Принцип действия тепловых двигателей.Цикл Карно в идеальных тепловых машинах.

Принцип действия тепловых двигателей. Цикл КАРНО в идеальных тепловых машинах. КПД теплового двигателя.

Цель: объяснить принцип работы тепловых двигателей, сформировать представления о невозможности создания тепловой машины с КПД 100%, разобраться в процессах, характеризующих работу идеальной тепловой машины ( по циклу Карно).

Ход урока:

Этап 1. Организационный

Дидактическая задача: мобилизация учащихся на урок

Деятельность педагога: проследить за готовностью учеников к началу урока

Деятельность учащихся: подготовить необходимое к уроку (учебник, тетрадь, дневник, письменные принадлежности, листок с ответами викторины)

Показатель результатов: готовность учеников к уроку

Этап 2 Вступление

Человеческий прогресс на всех этапах своего развития всегда нуждался в помощниках. Это были и одомашненные животные, затем колесо и простейшие механизмы. Человек развивался, и у него уже появляются устройства способные преобразовать кинетическую энергию ветра (ветряные мельницы или парусные суда),(слайд 1) или потенциальную энергию падающей воды (водяные мельницы) в механическую работу.И вот в 1712 году, мир увидел паровую машину Томаса Ньюкомена(слайд 2). Это была одна из первых паровых машин, которая преобразовывала внутреннюю энергию топлива в работу. Эти устройства, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу и стали называть тепловыми машинами , точнее тепловыми двигателями, Это и есть тема сегодняшнего урока.( слайд 3)Тема весьма сложная ,но интересная. Сегодня нам предстоит познакомиться с принципами работы теплового двигателя, с его устройством и назначением его составных частей, уяснить для себя, каков же может быть КПД этого двигателя и почему он никогда не сможет быть 100% И как можно создать идеальную тепловую машину. Это наши сегодняшние цели( слайд 4).

И запишите сразу ДОМ. ЗАД. № 82 вопр 1-4 ответить усно А2 и А3 выполнить в тетради. (записать на доске)

Этап 3 Актуализация знаний

Прежде чем перейти к материалу урока, для начала вспомним то, о чём мы говорили на прошлых занятиях. Вам будут представлены утверждения. Ваша задача – оценить их справедливость. Будете использовать карточки, которые есть на вашем столе. Если вы согласны с утверждением, то показываете мне карточку зеленой стороной, если не согласны – белой. Карточки нужно поднимать по команде ( слайд 5)

.

А , сейчас , в рабочих тетрадях, мотивируйте свой ответ , т. е добавьте к вашему утверждению слово « потому что…» Спросить и разобрать то , что они записали.

Этап 4 Изучение нового материала

Начну с определения: Тепловой двигатель- устройство, преобразующее внутреннюю энергию тела в механическую работу( записать в тетради) Из каких же составных частей складывается тепловой двигатель? Самый первая паровая машина Джеймса Уатта(запатентованная) и реактивный двигатель космического корабля- это все тепловые машины.(слайд 6)

Составные части:

1. Нагреватель.( тело с высокой температурой)

2. Рабочее тело (тело способное выполнить механическую работу, в нашем случае, тело, которое при нагревании хорошо расширяется)Вопрос: А какие из тел твердые, жидкости или газы способны лучше всего расширяться? То есть это должен быть газ или пар.(слайд 7)

3. Допишем чуть позже

Можно сказать об экзотическом тепловом двигателе , работающем на тепловом расширении твердых тел. Например: взять какую- то биметаллическую пластинку поставить ее в механизм часов и от разницы дневной и ночной температур они будут заводиться. Но это скорее будут произведения искусства, а нам нужен массовый продукт.

