Урок по физике по теме Тепловые и холодильные машины. Принцип действия тепловых машин

Урок № 94

Тепловые и холодильные машины. Принцип действия тепловых машин.

Цели урока: Изучить физические основы работы тепловых машин, устройство и принцип действия двигателя внутреннего сгорания, паровой машины; ввести понятие коэффициента полезного действия; познакомиться с историей появления тепловых машин.
Задачи урока:
образовательные:
- повторить понятия: внутренняя энергия, механическая работа, количество теплоты; способы изменения внутренней энергии, закон сохранения энергии;
- рассмотреть принцип работы тепловых двигателей, устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины; формулу нахождения КПД;
- формировать навыки и умения самостоятельной работы; работы в группе.

Конспект урока
1.Оргмомент
Учитель: приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку (наличие учебных принадлежностей).
Ученики: приветствуют учителя, настраиваются на урок.
Вступительное слово учителя:
- Английский философ Френсис Бекон говорил: «Истинная и законная цель всех наук состоит в том, чтоб наделять жизнь человеческую новыми изобретениями и богатствами».
- Сегодня на уроке мы поговорим об изобретениях, которые имеют исключительно важное значение в жизни человеческого общества, развитии техники, энергетики и транспорта. Эти изобретения позволили человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.
- Как вы думаете, о каких изобретениях идет речь? (Тепловые двигатели)

2. Актуализация опорных знаний (5 мин)
Учитель: Ребята, прежде чем мы перейдём к изучению нового материала, давайте вспомним ключевые понятия, термины, законы, которые помогут нам определиться с темой сегодняшнего урока.
Метод АМО «Веришь, не веришь»
Цель игры: повторение и контроль знаний, подготовка к восприятию нового материала.
Материалы: сигнальные карты, на которых цифры -1 и 2.
Модель игры: Учитель читает утверждение (или на слайде) (определение, суждение и т.д.) учащиеся сигнализируют с помощью карт, верное утверждение или нет. Проверка.
Учащиеся участвуют в игре.
Вопросы к игре:
1. Внутренняя энергия - это энергия частиц тела. Она состоит из кинетических энергий всех молекул. (неверно)
2. Внутренняя энергия - это энергия частиц тела. Она состоит из кинетической и потенциальной энергии всех молекул. (верно)
3. Работа, которая совершается при нагревании тела - это количество теплоты. (неверно)
4. Количество теплоты - это энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче. (верно)
5. Источник энергии топлива - соединении при его горении атомов в молекулы. (верно)
6. Источник энергии топлива - взаимодействие его молекул. (неверно)
7. Закон сохранения механической энергии утверждает - кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот. (неверно)
8. Закон сохранения механической энергии утверждает - при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной. (верно)
9. Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает при этом внутренняя энергия переходит в механическую. (верно)
10. Превращение внутренней энергии в механическую происходит при распиливании бревна, т.к. при этом пила нагревается. (неверно)
11. Один из основных законов природы - закон сохранения и превращения энергии устанавливает равенство при теплообмене полученной одним телом энергии и отданной другим телом. (неверно)
12. Один из основных законов природы - закон сохранения и превращения энергии устанавливает постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому. (верно)
3.Мотивация
Учитель: формулирует тему урока «Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели».
Подводит учащихся к постановке целей урока, ожидаемых результатов. Ученики: наблюдают, участвуют в обсуждении, выдвигают гипотезы, предположения, что необходимо узнать, чего достичь на уроке.

4.Изучение нового материала

Создание и развитие термодинамики было вызвано, прежде всего, необходимостью описания работы и расчета тепловых машин. Первыми тепловыми машинами были паровые двигатели, замкнутый термодинамический цикл которых впервые был описан в 1690 году Дени Папином (1647-1712). Первые тепловые двигатели предназначались для подъема воды из шахт и были изобретены английскими инженерами в 1698 году Томасом Севери (1650 - 1715) и в 1712 году Томасом Ньюкоменом (1663 - 1715). Если в насосе Севери использовался пар в качестве тела, непосредственно толкающего воду, то машина Ньюкомена была первой поршневой паровой машиной. Отметим, что идея использования поршня принадлежит Папину.

Широкое применение паровых машин в промышленности началось после изобретения в 1774 году Джеймсом Уаттом (1736 - 1819) паровой машины, в которой работа совершалась без использования атмосферного давления, что значительно сократило расход топлива. Уатт дополнил свои машины важнейшими механическими изобретениями, такими как преобразователь поступательного движения во вращательное, центробежный регулятор, маховое колесо и т.д. В 1784 году Уатт запатентовал универсальную паровую машину двойного действия, в которой пар совершал работу по обе стороны поршня.

