энергии топлива в …

1. в потенциальную энергию поршня

2. в кинетическую энергию поршня

3. во внутреннюю энергию поршня

4. в потенциальную энергию выхлопных газов

4. Назовите тепловой двигатель, который работает, не совершая циклический процесс. (огнестрельное оружие, ракета)

5. Какой процесс изменения состояния газа играет основную роль «двигателя» ракеты? Почему? ( адиабатический, т.к. расширение раскаленных газов происходит очень быстро и теплообмен с внешними телами не происходит)

Подведение итогов

Домашнее задание:

Словесный

15 мин

5

Итоги урока

Словесный

2 мин

6

Домашнее задание

Задача Тепловой двигатель получает от нагревателя за одну секунду 7200кДж теплоты и отдает холодильнику 5600кДж. Каков КПД теплового двигателя?

2. Подготовить сообщения: а) карбюраторный двигатель;

Б) паровая турбина: в) газовая турбина;

г) реактивные двигатели

словесный

5 мин

Список используемой литературы

1.

rpp.nashaucheba.ru/docs/index-137495.html

До определенного отрезка времени человечество прекрасно передвигалось на лошадях. Однако с увеличением торговых и прочих контактов между городами и целыми странами необходимо было найти новый вид передвижения по суше, с помощью которого можно было бы надежно и быстро перевозить людей и грузы, преодолевая десятки и сотни километров. И такой транспорт появился в первой половине XIX века

Именно сегодня, мы и поговорим о принципе работы теплового двигателя. Когда Джеймс Уатт в конце 18 века построил первую паровую машину, он хотел «…увеличить власть человека над природой».

Проследим путь развития тепловых машин.

• В 1 веке нашей эры Герон Александрийский греческий механик и математик, изобрел первую тепловую машину «Шар Герона». В шар наливали воду и нагревали над огнем. Вырывающийся из трубки пар приводил в движение шар.

• В 1770г. французский инженер Ж. Кюньо построил самодвижущуюся тележку, приводимую в движение паром, которая была первым (паровым) автомобилем.

• В 1770 г. Джемс Уатт изобрел первую универсальную паровую машину, в которой энергия расширения пара превращается в механическую работу. При поддержке крупного промышленника Болтона за десять лет в период с 1775 по 1785г. фирма Уатта построила 66 паровых машин: из них 22 для медных рудников, 17 для металлургических заводов,7 для водопроводов, 5 для каменноугольных шахт и 2 для текстильных фабрик.

• Изобретение паровой машины сыграло огромную роль в переходе к машинному производству. Недаром на памятнике Уатту написано: "Увеличил власть человека над природой".

• Первый паровоз был сконструирован в 1803 г. английским изобретателем Ричардом Тревитиком. Он назывался "Поймай меня, кто может!" И развивал скорость до 30 км/час.

Доклад «Первые тепловозы» (Приложение 1)

Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. Машина Севери могла использоваться для откачки воды из шахт, поэтому изобретатель назвал её «другом рудокопа» - развитие истории с оловянными рудниками. Затем английский кузнец Томас Ньюкомен усовершенствовал паровой двигатель Севери и в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэтью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой. (слайд 8 ).

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления Ричардом Тревитиком, после того, как Тревитик приспособил свою машину к новым котлам Корниша. Кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Следующим важным шагом в развитии паровых машин стало появление машин двойного действия, в которых свежий (острый) пар поочередно подаётся в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Принцип двойного действия повысил скорость работы машины и улучшил плавность хода.

Но есть сведения, что в 166 г. На Барнаульском заводе была изобретена машина Ползунова.

Доклад : Паровая машина Ползунова (Приложение 2)

Машины, предназначенные для пре­образования внутренней энергии топлива в механическую энергию, называются тепловыми машинами. Механическая энергия далее может преобразовываться в электрическую и лю­бые другие виды энергии.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)

Тепловые двигатели

турбины

дизельные

карбюраторные

Паровые двигатели

газовые

паровые

Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю).

Принципы работы тепловых двигателей

В те годы, когда жил Сади Карно (1796- 1832), наилучшие паровые машины имели КПД 5 %. Это навело на мысль исследовать причины несовершенства тепловых машин и найти пути повышения их КПД. В 1824 г. С. Карно издает работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Эта работа вошла в сокровищницу мировой науки и поставила ее автора в ряды основоположников термодинамики. В ней С.Карно был предложен цикл идеальной тепловой машины.

