Принцип дії теплових двигунів Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплових двигунів - Гіпермаркет знань
Фізика, 10 клас
Урок 25. Теплові двигуни. ККД теплових двигунів
Перелік питань, що розглядаються на уроці:
1) Поняття теплового двигуна;
2) Пристрій та принцип дії теплового двигуна;
3) ККД теплового двигуна;
4) Цикл Карно.
Глосарій на тему
Тепловий двигун –пристрій, у якому внутрішня енергія палива перетворюється на механічну.
ККД (Коефіцієнт корисної дії) – це відношення корисної роботи, досконалої даним двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача.
Двигун внутрішнього згоряння- Двигун, в якому паливо згоряє безпосередньо в робочій камері (всередині) двигуна.
Реактивний двигун- Двигун, що створює необхідну для руху силу тяги за допомогою перетворення внутрішньої енергії палива в кінетичну енергію реактивного струменя робочого тіла.
Цикл Карно- Це ідеальний круговий процес, що складається з двох адіабатних та двох ізотермічних процесів.
Нагрівач- пристрій, від якого робоче тіло отримує енергію, частина якої йде на виконання роботи.
Холодильник– тіло, що поглинає частину енергії робочого тіла (навколишнє середовище або спеціальні пристрої для охолодження та конденсації відпрацьованої пари, тобто конденсатори).
Робоче тіло- тіло, яке розширюючись, виконує роботу (їм є газ чи пара)
Основна та додаткова література на тему уроку:
1. Мякішев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотський Н.М. Фізика.10 клас. Підручник для загальноосвітніх організацій М.: Просвітництво, 2017. - С. 269 - 273.
2. Римкевич А.П. Збірник завдань із фізики. 10-11 клас. -М: Дрофа,2014. - С. 87 - 88.
Відкриті електронні ресурси на тему уроку
Теоретичний матеріал для самостійного вивчення
Казки та міфи різних народів свідчать про те, що люди завжди мріяли швидко переміщатися з одного місця до іншого або швидко виконувати ту чи іншу роботу. Для досягнення цієї мети потрібні пристрої, які могли б виконувати роботу або переміщатися в просторі. Спостерігаючи за світом, винахідники дійшли висновку, що з полегшення праці та швидкого пересування необхідно використовувати енергію інших тіл, наприклад, води, вітру тощо. Чи можна використовувати внутрішню енергію пороху чи іншого виду палива для своїх цілей? Якщо ми візьмемо пробірку, наллємо туди воду, закриємо її пробкою і нагріватимемо. При нагріванні вода закипить, і пари води, що утворили, виштовхнуть пробку. Пара розширюючись робить роботу. На цьому прикладі ми бачимо, що внутрішня енергія палива перетворилася на механічну енергію пробки, що рухається. При заміні пробки поршнем здатним переміщатися всередині трубки, а саму трубку циліндром ми отримаємо найпростіший тепловий двигун.
Тепловий двигун –тепловим двигуном називається пристрій, у якому внутрішня енергія палива перетворюється на механічну.
Згадаймо будову найпростішого двигуна внутрішнього згоряння. Двигун внутрішнього згоряння складається з циліндра, усередині якого переміщується поршень. Поршень за допомогою шатуна з'єднується з колінчастим валом. У верхній частині кожного циліндра є два клапани. Один із клапанів називають впускним, а інший – випускним. Для забезпечення плавності ходу поршня на колінчастому валі укріплений важкий маховик.
Робочий цикл ДВС складається із чотирьох тактів: впуск, стиск, робочий хід, випуск.
Під час першого такту відкривається впускний клапан, а випускний клапан залишається закритим. Поршень, що рухається вниз, засмоктує в циліндр горючу суміш.
У другому такті обидва клапани закриті. Поршень, що рухається вгору, стискає горючу суміш, яка при стисканні нагрівається.
У третьому такті, коли поршень опиняється у верхньому положенні, суміш підпалюється електричною іскрою свічки. Зайнята суміш утворює розпечені гази, тиск яких становить 3 -6 МПа, а температура досягає 1600 -2200 градусів. Сила тиску штовхає поршень донизу, рух якого передається колінчастому валу з маховиком. Отримавши сильний поштовх маховик далі обертатиметься за інерцією, забезпечуючи рух поршня і при наступних тактах. Під час цього такту обидва клапани залишаються закритими.
У четвертому такті відкривається випускний клапан і відпрацьовані гази поршнем, що рухається, виштовхуються через глушник (на малюнку не показаний) в атмосферу.