Сейчас разработано большое количество разнообразных тепловых машин, в которых реализованы различные термодинамические циклы. Тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, различные тепловые турбины и т.д.

Тепловые машины или тепловые двигатели предназначены для получения полезной работы за счет теплоты, выделяемой вследствие химических реакций (сгорание топлива), ядерных превращений или по другим причинам (например, вследствие нагрева солнечными лучами). На рис. 3.1 приведена условная схема тепловой машины, а рис. 3.2 иллюстрирует ее термодинамический цикл. Для функционирования тепловой машины обязательно необходимы следующие составляющие: нагреватель, холодильник и рабочее тело. При этом, если необходимость в наличии нагревателя и рабочего тела обычно не вызывает сомнений, то холодильник как составная часть тепловой машины в её конструкции зачастую отсутствует. В качестве холодильника выступает окружающая среда.

Принцип действия тепловых машин заключается в следующем. Нагреватель передает рабочему телу теплоту , вызывая повышение его температуры. Рабочее тело совершает работу над каким-либо механическим устройством, например, приводит во вращение турбину, и далее отдает холодильнику теплоту , возвращаясь в исходное состояние. Величина представляет собой количество теплоты, передаваемое холодильником рабочему телу, и имеет отрицательное значение.

Отметим, что наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты, является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Действительно, для получения механической работы необходимо наличие потока, в данном случае потока теплоты. Если же холодильник будет отсутствовать, то рабочее тело неизбежно придет в тепловое равновесие с нагревателем, и поток теплоты прекратится.

В соответствии с первым началом термодинамики (1.4), при осуществлении кругового процесса, из-за возвращения рабочего тела в исходное состояние, его внутренняя энергия за цикл не изменяется. Поэтому совершенная рабочим телом механическая работа равна разности подведенной и отведенной теплоты:

Тепловой коэффициент полезного действия (к.п.д.) цикла любой тепловой машины можно рассчитать как отношение полезной работы к количеству теплоты , переданной от нагревателя:

Из выражения (3.2) следует, что к.п.д. любой тепловой машины всегда меньше единицы, так как часть полученной от нагревателя теплоты должна передаваться холодильнику.

Термодинамический цикл, осуществляемый в обратном направлении, может быть использован для работы холодильной машины, схема и термодинамический цикл которой приведены соответственно на рис. 3.3 и рис. 3.4. Такие машины, в отличие от тепловых двигателей, предназначены не для получения механической работы из теплоты, а позволяют осуществлять охлаждение различных тел за счет совершения работы.

В холодильной машине за счет совершения внешними телами работы над рабочим телом происходит отвод теплоты от охлаждаемого тела и передача теплоты тепловому резервуару, в качестве которого обычно выступает окружающая среда.

Коэффициент полезного действия или холодильный коэффициент холодильной машины можно определить как отношение отнятой от охлаждаемого тела теплоты к затраченной для этого механической работе :

Так как в зависимости от конкретной конструкции холодильной машины количество отводимой от охлаждаемого тела теплоты может как превышать затраченную работу , так и быть меньше ее, то к.п.д. холодильной машины, в отличие от к.п.д. тепловой машины, может быть как больше, так и меньше единицы.

Холодильная машина может быть использована не только для охлаждения различных тел, но и для отопления помещения. Действительно, даже обычный бытовой холодильник, охлаждая помещенные в нем продукты, одновременно нагревает воздух в комнате. Принцип динамического отопления был предложен Томсоном (лордом Кельвином) и положен в основу действия современных тепловых насосов. Этот принцип заключается в использовании обращенного цикла тепловой машины для перекачки теплоты из окружающей среды в помещение.

5. Закрепление изученного материала.

Вопросы для контроля:
- Что представляет собой тепловой двигатель?
- Какие виды тепловых двигателей существуют?
- Какие виды энергии преобразуются из одного в другой при работе тепловых машин?
- Каков принцип действия тепловых двигателей?
- За сколько тактов совершается один рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания?
- Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже, чем температура, пара поступающего к лопастям турбины?

6.Подведение итогов, рефлексия (3 мин)
Заключительное слово учителя:
С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 г. построил первую паровую машину, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно изменили содержание человеческого труда.
Изобретение паровой машины имело исключительно большое значение для перехода к машинному производству, сделало возможным изобретение парохода(1807), и паровоза (1814). Изобретение паровой турбины позволило резко увеличить мощности электростанций. В настоящее время паровая турбина-основной первичный двигатель на тепловых и атомных электростанциях. Изобретение двигателя внутреннего сгорания вызвало к жизни автомобилестроение и авиацию.
На следующем уроке мы продолжим изучение тепловых двигателей, рассмотрим более подробно их применение, научимся находить КПД, выясним какое влияние оказывают тепловые двигатели на окружающую среду.