Тепловые машины физика 8 класс конспект
Обновлено: 07.07.2024
особенности их работы на основе закона сохранения и превращения энергии .
1. работая над созданием кластера, обс ужда я и нформацию в классе в ыяснить, какие виды
тепловых машин существуют, какое практическое значение для жизни человека имеют;
2. использ у я демонстрационный эксперимент, работ у с текстом учебника и личный опыт
учащихся, определить принципы и особенности работы тепловых машин, их
1.развивать у обучающихся навыки эффективного мышления: у мения выделять главное в
изучаемом м атериале, сравнивать изучаемые факты и процессы, делать вывод ы из
наблюдений и экспериментов, умения логически излагать свои мысли.
3.развивать эмоционально - волевую сферу у чащих ся, создавая на у роке ситуации
эмоциональной включенности и используя яркие примеры.
1. продолжить формирование таких качеств как уважение, самостоятельность и терпение.
Познавательные. Выделяют и форму лируют поз навательную цель. Строят логиче ские
Регулятивные. Ставят учебну ю задач у на основе соотнесения того, что у же у своено, и
Коммуникативные. Умеют или развивают способность с помощью вопросов, а так же
проведения эксперимента добывать н едостающую информацию. Обмениваются знаниями
между членами группы для принятия эффективных совместных решений.
Необходимое техническое оборудование: мультимедийный проектор, экран, ц ветной мел,
презентация, пробирка с водой, пробка, спиртовка, спички, справочные таблицы, модели
английскому изобретателю Джеймс у У атт у (19 января 1736 - 25 а вгуста 1819 год а).
Родился в городе Гриноке в Шотландии. Благодаря нем у п оявилась первая паровая
Вы п равы. Сегодня нам предстоит выяснить, что н азывают тепловым двига телем, какие
виды тепловых двигателей су ществуют, к акой КПД у этих ма шин. А также выясним, как
влияют ма шины н а человека и окр ужа ющую ср еду. Чтобы пон ять новый материал
необходимо вспомнить некоторые изученные ранее понятия и з аконы. Сделаем эт о вместе
поднимаете две руки прямо, если есть ошибка, показываете скреще нные р у ки.
1. Энергию движени я и взаимодействия частиц, из к оторых сос тоит тело, называ ют
2. Внутренняя энергия обозначается буквой Q и измеряется в Джоу лях. (Не верю)
3. Внутреннюю энергию тела можно изменить только пу тем теплопередачи. (Не верю)
4.Чтобы найти количество теплот ы, выделяющуюся п ри полн ом сгорании то пли ва, нужно
удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его ма ссу. (Верю)
5. Энергия может появляться и исчезать бесследно. (Не верю)
6. Энергия может переходить из одного вида в другой, сохраняя свое полное значение.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Дать определение теплового двигателя, виды тепловых двигателей, опытная иллюстрация тепловых машин. Дать ответ на вопрос как внутреннюю энергию превратить в механическую. Узнать устройство и принцип действие ДВС.
Задачи урока:
Образовательная: учить решать задачи на тепловой двигатель, на работу газа и пара при расширении. Дать теоретические сведения о тепловых машинах, показать опыты по теме.
Развивающая: развивать наглядно-образное мышление, совершенствовать навыки решения задач.
Воспитательная: воспитывать гуманное отношение к природе.
1. Повторение.
На сегодняшнем уроке мы рассмотрим работу газа и пара при расширении, познакомимся с тепловыми двигателями.
Прежде, чем непосредственно перейти к новой теме, давайте немного поработаем.
Пройдем тестирование по теме Количество теплоты и удельная теплота сгорания. На рабочих столах своих компьютеров запустите программу Vip test , в которой вам нужно ответить на 15 вопросов и сразу получить оценки за тест .
Решим задачу № 1.
В железный котел массой 10 кг налита вода массой 30 кг. Какое количество теплоты нужно передать котлу с водой для изменения их температуры от 10 °С до 100 °С?
! При решении задачи нужно учесть, что оба тела будут нагреваться вместе. Между ними происходит теплообмен и их температуры можно считать одинаковыми, т.е. температура котла и воды изменится на 90 °С. Но количества теплоты, полученные котлом и водой будут различны. Ведь их массы и удельные теплоемкости разные.
Сколько теплоты выделится при полном сгорании водорода массой 2 кг?
(Решение: Q = mq = 2 кг * 12*107 Дж/кг = 24 * 107 Дж.)
2 Объяснение нового материала.
Посмотрите, ребята, какое большое количество теплоты необходимо для нагревания 30 кг воды до 100 °С.
- А сколько количества теплоты выделится при охлаждении 30 кг воды от 100 °С до 0 °С? (Столько же.)
Это же колоссальная энергия.