Доклад: С.Карно (приложение 3)

Тепловой двигатель представляет собой устройство, превращающее внутреннюю энергию топлива в механическую. Энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, путем теплообмена передается газу. Газ, расширяясь, совершает работу против внешних сил, приводя в движение механизм. Устройство теплового двигателя показано на рис. а.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника. Рабочее тело (газ или пар) при расширении совершает работу, получая от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁. Темпера тура нагревателя Т₁ остается постоянной за счет сгорания топлива. При сжатии рабочее тело передает некоторое количество теплоты Q₂ холодильнику, имеюще­му температуру Т₂ < Т₁. Тепловой двигатель должен работать циклически. Если тело из начального состояния А переводится в конечное состояние В, а затем через другие промежуточные состояния возвращается в начальное состояние А, то говорят, что совершается круговой процесс, или цикл (рис. 2.4, б).

В большинстве современных тепловых машин механическую работу совершает газ, расширяющийся при нагревании. Этот газ называют рабочим телом. В автомобильном двигателе рабо­чим телом является воздух, на тепловых паротурбинных элек­тростанциях - водяной пар.

КПД любой тепловой машины равен отношению полезно использованной энергии ко всей затраченной энергии.

у тепловой машины полезно использованная энергия равна работе А

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Законы термо­динамики позволяют вычислить мак­симально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагрева­телем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т_2. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышле­ния о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.).

Карно придумал идеальную теп­ловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он полу­чил для КПД этой машины следую­щее значение:

Как и следовало ожидать, КПД машины Карно прямо пропорцио­нален разности абсолютных темпе­ратур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, что любая реальная тепловая маши­на, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холо­дильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Цикл Карно можно представить графически. Он состоит из двух (23, 41) адиабат и двух изотерм (12, 34).

12- газ (так называемое рабочее тело двигателя) поддерживается в тепловом контакте с нагревателем и получает от него тепло, при этом газ расширяется.

23 процесс адиабатического (т.е теплоизолированного) расширения. В этом процессе газ охлаждается до температуры холодильника.

34- процесс изотермического сжатия, при котором температура газа равна температуре холодильника и газ отдает холодильнику тепло.

41 - процесс адиабатического сжатия газа, при котором газ нагревается до температуры нагревателя, тем самым замыкая цикл.

Невозможность создания машин, совершающих работу без потреблении энергии, привела к попыткам создания «вечного двигателя второго рода» - такой машины, которая бы только потребляла теплоту от окружающих тел и совершала за счет этого полезную работу. Однако создание такого «вечного двигателя» оказалось невозможным, т.к. теплопередача самопроизвольно происходит от горячих тел к холодным.

Формулировка второго закона: невозможно создание периодически действующей тепловой машины, совершающей работу за счет получения количества теплоты от одного тела и не вызывающей при этом никаких изменений в других окружающих средах.

Все тепловые машины работают по так называемому прямому циклу, т.е. осуществляют такой замкнутый процесс, при котором теплота превращается в работу. Однако машину можно заставить работать по обратному циклу, когда в результате совершенной работы от системы отнимается некоторое количество теплоты. В этом случае теплота будет переходить от менее нагретого тела к более нагретому, а машина превратится в холодильную машину.

Примером самой распространенной холо­дильной машины в настоящее время являет­ся домашний холодильник.

Доклад: Устройство холодильника (приложение 4)

В настоящее время наиболее широкое применение получили тепловые машины, работающие по следующим циклам:

1. Цикл Отто - это двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием

2. Цикл Дизеля - это двигатели внутреннего сгорания с самопроизвольным зажиганием горючего. Эти два двигателя используются в автомобилях.

3. Цикл Ренкина - это паровыедвигатели и турбины, которые в прошлом веке приводили в движение паровозы и пароходы, а сейчас используются на атомных электростанциях для получения электроэнергии.

4. Цикл Брайтона, который используется в газовых турбинах, и цикл реактивного движения, используемый в турбореактивных и турбовинтовых двигателях самолета.

Немного из истории создания двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания был изобретен в 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром. Свое название он получил из-за того, что топливо в нем сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя. Аппарат Ленуара имел несовершенную конструкцию, низкий КПД (около3%) и через несколько лет был вытеснен более совершенными двигателями. Наибольшее распространение среди них получил четырех тактовый двигатель внутреннего сгорания, сконструированный в 1878 г. немецким изобретателем Н.Отто. Каждый рабочий цикл этого двигателя включал в себя четыре такта: впуск горючей смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск продуктов сгорания. Отсюда и название двигателя - четырехтактовый.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении. Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в 1886 г. Г.Даймлером. Одновременно с этим Даймлер запатентовал установку своего двигателя на моторной лодке и мотоцикле. В том же году, но чуть позже появился трехколесный автомобиль К. Бенца. Последующие годы явились началом промышленного производства автомобилей.

Двигатель внутреннего сгорания. В наше время чаще встречается на автомобильном транспорте, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск. Для усиления мощности и лучшей системы обеспеченности равномерности вращения вала, используют 4,8 и более цилиндровых двигателей. Особенно мощные двигатели на теплоходах, тепловозах и др. развитие нефтяной промышленности в конце 19 в дало новые виды топлива керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно бензиновую смесь называют горючей смесью.

Паровая турбина. В современной технике так же широко применяют и другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами. В современных турбинах, для увеличения мощности применяют не один, а несколько дисков, насажанных на общий вал. Турбины применяют на тепловых электростанциях и на кораблях.

Природа для человека не только источник продуктов пита­ния и сырья для промышленности. Человек - сам часть природы - нуждается в благоприятной среде жизни с чистой водой и воздухом. Воздух - это физическая смесь газов, образующих земную атмосферу. Он содержит во взвешенном состоя­нии большее или меньшее количество пыли, дыма, частиц соли и других есте­ственных примесей. Как правило, концентрация в воздухе естественных приме­сей не достигает таких значений, при которых они могли бы оказывать отрица­тельное воздействие на организм человека. Существенно более вредным являет­ся загрязнение атмосферного воздуха промышленными выбросами.

Доклад: Охрана окружающей среды

Повсеместное применение тепловых двигателей отрицательно влияет на ок­ружающую среду. Подсчитано, что в настоящее время ежегодно сжигается при­близительно 2 млрд т различных видов каменного угля и около 1 млрд т нефти. Это приводит к постепенному повышению средней температуры на Земле, что может создать угрозу таяния ледников и повышение уровня Мирового океана. Кроме того, в атмосферу выбрасывается не менее 120 млн т золы и до 60 млн т ядовитого сернистого ангидрида. Свыше 200 млн автомобилей во всем мире не­прерывно отравляют атмосферный воздух оксидами углерода и азота, углеводо­родами и др. И это лишь часть вредных примесей, попадающих в атмосферу. С увеличением мощностей тепловых и атомных электростанций резко возрастает потребность в воде, для этих целей в нашей стране используется около 35 % водо­снабжения всех отраслей народного хозяйства.

В настоящее время в ряде стран применяются прямые и косвенные методы защиты воздушного и водяного бассейнов от загрязнения. Прямые методы - это очистка и улавливание дымовых и вентиляционных газов; переход на использо­вание топлив, мало загрязняющих атмосферу, например природного газа, бессер­нистой нефти; создание небензиновых автомобильных двигателей; очистка воды с помощью фильтрообменных смол и повторное ее использование.

Применение косвенных методов обеспечивает значительное снижение концен­траций вредных веществ в самом нижнем слое атмосферы. Эти методы связаны с увеличением высоты источников выбросов и использованием физических законо­мерностей рассеивания примесей в воздухе, с рациональным учетом метеорологи­ческих условий при проектировании и эксплуатации различных предприятий.

Для экономии площадей и водных ресурсов целесообразно сооружать целые комплексы электростанций с замкнутым циклом водоснабжения.

Запрещен ввод в эксплуатацию предприятий и теплоэлектростанций, выбрасы­вающих в атмосферный воздух золу, копоть, пыль, вредные газы без обеспечения их очистки. Вредные производства, как правило, должны выноситься за черту горо­да. В больших масштабах ведется озеленение улиц, разбиваются скверы, парки, сады.

Закрепление.

Задача 1. Температура нагревателя идеальной тепловой машины117 С, а холодильника 27 С. Количество теплоты, получаемое машиной от нагревателя за 1 с, равна 60 кДж. Вычислить КПД машины, количество теплоты, отдаваемое холодильнику в 1 с, и мощность машины.

Дано

t₁=117º C

t₂=27º C

t=1c

Q1=60кДж

СИ

390 К

300 К

60*10³Дж

Решение

Ŋ-?

N-?

Тест:

6. Какая экологическая проблема возникла в связи с появлением быстроходных винтовых судов.

1.участились столкновения судов и их гибель

2. люди стали чаще посещать другие страны, и ускорилось взаимное влияние культур

3. волны от таких судов разрушают берега малых рек

4. резко возросла стоимость судов и проезда на них

7. При разработке нового автомобиля необходимо решать следующую экологическую проблему:

5. Увеличить мощность двигателя

6. Уменьшить токсичность выхлопных газов

7. Улучшить комфортность салона

8. Уменьшить мощность двигателя

8. При работе двигателя внутреннего сгорания происходит переход внутренней энергии топлива в …

1. в потенциальную энергию поршня

2. в кинетическую энергию поршня

3. во внутреннюю энергию поршня

4. в потенциальную энергию выхлопных газов

9. Назовите тепловой двигатель, который работает, не совершая циклический процесс. (огнестрельное оружие, ракета)

10. Какой процесс изменения состояния газа играет основную роль «двигателя» ракеты? Почему? ( адиабатический, т.к. расширение раскаленных газов происходит очень быстро и теплообмен с внешними телами не происходит)

Подведение итогов

Домашнее задание:

• Задача Тепловой двигатель получает от нагревателя за одну секунду 7200кДж теплоты и отдает холодильнику 5600кДж. Каков КПД теплового двигателя?

• 2. Подготовить сообщения: а) карбюраторный двигатель;

• Б) паровая турбина: в) газовая турбина;

• г) реактивные двигатели

приложение 1

Большую роль в развитии железнодорожного транспорта внесли отец и сын Черепановы, крепостные заводчиков Демидовых - Ефим Алексеевич (1774-1842) и Мирон Ефимович (1803-1849). В конце 1810-х годов при Выйском заводе Ефим Черепанов создал "механическое заведение", где под его началом трудились слесари, кузнецы и плотники. На этой базе Ефим в 1820 году построил первую опытную паровую машину. Впоследствии "заведение" превратилось в "Выйскую машиностроительную фабрику". В обстановке почти тотального недоверия отец и сын Черепановы с трудом получили в 1824 году разрешение и десять тысяч рублей на постройку полностью функциональной паровой машины. В итоге, была создана 30-сильная паровая машина для медного рудника. С 1824 года Черепановы построили свыше 20 машин мощностью от 2 до 60 лошадиных сил.

Паровоз Черепановых.

В 1833 году Мирона откомандировали в Англию, чтобы изучать опыт "выделки полосного железа посредством катальных валов" и "томления и плавки стали на тамошний манер". Эта поездка подстегнула Черепановых к постройке первого отечественного паровоза, который в августе 1834 года пустили на "колесопроводы". Паровоз мог перевозить 3,5 тонны груза со скоростью до 15 км/ч, двигаясь по чугунной рельсовой дороге протяженностью 800 метров. В марте 1835-го Черепановы закончили постройку второго паровоза, чья грузоподъемность равнялась 17 тоннам. Для применения паровозов была построена железная дорога Нижнетагильских заводов длиной 3,5 километра. Именно эта дорога является первой в России, а не Царскосельская. Последняя же была запущена в действие 30 октября 1837 года, когда в 12 часов 30 минут паровоз по имени "Проворный" отправился по железной дороге Санкт-Петербург-Царское Село. Это была дорога общего пользования. Черепановы сделали Россию второй после Англии страной в мире, строящей паровозы.

В 1794 году англичане построили первую конно-железную дорогу, которая всем известна под названием конка. Уже в 1803 году заработала конка общественного пользования, т.е. с передвижением пассажирских экипажей - это случилось в графстве Суррей возле Лондона.

Паровоз Тревитика и дорога, по которой он двигался.

Первый паровоз также построил британец. Им оказался Ричард Тревитик (Richard Trevithick), создавший повозку с паровым двигателем, способную двигаться по рельсам со скоростью 7 км/ч и перевозить состав весом 7 тонн (данный локомотив сегодня хранится в Кенсингтонском музее, Великобритания). Для испытания паровоза Тревитика в Лондоне в 1804 году построили скромную рельсовую дорогу. По ней и "бегал" паровоз, которой очевидцы испытаний прозвали "Лови меня, кто сможет". Конструктивно паровоз Тревитика представлял собой двухосную раму с четырьмя колесами, паровым котлом с одной паровой трубой внутри. Поршень рабочего цилиндра выдавался вперед - его движение, c помощью зубчатых колес и кривошипа, передавалось на колеса. Этот паровоз даже был использован на руднике, но своей тяжестью он так давил на чугунные рельсы, что те просто изнашивались, отчего паровоз прекратили эксплуатировать. Следующий паровоз тоже оказался слишком тяжелым, и только третий, появившийся в 1808 году, смог приблизиться к идеалу тех лет, разгоняясь до 30 км/ч.

К великому сожалению, Ричард Тревитик разорился в 1811 году, а в 1816-м и вовсе уехал жить в Южную Америку. На родину Ричард Тревитик возвратился в 1827-м, где умер в нищете.

Паровоз Стефенсона.

Гораздо больше повезло другому британцу - Джорджу Стефенсону. В 1814 году он спроектировал свой первый паровоз для буксировки вагонеток с углем на рудниковой железной дороге.

Электровоз "Звезда Китая".

С 1880 года начались эксперименты по возможности использования электричества на железной дороге. В 1889 г. русский инженер И. В. Романов построил первую в России электрическую железную дорогу длиной 0,2 километра. А в 1895 году в США (на линии Балтимор-Огайо) впервые в мире железнодорожный подвижной состав тронулся с помощью электрической тяги.

Электровоз, в отличие от тепловоза, является неавтономным локомотивом. Электроэнергию он может получать из внешней электросети либо от собственных аккумуляторов.

Большое значение для развития электровозов имели работы американского изобретателя Лео Дафта (Leo Daft), который в 1883 году построил электровоз "Ампер". Данный локомотив весил 2 тонны и мог везти 10 тонн с максимальной скоростью 16,7 км/ч.

С начала ХХ века электровозы, ввиду своей экономичности, начинают приобретать популярность. Например, в 1902 году немцы стали выпускать электровозы с конструкционной скоростью 210 км/ч. В Германии в 1904 году был испытан паровоз "Борзиг N 05", развивавший рекордную скорость - 201 км/ч. Правда, уже на следующий год американцы испытали паровоз со скоростью 204 км/ч. (в штате Пенсильвания).

Примерно в это же время инженеры задумались о создании тепловозов. Первый локомотив c двигателем внутреннего сгорания построил Готтлиб Даймлер (Gottlieb Daimler). Двигатель был двухцилиндровым. Первая демонстрация тепловоза состоялась 27 сентября 1887 года в Штутгарте на фольклорном фестивале.

Тепловоз.

У тепловоза первичным двигателем служит двигатель внутреннего сгорания, как правило, дизель. Тепловозы появились в начале XX века, как эффективная замена паровозам..

Первый тепловоз для работы на магистральных линиях начали создавать под руководством Рудольфа Дизеля (Rudolf Diesel) в 1909 году. В июле 1913 года компания General Electric (США) представила тепловоз, работавший на бензине, но спустя несколько лет отказалась от подобных локомотивов, разработав собственный дизель. Первые опытные тепловозы General Electric были выпущены в 1917-1918 годах.

Однако, несмотря на очевидные преимущества тепловозов и электровозов, паровозы очень долго служили человечеству повсеместно. Производство пассажирских паровозов в СССР, например, было прекращено в 1956 году. А из эксплуатации советские паровозы были выведены лишь в 1974 году (на Забайкальской железной дороге). В некоторых странах третьего мира паровозы эксплуатируются до сих пор, а в развитых - используются для развлечения.

Магнитоплан, он же маглев.

Как видим, спустя почти 200 лет с момента появления первых паровозов человечество по-прежнему использует и силу пара, и дизельное топливо, и электричество, чтобы передвигаться самому и перевозить по суше многотонные грузы. Безусловно, все это время инженерная мысль не стояла на месте, чему свидетельство - поезда на электромагнитной подушке. Их зовут маглевы (от англ. Magnetic Levitation). Данный тип поезда движется на магнитном подвесе, не касаясь поверхности рельса. Единственная тормозящая сила для маглева - сила аэродинамического сопротивления.

Однако лишь в 1969 году в ФРГ началось строительство магнитной трассы, а через два года маглев "Трансрапид-02" впервые в мире прокатил пассажиров, левитируя над поверхностью. Что касаемо "Трансрапид-02", то представлял он собой пятитонную кабину на четыре места, которая на трассе длиной 660 метров возле Мюнхена развивала скорость до 90 км/ч.

В 1979 году на 908-метровой пассажирской линии в Гамбурге стал разъезжать "Трансрапид-05", перевозивший 68 человек на максимальной скорости 75 км/ч.

Следующей страной, начавшей разработку магнитопланов, стала Япония. Здесь сделали ставку на высокую скорость, и в 1979 году представили маглев "МЛ-500", способный развивать скорость до 517 км/ч.

В Великобритании с 1984 года функционировала бирмингемская магнитная дорога, над которой почти 11 лет перемещался малоскоростной локомотив. Бирмингемский маглев считается первым коммерческим поездом в своем роде.

В 2002 году коммерческую магнитную дорогу длиной 30 километров открыли в Китае По ней на скорости 450 км/ч проносится маглев производства компании Transrapid International, являющейся дочерним предприятием Siemens AG и ThyssenKrupp.

Несмотря на высокую скорость и малошумность, маглевы имеют ряд существенных недостатков. К ним относятся высокая стоимость создания и эксплуатации магнитного пути, большое потребление электроэнергии, вред от электромагнитного поля, очень сложная путевая инфраструктура. От постройки магнитных трасс отказывались, в свое время, и в Германии, и в Великобритании, и в бывшем Советском Союзе. Здесь, например, можно вспомнить случай с берлинской маглев-трассой, запущенной для перевозки пассажиров 28 августа 1989 года. Дорога соединяла три станции и имела протяженность 1,6 километра, однако 17 сентября 1991 года магнитную дорогу демонтировали, т.к. она пересекала очень важную линию метро, а Берлин, после объединения Западной и Восточной частей, оказался не готов к возросшему пассажиропотоку.

приложение 2

Доклад: Паровая машина И.И.Ползунова

Ползунов Иван Иванович - родился в 1729 году в Екатеринбурге в семье солдата.
Окончив Словесную школу, Ползунов переходит в Арифметическую школу. В 1742 году, не успев окончить Арифметическую школу, Ползунова за особые успехи в учебе переводят в ученики к механику на Екатеринбургский завод. Там он занимается изучением и постройкой заводских и рудничных механизмов.
В 1747 году, Ползунова переводят на Барнаульский сереброплавильный завод. Там он занимается учетом руды, угля, флюсов, следит за качеством получаемого метала.
В 1750 году Ползунов получает свой первый, горнозаводской чин и отправляется на обучение горному мастерству и металлоплавильному делу на Колывановский завод. В 1759 году он получает свой первый офицерский чин.

В это время дела на Колывано - Воскресенских заводах приходили в упадок. Выплавка серебра значительно упала. В 1761 году на заводе предпринимают ряд мер по увеличению добычи и переработке серебра.

Макет паровой машины Ползунова

В апреле 1763 года, Ползунов предлагает проект своей паровой машины. Надо отметить, что в России того времени, паровые машины практически не использовались и всю информацию ползунов получил из книги "Обстоятельное наставление рудокопному делу" изданную в 1960г. В нем описывалась паровая машина Ньюкомена.
Ползунов модернизирует ее, для обеспечения непрерывной работы он предлагает использовать два цилиндра, вместо одного в паровой машине Ньюкомена. Ползунов предлагал использовать свою паровую машину для привода в движение мехов плавильных печей.

Схема паровой машины Ползунова

схема устройства паровой машины Ползунова

Поршни в цилиндрах паровой машины Ползунова работали в противофазе. Когда в один из цилиндров наполненных паром, впрыскивали воду, пар конденсировался в нем, и в цилиндре создавалось разряжение. Под действием атмосферного давления поршень начинал опускаться вниз. В этот момент, в другой цилиндр, находившийся в нижнем положении, начинал поступать пар, и он начинал двигаться вверх.
Подача воды и пара в цилиндры была полностью автоматизирована. Штоки поршней паровой машины были связаны между собой цепью. Цепь проходила через верхний шкив и при движении паровых цилиндров, шкив тоже приходил в движение. Движение шкива в свою очередь, через цепи, приводило в движение специальные стержни, основное назначение которых было управлять движением серповидного маятника. Именно серповидный маятник управлял попеременной подачей воды и пара в паровые цилиндры.
Давление пара в паровой машине Ползунова лишь незначительно превышало атмосферное давление. Полезную работу поршни совершали лишь при движении вниз, под действием атмосферного давления. Сам Ползунов считал, что эффективность рабочего хода будет тем выше, чем ниже будет температура охлаждающей воды. Что свидетельствует о том, что Ползунов строил пароатмосферную машину (машина в которой работа происходит за счет атмосферного давления, а не за счет давления пара).
Проект паровой машины Ползунова был рассмотрен руководством завода и получил высокую оценку. Проект был отправлен в Петербург на рассмотрение императрицей Екатериной II. Ответ был получен лишь спустя год. Екатерина II высоко оценила проект Ползунова, его повысили в должности и обещали большую премию, если он сумеет построить работающую паровую машину.
В 1764 году, Ползунову приказывают строить паровую машину в 15 раз более мощную, чем в проекте 1763 года. Высота машины предполагалась 11 метров. Это была очень трудная задача. Сам Ползунов изначально планировал построить лишь небольшой макет, что бы отработать на нем все неожиданные трудности.
Работа шла с большим трудом. Не у кого в России того времени не было опыта по строительству подобных машин. Более того, Ползунову не разрешили вызвать опытных мастеров с уральских заводов. Испытания машины начались лишь спустя три года после начала строительства.
Первые испытания показали ненадежность применения кожи в паровой машине (вероятно идея использования кожи, была заимствована из паровой машины Ньюкомена). Кожаное уплотнение быстро истиралось и вода начинала сочиться внутрь паровых цилиндров. Опытным путем было установлено что пробка, гораздо лучше подходит для уплотнения цилиндров, чем кожа.
Наконец испытания были закончены и начато строительство плавильных печей, для которых собственно и строилась паровая машина. Но сам автор первой Русской паровой машины Иван Иванович Ползунов, не дожил до этого момента. 16 мая 1766 он скончался.
Первый пуск машины был назначен на 4 августа 1766 года. Но в назначенный срок, машина не начала свою работу. В день пуска случилась поломка, которую сумели устранить только к 7 августа 1766 года.
К сожалению, первая паровая машина России оказалось не надежной. Она часто ломалась. В сумме, она проработала чуть более 42 суток. После одной из поломок, руководством завода было принято решение о не целесообразности ее использования из-за наличия достаточного количества воды (водяные колеса были основными источниками энергии того времени).