Будь-який тепловий двигун включає три основні елементи: нагрівач, робоче тіло, холодильник.
Для визначення ефективності роботи теплового двигуна вводять поняття ККД.
Коефіцієнтом корисної дії називають відношення корисної роботи, досконалої даним двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача.
Q 1 – кількість теплоти, отримана від нагрівання
Q 2 – кількість теплоти, віддана холодильнику
- робота, що здійснюється двигуном за цикл.
Цей ККД є справжнім, тобто. якраз цю формулу використовують для характеристики реальних теплових двигунів.
Знаючи потужність N і час роботи t двигуна роботу, що здійснюється за цикл можна знайти за формулою
Передача невикористовуваної частини енергії холодильнику.
У ХІХ столітті в результаті робіт з теплотехніки французький інженер Саді Карно запропонував інший спосіб визначення ККД (через термодинамічну температуру).
Головне значення цієї формули полягає в тому, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т 1 і холодильником з температурою Т 2 , не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини. Саді Карно, з'ясовуючи при якому замкнутому процесі тепловий двигун матиме максимальний ККД, запропонував використовувати цикл, що складається з 2 адіабатних та двох ізотермічних процесів
Цикл Карно – найефективніший цикл, що має максимальний ККД.
Немає теплового двигуна, що має ККД = 100% чи 1.
Формула дає теоретичну межу для максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніший, чим вище температура нагрівача і нижче температура холодильника. Лише за температури холодильника, що дорівнює абсолютному нулю, η = 1.
Але температура холодильника практично не може бути нижчою за температуру навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість, або жароміцність. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а за досить високої температури плавиться.
Зараз основні зусилля інженерів спрямовані на підвищення ККД двигунів за рахунок зменшення тертя їх частин, втрат палива внаслідок його неповного згоряння і т.д. Реальні можливості підвищення ККД тут все ще залишаються великими.
Підвищення ККД теплових двигунів та наближення його до максимально можливого – найважливіше технічне завдання.
Теплові двигуни – парові турбіни, встановлюють на всіх АЕС для отримання пари високої температури. На всіх основних видах сучасного транспорту переважно використовують теплові двигуни: на автомобільному – поршневі двигуни внутрішнього згоряння; на водному – двигуни внутрішнього згоряння та парові турбіни; на залізничному – тепловози із дизельними установками; в авіаційному – поршневі, турбореактивні та реактивні двигуни.
Порівняємо експлуатаційні характеристики теплових двигунів.
Паровий двигун – 8%.
Парова турбіна – 40%.
Газова турбіна – 25-30%.
Двигун внутрішнього згоряння – 18-24%.
Дизельний двигун - 40-44%.
Реактивний двигун – 25%.
Широке використання теплових двигунів не проходить безвісти для навколишнього середовища: поступово зменшується кількість кисню і збільшується кількість вуглекислого газу в атмосфері, повітря забруднюється шкідливими для здоров'я людини хімічними сполуками. Виникає загроза зміни клімату. Тому знаходження шляхів зменшення забруднення довкілля є сьогодні однією з найактуальніших науково-технічних проблем.
Приклади та розбір вирішення завдань
1 . Яку середню потужність розвиває двигун автомобіля, якщо за швидкості 180 км/год витрата бензину становить 15 л на 100 км шляху, а ККД двигуна 25%?
З давніх-давен люди намагалися перетворити енергію в механічну роботу. Вони перетворювали кінетичну енергію вітру, потенційну енергію води тощо. Починаючи з 18 століття почали з'являтися машини, що перетворюють внутрішню енергію палива на роботу. Подібні машини працювали завдяки тепловим двигунам.
Тепловий двигун – прилад, що перетворює теплову енергію на механічну роботу, за рахунок розширення (найчастіше газів) від високої температури.
Будь-які теплові двигуни мають складові частини:
- Нагріваючий елемент. Тіло з високою температурою щодо довкілля.
- Робоче тіло.Оскільки роботу забезпечує розширення, цей елемент має добре розширюватись. Як правило, використовується газ чи пара.
- Охолоджувач. Тіло із низькою температурою.
Робоче тіло одержує теплову енергію від нагрівача. У результаті воно починає розширюватися і виконувати роботу. Щоб система могла знову зробити роботу, її треба повернути у вихідний стан. Тому робоче тіло охолоджується, тобто зайва теплова енергія, як би скидається в елемент, що охолоджує. І система входить у початковий стан, далі процес повторюється знову.
Обчислення ККД
Для розрахунку ККД введемо такі позначення:
Q 1 –Кількість теплоти, що отримується від нагрівального елемента
A'– Робота, що здійснюється робочим тілом
Q 2 –Кількість теплоти отриманої робочим тілом від охолоджувача
У процесі охолодження тіло передає теплоту, тому Q 2< 0.
Робота такого пристрою – це циклічний процес. Це означає, що після здійснення повного циклу внутрішня енергія повернеться у вихідний стан. Тоді, за першим законом термодинаміки, робота, що здійснюється робочим тілом буде дорівнює, різниці кількості теплоти отриманого від нагрівача і теплоти отриманого від охолоджувача:
Q 2 - Від'ємна величина, тому вона береться за модулем
ККД виражається як ставлення корисної роботи до повної роботи, що виконала система. В даному випадку, повна робота дорівнюватиме кількості теплоти, яка витрачена на нагрівання робочого тіла. Вся витрачена енергія виражається через Q1.
Тому коефіцієнт корисної дії визначається як.
Клас: 10
Урок вивчення нового матеріалу.
Ціль уроку: Роз'яснити принцип дії теплового двигуна.
Завдання уроку:
Освітні: познайомити учнів з видами теплових двигунів, розвивати вміння визначати ККД теплових двигунів, розкрити роль та значення ТД у сучасній цивілізації; узагальнити та розширити знання учнів з екологічних проблем.
Розвиваючі: розвивати увагу та мовлення, удосконалювати навички роботи з презентацією.
Виховні: виховувати в учнів почуття відповідальності перед наступними поколіннями, у зв'язку з чим розглянути питання вплив теплових двигунів на довкілля.
Обладнання: комп'ютери для учнів, комп'ютер вчителя, мультимедійний проектор, тести (в Excel), Фізика 7-11 Бібліотека наочних електронних посібників. "Кирило і Мефодій".
Хід уроку
1. Оргмомент
2. Організація уваги учнів
Тема нашого уроку: "Теплові двигуни". (Слайд 1)
Сьогодні ми згадаємо види теплових двигунів, розглянемо умови їхньої ефективної роботи, поговоримо про проблеми пов'язані з їх масовим застосуванням. (Слайд 2)
3. Актуалізація опорних знань
Перш ніж перейти до вивчення нового матеріалу, пропоную перевірити, як ви до цього готові.
Фронтальне опитування:
– Дайте формулювання першого закону термодинаміки. (Зміна внутрішньої енергії системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил та кількість теплоти, передана системі. U=A+Q)
– Чи може газ нагрітися чи охолодитись без теплообміну з навколишнім середовищем? Як це відбувається? (При адіабатичних процесах.)(Слайд 3)
– Напишіть перший закон термодинаміки у таких випадках: а) теплообмін між тілами в калориметрі; б) нагрівання води на спиртовці; в) нагрівання тіла під час удару. ( а) А = 0,Q=0, U=0; б) А = 0, U = Q; в) Q = 0, U = А)
– На малюнку зображено цикл, який здійснюється ідеальним газом певної маси. Зобразити цей цикл на графіках р(Т) та Т(р). На яких ділянках циклу газ виділяє теплоту та на яких – поглинає?
(На ділянках 3-4 та 2-3 газ виділяє деяку кількість теплоти, а на ділянках 1-2 та 4-1 теплота поглинається газом.) (Слайд 4)
4. Вивчення нового матеріалу
Усі фізичні явища та закони знаходять застосування у повсякденному житті людини. Запаси внутрішньої енергії в океанах та земній корі можна вважати практично необмеженими. Але мати у своєму розпорядженні ці запаси недостатньо. Необхідно за рахунок енергії вміти приводити в дію пристрої, здатні виконувати роботу. (Слайд 5)
Що джерелом енергії? (різні види палива, енергія вітру, сонця, припливів та відливів)
Існують різні типи машин, які реалізують у своїй роботі перетворення одного виду енергії на інший.
Тепловий двигун – пристрій, що перетворює внутрішню енергію палива на механічну енергію. (Слайд 6)
Розглянемо пристрій та принцип роботи теплового двигуна. Теплова машина працює циклічно.
Будь-яка теплова машина складається з нагрівача, робочого тіла та холодильника. (Слайд 7)
ККД замкнутого циклу (Слайд 8)
Q 1 – кількість теплоти, отримана від нагрівання Q 1 >Q 2
Q 2 – кількість теплоти віддана холодильнику Q 2 A / = Q 1 - | Q 2 | - робота, що здійснюється двигуном за цикл?< 1. Цикл C. Карно (Слайд 9) T1 – температура нагрівання. Т2 – температура холодильника. На всіх основних видах сучасного транспорту використовуються теплові двигуни. На залізничному транспорті до середини ХХ ст. основним двигуном була парова машина. Тепер же головним чином використовують тепловози з дизельними установками та електровози. На водному транспорті також використовувалися спочатку парові двигуни, зараз використовуються як двигуни внутрішнього згоряння, і потужні турбіни для великих суден. Найбільше значення має використання теплових двигунів (в основному потужних парових турбін) на теплових електростанціях, де вони надають руху ротори генераторів електричного струму. Близько 80% всієї електроенергії нашій країні виробляється теплових електростанціях. Теплові двигуни (парові турбіни) встановлюють також на атомних електростанціях. Газові турбіни широко використовуються в ракетах, залізничному та автомобільному транспорті. На автомобілях застосовують поршневі двигуни внутрішнього згоряння із зовнішнім утворенням горючої суміші (карбюраторні двигуни) та двигуни з утворенням горючої суміші безпосередньо всередині циліндрів (дизелі). В авіації на легких літаках встановлюють поршневі двигуни, а на величезних лайнерах – турбогвинтові та реактивні двигуни, які також відносяться до теплових двигунів. Реактивні двигуни використовуються і на космічних ракетах. (Слайд 10) (Показ відеофрагментів роботи турбореактивного двигуна.) Розглянемо докладніше роботу двигуна внутрішнього згоряння. Перегляд відеофрагменту. (Слайд 11) Робота чотиритактного ДВЗ. Теплові двигуни та охорона навколишнього середовища (Слайд 13) Неухильне зростання енергетичних потужностей – все більшого поширення приборканого вогню – призводить до того, що кількість теплоти, що виділяється, стає порівнянною з іншими компонентами теплового балансу в атмосфері. Це може призводити до підвищення середньої температури Землі. Підвищення температури може створити загрозу танення льодовиків та катастрофічного підвищення рівня Світового океану. Але це не вичерпує негативних наслідків застосування теплових двигунів. Зростає викид у повітря мікроскопічних частинок – сажі, попелу, подрібненого палива, що зумовлює збільшення “парникового ефекту”, зумовленого підвищенням концентрації вуглекислого газу протягом тривалого проміжку часу. Це зумовлює підвищення температури атмосфери. Токсичні продукти горіння, що викидаються в атмосферу, продукти неповного згоряння органічного палива - надають шкідливий вплив на флору і фауну. Особливу небезпеку у цьому відношенні становлять автомобілі, кількість яких загрозливо зростає, а очищення відпрацьованих газів утруднено. Все це ставить низку серйозних проблем перед суспільством. (Слайд 14) Необхідно підвищувати ефективність споруд, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин; добиватися більш повного згоряння палива в автомобільних двигунах, а також збільшення ефективності використання енергії, економії її на виробництві та у побуті. Альтернативні двигуни: Шляхи вирішення екологічних проблем: Використання альтернативного палива. Використання альтернативних двигунів. Оздоровлення довкілля. Виховання екологічної культури. (Слайд 16) Усім вам доведеться лише через рік складати єдиний державний іспит. Пропоную вам вирішити кілька завдань із частини А демоверсії з фізики за 2009 рік. Завдання ви знайдете на робочих столах комп'ютерів. З моменту, коли була побудована перша парова машина, до теперішнього часу минуло понад 240 років. За цей час теплові машини сильно змінили зміст життя людини. Саме застосування цих машин дозволило людству зробити крок у космос, розкрити таємниці морських глибин. Виставляє оцінки за роботу на уроці. Перш ніж залишити клас прохання заповнити таблицю.
1 такт: впуск.
2 такт: стиск.
3 такт: робочий хід.
4 такт: випуск.
Пристрій: циліндр, поршень, колінчастий вал, 2 клапани (впуск та випуск), свічка.
Мертві точки – крайнє становище поршня.
Порівняємо експлуатаційні характеристики теплових двигунів.5. Закріплення матеріалу
6. Підбиття підсумків уроку
7. Домашнє завдання:
§ 82 (Мякішев Г.Я.), упр. 15 (11, 12) (Слайд 17)
8. Рефлексія