Многие ученые задумывались над тем, чтобы заставить эту энергию служить людям.
Мы уже говорили, что развитие техники зависит от умения как можно более полно использовать громадные запасы внутренней энергии, содержащиеся в топливе. (Посмотрите на предыдущую задачу.)
– Как можно использовать внутреннюю энергию тела?
(Использовать внутреннюю энергию тела – значит совершить за ее счет полезную работу. Например, перевезти вагоны, поднять груз, заставить вращаться колеса и т.д.)
– А что это означает?
(Это означает, что внутреннюю энергию нужно превратить в электрическую.)
– Как это сделать?
Рассмотрим ОПЫТ : В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением пара пробка выскочит и поднимется вверх.
- Давайте объясним этот факт с точки зрения внутренней энергии.
Здесь энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершил работу – поднял пробку. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки.
Если заменить пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку – плотно пригнанным поршнем, который может двигаться вдоль цилиндра. Мы получим простейший ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию поршня.
3. Закрепление пройденного материала.
развитие логического мышления, памяти, способности находить оптимальный путь выполнения поставленной задачи; умения правильно объяснять физические понятия и явления; совершенствование навыков работы с персональным компьютером.
Тип урока: комбинированный.
Организационный момент
Повторение материала
Один из способов изменения внутренней энергии тела (теплопередача).
Источник энергии, используемый в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту (топливо).
Кинетическая, потенциальная, внутренняя (энергия).
Дерево даешь – съедает, от воды – умирает (огонь).
От этой величины зависит скорость движения молекул (температура).
Единица измерения мощности (Ватт).
Процесс соединения молекул горючего с кислородом, при котором выделяется энергия (горение).
Единица измерения энергии (Джоуль).
Один из видов теплопередачи (излучение).
Тема и цели урока.
Сегодня на уроке мы:
- выясним, какие машины являются тепловыми двигателями;
- рассмотрим преобразование энергии в них;
- рассмотрим основные виды двигателей и их применение;
- изучим влияние на окружающую среду тепловых двигателей;
- определим возможные пути выхода из сложившейся экологической ситуации.
Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии, источниками которой являются различные виды топлива, ветер, солнце, приливы и отливы. Существуют различные виды машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Мы рассмотрим один из типов машин – тепловой двигатель.
ІІІ. Изучение нового материала
Определение
Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
Как же это происходит? Какие преобразования энергии здесь происходили? (энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию поршня).
Джеймс Уатт
Схема – классификация тепловых двигателей
Существует несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара). Газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.
Структура двигателя и формула КПД
Т.е. тепловой двигатель состоит из нагревателя (устройства, где сгорает топливо), рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты (Q1). Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу (Ап) за счет своей внутренней энергии. Часть энергии (Q2) передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.
Как называется величина, показывающая, какая часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу? (КПД)
Вспомните, как найти КПД простого механизма? (Найти отношение полезной работы к затраченной)
Чтобы найти коэффициентом полезного действия теплового двигателя нужно найти отношение совершенной полезной работы (Ап) двигателя, к энергии, полученной от нагревателя (Q1).
То есть КПД показывает, какая часть энергии, выделяемой топливом, превращается в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Сравните значения Q1 и Q2. (Q1 Q2)
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: На сколько Q1 Q2? (на значение Ап)
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Как можно найти полезную работу? (Q1 – Q2)
Значит, Ап = Q1 – Q2 и
Сравните значения Q1 – Q2 и Q1. (Q1 – Q2 Q1)
Что можно сказать о значении дроби (меньше 1)
Значит, КПД всегда меньше 1, а если его выразить в процентах, то меньше 100%.
Задача: Чему равен КПД теплового двигателя, если в полезную работу превращается четверть энергии топлива? (25%) Первые паровые машины имели КПД=0,3%. В последствии Дж. Уатт, усовершенствовав паровую машину, добился повышения КПД до 2,8%.
Устройство двигателя внутреннего сгорания.
На рисунке показан простейший двигатель внутреннего сгорания в разрезе.
Двигатель состоит из цилиндра 1, в котором перемещается поршень 2, соединенный при помощи шатуна3 с коленчатым валом 4, на котором находится маховик 5.
В верхней части цилиндра имеется два клапана 6 и 7, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 6 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 8, а через клапан 7 выпускаются отработавшие газы.
На каком топливе работают двигатели внутреннего сгорания? (бензине, керосине, нефти или на горючем газе)
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Из чего состоит горючая смесь, поступающая в цилиндр?
(из паров бензина и воздуха)
Первый такт – ВПУСК.
Второй такт – СЖАТИЕ.
Третий такт – РАБОЧИЙ ХОД.
четвертый такт – ВЫПУСК.
Анимационная модель полного цикла работы двигателя
Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.