Приложение 3

(1796-1832) французский физик и военный инженер, один из создателей термодинамики

Сади Никола Леонар Карно родился 1 июня 1796 года в Париже в семье крупного ученого, выдающегося политического деятеля и талантливого военачальника. Его отец Лазар Карно уже в ранние годы проявил способности к математике.

Годы детства и юности Сади Карно и его брата Ипполита совпали с бурным революционным периодом Франции.

Влияние отца на сыновей было огромным. Даже в самые трудные для республики дни Лазар Карно много времени уделял воспитанию детей: развивал в них интерес к математике и философии, занимался с ними плаванием и фехтованием. Сади глубоко чтил своего отца и был всю жизнь благодарен ему за знания и умения, переданные детям.

Начальное образование Сади Карно получил под руководством отца, а также посещая лицей Карла Великого. Он был очень способным учеником, и поэтому обучение шло легко. От отца Сади унаследовал способности к математике и физике, любовь к языкам и поэзии. Мальчик был также очень музыкальным, унаследовав это от матери. После окончания лицея Сади поступил в Политехническую школу, готовившую специалистов для инженерной работы. Это было лучшее заведение Франции того времени с трехлетним сроком обучения. В нем проходил конкурсный отбор учащихся и выплачивалась стипендия.

В октябре 1814 года Сади окончил Политехническую школу и был направлен в Мец для продолжения образования. В 1816 году он заканчивает обучение в Меце, получив звание лейтенанта, и приступает к службе в инженерном полку.. Спустя три года, в 1819 году, Сади Карно успешно сдал конкурсный экзамен и с чином поручика был зачислен в Главный штаб Инженерного корпуса, находящийся в Париже.

Переехав в Париж, он поселяется в доме отца и занимается в основном наукой, изучая научные публикации в области физики.

С большим интересом он вникает в сущность технологических процессов и начинает заниматься теоретическими исследованиями в области паровых машин. В свободное от службы время С. Карно посещает лекции в Сорбонне, Коллеж де Франс, Консерватории искусств и ремесел, а также библиотеки и музеи.

12 июня 1824 года был издан главный труд двадцативосьмилетнего военного инженера «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу». Эта работа, официально представленная Академии наук, получила благожелательную рецензию, в которой отмечалась возможность практического использования двигателей, теоретически рассмотренных С. Карно. В ней автор, исходя из невозможности создания вечного двигателя, впервые высказал мысль, что причиной преобразования теплоты в работу тепловой машины является разница температур нагревателя и холодильника, причем природа рабочего тела не играет никакой роли. Таким образом, полезную работу можно получить только в случае, когда тепло переходит от нагретого тела к более холодному.

Заслуга Сади Карно состоит в том, что он ввел понятие кругового и обратимого процессов, идеального цикла тепловых машин, заложил основы их теории. Ученый показал преимущество применения в паровых машинах пара высокого давления и его многократного расширения, сформулировал принцип работы газовых тепловых машин. С. Карно дал значение механического эквивалента теплоты. По его расчетам, оно равно 370 кГм на 1 ккал, и незначительно отличается от принятого в настоящее время числа 427 кГм/ккал, что примерно равно 4189 Дж/ккал. Таким образом, Карно первым из ученых в своих заметках сформулировал один из фундаментальных законов природы - закон сохранения и превращения энергии, получивший в термодинамике название ее первого начала.

Сади Никола Леонар Карно умер в возрасте тридцати шести лет 24 августа 1832 года в Париже от эпидемии холеры. В соответствии с существовавшим положением все его личные вещи, включая и черновики с результатами научных исследований последних лет, были уничтожены. 27 августа на первой странице официальной парижской газеты «Монитер» появилось сообщение о смерти С. Карно, была дана краткая биографическая справка и помещена рецензия на его исследования, которые характеризовались как «замечательные».

Из научного наследия С. Карно сохранилось немногое. Случайно осталась неуничтоженной его записная книжка, переданная после смерти Карно брату ученого. Он хранил ее как реликвию в своей библиотеке и в 1878 году передал Парижской Академии наук. Слава, которой Сади Карно был лишен при жизни, росла по мере развития и становления термодинамики.

Приложение 4

Современные люди привыкли пользоваться благами цивилизации, не особенно задумываясь над внутренним устройством окружающей техники. Примером самой распрстраненой холодильной машины в настоящее время является домашний холодильник.
В основе общего принципа устройства любой холодильной техники лежит один из важнейших разделов физики - термодинамика. Еще в шестнадцатом веке ученые стали обращать пристальное внимание на связь давления, теплоты, работы и энергии. Выяснилось, что теплота - это внутренняя энергия молекул вещества или, проще говоря, скорость, с которой движутся эти молекулы. А холод, таким образом, трактуется как низкая скорость движения молекул, обусловленная небольшой кинетической энергией этих частиц. Термодинамика установила, что работу можно превратить в теплоту, а теплоту - в работу. Будучи обыкновенной тепловой машиной, холодильник не «создает холод», а передает, «перекачивает» теплоту от одного тела (воздуха внутри холодильника) к другому (воздуху вне холодильника).

В простейшем случае компрессионный холодильник (а именно на этой системе построены все бытовые агрегаты) представляет собой камеру, в которой находится испаритель. Это металлический «ящичек», в котором происходит переход хладагента из жидкого состояния в газообразное. Жидкий хладагент, попадая в испаритель, начинает активно испаряться, отбирая теплоту у единственного доступного источника - металлических стенок испарителя, который, в свою очередь, охлаждает воздух внутри камеры холодильника. Затем пары хладагента высасываются из испарителя компрессором, после чего конденсируются, превращаясь обратно в жидкость. Это происходит под действием высокого давления, создаваемого компрессором (электромотором, обеспечивающим давление). Нагретый жидкий хладагент (находящийся под высоким давлением, что мешает ему испариться) проходит по извивам трубок теплообменника, расположенных снаружи на задней стенке холодильника, отдавая теплоту окружающему воздуху. Именно на этой стадии происходит удаление из закрытой термодинамической системы холодильника ненужной теплоты (закрытой называют такую систему, которая обменивается с окружающим пространством энергией, но не обменивается веществом).

Хладагент - это вещество, циркулирующее в системе холодильника. Именно хладагент, как ясно из рассмотренной выше принципиальной схемы простейшего холодильника, переносит теплоту от воздуха внутри камеры в окружающую среду. Хладагенты должны отвечать определенным требованиям по своим физическим свойствам. Особенно важно, чтобы температура кипения хладагента была в нужных пределах (они определяются конструктивными особенностями конкретного холодильника), а теплоемкость - достаточно высокой. В современных бытовых холодильниках, после запрета оказавшихся разрушительными для озонового слоя фреонов, используются другие вещества, достаточно хорошо выполняющие функции хладагентов. И если даже они не так хороши в этом качестве, как были хороши фреоны, то для конечного покупателя холодильной техники это не имеет особого значения. Конструкторы компенсируют недостатки хладагентов повышением эффективности работы механической и электронной систем холодильника.

Итак, после полного оборота хладагента по системе холодильный цикл завершается. В дело вступает электроника, которая измеряет температуру в холодильной камере и сравнивает ее с то, что была запрограммирована владельцем холодильника. Если они совпадают, то компрессор на время останавливается, если же нет - продолжает работать, цикл за циклом прогоняя хладагент по трубам теплообменной системы.

Современные холодильники по физическому принципу работы не отличаются от тех, что наводнили рынок в первой половине двадцатого века. Не важно, одна камера в холодильнике или две, имеет ли он морозилку или нет. Не важно даже число компрессоров и независимых контуров охлаждения. Даже препятствующая намерзанию инея на испарителе технология No Frost, на первый взгляд кажущаяся революционной, ни капли не меняет сущности термодинамических процессов, происходящих в холодильнике. Пока не изобретен какой-либо другой, более удобный и эффективный (т.е., имеющий больший коэффициент полезного действия) способ переноса тепла от воздуха внутри холодильной камеры во внешний воздух, компрессионные холодильники останутся нашими верными помощниками.

25