Итак, есть нагреватель, есть рабочее тело ( которое должно совершить работу) , и вот эту работу мы с вами и попробуем рассчитать. Для этого нам поможет первый закон термодинамики( ученики дают ему определение) Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе.( слайд 8)

^U= A+ Q или Q= A+ ^U

Мы хотели бы, чтобы работа была как можно большей, МЫ ХОТИМ ПОСТРОИТЬ ЭФФЕКТИВНЫЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ. Наш идеал, когда все Q перейдет в работу, а для этого необходимо, чтобы изменения внутренней энергии не происходило^U=0. Давайте построим график такого процесса. Смотрите, у нас U const , T const

Вопрос: А как будет называться такой процесс? (изотермический)

Как будет называться линия на графике? Как она будет выглядеть?(изотерма, в виде параболы)

Из этого графика можно найти работу .Для этого необходимо найти площадь под графиком ( слайд 9) Все хорошо ,T не меняется , вся теплота полученная рабочим телом от нагревателя переходит в работу. КПД= 100%( если нет трения в осях, не трется поршень о цилиндр…

Этап 5 Проблема!!!

Но наш оптимизм преждевременен

.Вопрос: Как думаете почему? (Ученики пробуют найти в чем проблема.( Дело в том , что такой процесс односторонний и его на практике можно провести только один раз, а нам необходим двигатель работающий циклически т.е многократно повторяющийся) Смотрите, какую работу выполнил двигатель , такую работу должны будем выполнить мы , чтобы привести его в первоначальное состояние. И тогда КПД у нас падает до 0. Такой двигатель работать не будет. А работу необходимо выполнить многократно. Для убедительности показать опыт с магнитом и крышкой ( Вовлечь учеников в дискуссию)

А решение проблемы весьма просто. Что бы получить хоть какую то работу не нулевую, необходимо сделать так, чтобы работа по сжатию (обратный процесс) была меньше , чем работа по расширению ( прямой процесс), то есть график обратного процесса должен проходить ниже . Для этого перехода нам необходимо из состояния 2 перейти в состояние 3 , а а затем уже сжимать газ в процессе 3-4 Вопрос: Что одинаково на линии 2-3? (объем, значит процесс изохорный) Возвращаемся к началу урока:

У Вас был вопрос 3 : Всегда ли газ совершает работу при изменении внутренней энергии? (при изохорном процессе работа не совершается) Мы просто перешли на более низкотемпературную изотерму без совершения работы. Для этого перехода мы просто вынуждены часть теплоты выбросить из процесса . А для принятия этих излишков теплоты нам необходима третья составная часть двигателя-ОХЛАДИТЕЛЬ (слайд 10)

(записать на доске к составным частям)

Мы не можем полностью всю энергию перевести в работу. Мы должны «заплатить дань , налог» то есть часть энергии без всякого толка терять в охладителе. И это закон природы, который обойти невозможно. И называется этот закон- ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. Давайте его еще раз сформулируем.( несколько преобразовав под сегодняшнюю тему). В ЦИКЛИЧЕСКОМ ТЕПЛОВОМ ДВИГАТЕЛЕ НЕВОЗМОЖНО ВСЮ ЭНЕРГИЮ, ПОЛУЧЕННУЮ РАБОЧИМ ТЕЛОМ ОТ НАГРЕВАТЕЛЯ, ПРЕОБРАЗОВАТЬ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ. В таком виде этот закон впервые сформулировал У. Кельвин. ( слайд 11)

Возможный вопрос: А можно хоть как то использовать эту энергию?

Давайте рассуждать. Эта энергия то разная, в нагревателе она выше, в охладителе ниже. Получается, что нам необходимо передать энергию от более низкотемпературного тела более высокотемпературному. Возвращаю вас опять к началу урока. Был вопрос 4

Как вы на него ответили ? ( нет) Действительно в природе таких процессов не встречается

И это опять второй закон термодинамики. Формулировка его из учебника звучит так: НЕВОЗМОЖНО ПЕРЕВЕСТИ ТЕПЛО ОТ БОЛЕЕ ХОЛОДНОЙ СИСТЕМЫ К БОЛЕЕ ГАРЯЧЕЙ ПРИ ОТСУТСТВИИ ДРУГИХ ОДНОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В ОБЕИХ СИСТЕМАХ ИЛИ ОКРУЖАЮЩИХ ТЕЛАХ. ( СЛАЙД 12)

Вообще, весь раздел физики , как термодинамика, появился с целью создания эффективного устройства по преобразованию внутренней энергии. Прочитайте в учебнике выделенную фразу последнего абзаца на странице 285. Это еще одна формулировка второго закона термодинамики. Эти процессы происходят с затратами энергии извне (холодильник, тепловой насос)

Вывод: БЕЗНАДЕЖНАЯ ИДЕЯ ПОЛУЧИТЬ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С КПД= 100%

Этап 6 Исследование

Но попробуем хоть что то получить. Приведем пример, как вычисляется КПД теплового двигателя. Для этого введем обозначения

Q₁- количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя

А^/_цикл- работа, совершенная рабочим телом за один цикл

Q₂-количество теплоты , полученное рабочим телом от охладителя (эта величина отрицательная, меньше 0, поэтому в формуле ее будем использовать под модулем)

Машина у нас циклическая, поэтому по первому закону термодинамики, все количество теплоты, которое получило тело минус то количество теплоты , выброшенное в охладитель и получится выполненная работа за цикл.

А^/_цикл = Q₁-|Q₂| ;

КПД= А^/_цикл/ Q₁ =Q₁-|Q₂|/Q₁ КПД любой тепловой машины всегда1

Давайте попробуем этот приговор, вынесенный вторым законом термодинамики смягчить, то есть сделаем так , чтобы КПД был максимально возможным. Для этих рассуждений, которые займут у нас всего несколько минут, ученых и инженеров ушло целое столетие.

В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане
Томас Севери и Томас Ньюкомен (1712), француз Дени Папен
(1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1766) и другие.

Но все эти машины потребляли гигантское количества топлива и имели очень низкую производительность ( слайд13) Например, для обслуживания машины Ньюкомена требовалось два кочегара, которые непрерывно бросали уголь и пятьдесят подвод угля Такой насос мог работать только возле шахты. Какие параметры изменить, что усилить, а что наоборот, уменьшить ученые даже не могли представить. Давайте сейчас за них это попробуем сделать мы.

Для этого нам нужно выяснить, какие процессы с точки зрения термодинамики нежелательны для теплового двигателя Представим тепловой двигатель с нулевым КПД (пример с медным стержнем показать). К одному концу подается тепло и столько же тепла уходит из другого конца в охладитель Работа при этом не совершается

ВОПРОС: А как называется процесс переноса энергии без совершения работы? 8 класс (теплопередача) ( СЛАЙД 14)

Значит теплопередача- наш главный враг! Нам нужно придумать такой процесс который, во первых, был циклический, а во вторых, на всех стадиях этого процесса теплопередача бы не происходила ( Желательно чтобы ученики хотя бы способ с теплоизоляцией предложили ) То есть отделить, изолировать рабочее тело от всех окружающих тел и заставить его выполнять работу. Такой процесс называется АДИАБАТНЫЙ.

Значит наш цикл должен включать в себя адиабатный процесс ( их будет 2) Во вторых, теплопередача не будет происходить, если нет разницы температур между рабочим телом и нагревателем, рабочим телом и холодильником.

ВОПРОС: А как тогда будет называться процесс, происходящий с рабочим телом, если оно имеет температуру нагревателя , а затем температуру охладителя т.е его температура остается постоянной ,не изменяется? (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ)

То есть в цикле должно быть и два изотермических процесса. И вот французский физик Сади Карно (слайд 15) первым догадался до того, к чему мы с вами пришли. В 1824 году ,( а ему было всего 28 лет) он придумал цикл, который так и стали называть- ЦИКЛ КАРНО, который состоит из двух изотермических и двух адиабатных процессов

( слайд 16)

РАССМОРИМ ПОДРОБНЕЕ

1) исходное состояние ( рабочее тело имеет Т₁)

2) к рабочему телу подводят нагреватель. Поршень совершает работу, при этом температура поддерживается на одинаковом уровне ( процесс изотермический)

( на графике 1-2)

3) на этом этапе нагреватель уже не контактирует с рабочим телом. Движение поршня осуществляется за счет внутренней энергии Это единственный способ снизить температуру рабочего тела до температуры охладителя (процесс адиабатный)( на графике2-3) Температура уменьшается до какого то значения Т₂. Причем Т₂₁.

4) на этом этапе мы уже начинаем сжимать рабочее тело но уже при Т₂ и так, чтобы его температура не менялась При сжатии температура повышается Всю лишнюю температуру мы выбрасываем в охладитель ( процесс при этом опять изотермический)( на графике 3-4)

ВРПРОС: Где остановиться в этом сжатии? (остановиться надо так, чтобы отключить охладитель)

5) дожимаем поршень в адиабатном процессе , при этом начинается увеличение температуры. Нужно так подогнать вот это состояние, чтобы мы на графике пришли в точку 1 до значения Т₁ (на графике линия 4-1)( еще одна адиабата)

Но к сожалению КПД такого двигателя тоже не 100%. Впервые КАРНО описал этот цикл в книге « О движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу» Это идеальная тепловая машина! Такую к сожалению создать пока не удалось, но есть ориентир и движения в этом направлении весьма существенны. КПД в такой машине определяется по формуле КПД= Т₁- Т₂/Т₁ где

Т₁- температура нагревателя, а Т₂- температура охладителя (слайд 17)

Можно использовать процесс и наоборот ( это будет называться ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ КАРНО) Допустим, рабочее тело от нагревателя получает какое то количество теплоты. Процесс должен идти медленно, ибо возникнет разница температур, расширение должно быть медленным. А теперь наоборот, будем медленно сжимать, т.е совершать работу над телом.

ВОПРОС: Что будет результатом? Энергия будет забираться от более холодного тела и передаваться более нагретому При этом мы будем тратить дополнительно внешнюю энергию ( так работают холодильники и тепловые насосы)

Этап 7 Закрепление и подведение итогов.

Для закрепления решим задачу и разберемся с последним вопросом: КАК ПОВЫСИТЬ КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ, КОТОРЫЙ РАБОТАЕТ ПО ЦИКЛУ КАРНО?

УСЛОВИЕ: Температура нагревателя 100^{0 С} или 373 К, температура охладителя 0^0С или 273 К. Найти КПД такого двигателя. Из решения задачи есть два пути повышения КПД: либо понизить Т охладителя до абсолютного 0 Только самый дешевый ( бесплатный ) охладитель на Земле это окружающий воздух и необходимо исходить из этих реальностей. Более низкие Т получаются с затратами дополнительной энергии. Второй путь- повысить Т нагревателя. Но и здесь мы упремся в предел термической прочности материалов.( при Т в десятки тысяч градусов машина просто превратится в газ( испарится)

По этому позволю сделать еще один вывод : резервы тепловых двигателей еще не в пределе исследований и будущие открытия уже за Вами ( привести пример и показать модель двигателя Стирлинга)

Этап 8 Рефлексия

Посмотрите на экран. Я хотел бы, чтобы каждый из вас закончил предложенные фразы, и высказал свое отношение к сегодняшнему уроку.

• сегодня я узнал...

• было трудно…

• я понял, что…

• я научился…

• я смог…

• было интересно узнать, что…

• меня удивило…

• мне захотелось… ( слайд 18)

Этап 9 Подведение итогов

Назвать оценки за урок. И в заключении, посмотрите на эту лестницу. Скажите, Прошли мы с вами сегодня, пусть не все, но в основном большинство этих ступеней.(слайд 19)

Спасибо за урок.

.