Анимационная модель работы четырёхцилиндрового двигателя
В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый нал все время получает энергию от одного из поршней.
Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.
Применение тепловых двигателей
Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно. Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы, их устанавливают на речных и морских судах. Паровые и газовые турбины нашли широкое применение на тепловых электростанциях, в качестве судовых двигателей, газовые турбины широко применяются в авиационных двигателях. Реактивные двигатели применяются в авиации, ракетостроении.
Экологические проблемы
С развитием энергетики, автомобильного и других видов транспорта всё более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания. Это связано с действием различных факторов:
- при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха;
- сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа;
- при работе двигатели выбрасывают в атмосферу азотные и серные соединения, а так же свинец.
ПРИМЕР: Один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с выхлопными газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов.
Как вы думаете, что нужно сделать для того, чтобы избежать экологических проблем?(посадка лесов и сокращение их вырубки; установка фильтров на двигатели; переход на экологически чистые виды топлива; создание электромобилей или автомобилей, работающих на солнечных батареях и т.д.)
ФИЗКУЛЬТМИНУТКА
ІV. Контроль знаний
Горючая смесь, поступающая в цилиндр двигателя автомобиля, состоит из .
различных видов жидкого топлива.
распылённого керосина с воздухом.
воздуха и паров бензина.
масла и бензина.
Вопрос №2
Каким номером обозначен поршень? 2
Каким номером обозначен цилиндр? 1
Каким номером обозначена свеча? 8
Каким номером обозначен маховик? 5
Что происходит с горючей смесью и газом, образовавшимися от сгорания этой смеси, при первом такте?
1. Горючая смесь сжимается.
2. Газ, образовавшийся при сгорании горючей смеси, удаляется из цилиндра.
3. Сгорание горючей смеси и расширение газов, получившихся при сгорании.
4. Горючая смесь всасывается в цилиндр.
Что происходит с горючей смесью и газом, образовавшимися от сгорания этой смеси, при втором такте
1. Горючая смесь сжимается.
2. Газ, образовавшийся при сгорании горючей смеси, удаляется из цилиндра.
3. Сгорание горючей смеси и расширение газов, получившихся при сгорании.
4. Горючая смесь всасывается в цилиндр.
Тепловые машины в термодинамике — это периодически действующие тепловые двигатели и холодильные машины (термокомпрессоры). Разновидностью холодильных машин являются тепловые насосы.
Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми машинами (тепловыми двигателями). Для функционирования тепловой машины необходимы следующие составляющие: 1) источник тепла с более высоким температурным уровнем t1, 2) источник тепла с более низким температурным уровнем t2, 3) рабочее тело. Иначе сказать: любые тепловые машины (тепловые двигатели) состоят из нагревателя, холодильника и рабочего тела.
В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты (Q1), и его внутренняя энергия увеличивается, за счёт этой внутренней энергии совершается механическая работа (А), затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику (Q2) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.
Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы (А) к количеству теплоты, полученному им от нагревателя (Q1):
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный. В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая смесь готовится в самом двигателе.
ДВС состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень; в цилиндре имеются два клапана, через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма соединяется с коленчатым валом, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой.
Цикл работы ДВС включает четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт. В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.
Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются. При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300— 350 °С, а воздух в дизельном двигателе — до 500—600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.
При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. Это приводит к тому, что газ охлаждается.
Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа. В конце этого такта клапан закрывается.
Паровая турбина
Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.
Удельная теплота сгорания топлива
При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива .
Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.
Удельная теплота сгорания обозначается буквой q, её единицей является 1 Дж/кг.
Значение удельной теплоты определяют экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую — порох.
Удельная теплота сгорания нефти — 4,4*10 7 Дж/кг. Это означает, что при полном сгорании 1 кг нефти выделяется количество теплоты 4,4*10 7 Дж. В общем случае, если масса топлива равна m, то количество теплоты Q, выделяющееся при его полном сгорании, равно произведению удельной теплоты сгорания топлива q на его массу:
Q = qm.
Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива, энергии ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.
Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.
Вы знаете, что развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии, содержащихся в топливе.
Использовать внутреннюю энергию - значит совершит за счет нее полезную работу, например, поднять груз, перевести вагоны и т. д. А это в свою очередь, означает, что внутреннюю энергию необходимо превратить в механическую.
Машины в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию называют тепловым.
Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, генераторы преобразуют механическую в электрическую и так далее.
Тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии топлива. К ним относятся: паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгорания, дизель, паровая машина, реактивный двигатель.
Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии.
Задача: мы с вами сегодня должны разобраться с устройством и принципом работы всех выше перечисленных машин.
Двигатель внутреннего сгорания
Модель двигателя внутреннего сгорания.
Читайте также: