Урок физики по теме: " Паровая турбина. КПД двигателя внутреннего сгорания "

Тема урока: «Паровая турбина. КПД двигателя внутреннего сгорания»

Цели урока:

Образовательная: ознакомить с принципом работы тепловой машины - паровой турбины; сформировать понятие КПД теплового двигателя, умение объяснять физические опыты и явления, работать над формированием навыков решения задач по теме

Развивающие: показать практическую значимость темы, установить взаимосвязь между изученным материалом и явлениями в жизни.

Воспитательная: обсудить проблемы использования тепловых двигателей в экологии; воспитывать умение использовать свой интеллект, волю, эмоции.

Оборудование: таблица “Тепловые машины”, мультимедийный проектор, модель ДВС.

Ход урока

1. Объявление цели и задачи урока

2. Опрос по домашнему заданию

Ответы на вопросы к параграфу 22(ДВС) на стр.55

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и так далее), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

История создания тепловых двигателей (Сообщения обучающихся)

История создания двигателей внутреннего сгорания. ( Презентации обучающихся)

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля, однако светильный газ годился не только для освещения.

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения, стремительно расширяясь, оказывали сильное давление на окружающую среду — таким образом, оставалось только найти способ использования выделившейся энергии. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Затем газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, так и не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

В последующие годы изобретатели из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной.

Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Решив возникшие по ходу проблемы (тугой ход и перегрев поршня, ведущий к заклиниванию) продумав систему охлаждения и смазки двигателя, Ленуар создал работоспособный двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году было выпущено более трёхсот таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над дальнейшим усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто и получившим патент на изобретение своей модели газового двигателя в 1864 году.

В 1864 году немецкий изобретатель Августо Отто заключил договор с богатым инженером Лангеном для реализации своего изобретения — была создана фирма «Отто и Компания». Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. Цилиндр двигателя Отто, в отличие от двигателя Ленуара, был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Принцип действия: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разреженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Однако самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто получил патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

3. Изучение нового теоретического материала

В современной технике наряду с ДВС так же широко применяют и другой тип теплового двигателя – турбинные двигатели. Впервые об этой машине заговорил Лаваль, французский ученый в 1889 году. Особенность данного типа тепловой машины в том, что нагретый до высокой температуры пар в нем вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала.

Состоит паровой двигатель из вала, на оси которого размещаются диски с лопастями.

Также как и в ДВС действие паровой машины основано на преобразование энергии: внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора.

Мощность паровой машины тем больше, чем больше дисков будет насажено на общий вал.

Границы применимости паровых машин: тепловые электростанции и морские суда: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном - двигатели.

Паровые турбины - устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока, а также на всех атомных электростанциях для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели.

Паровые внутреннего сгорания и паровые турбины, на железнодорожном - тепловозы с дизельными установками, в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Пар является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты.

Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счет внутренней энергии. Часть энергии передается атмосфере – холодильнику – вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

КПД = Ап 100%/Аз или Q=Qп 100%/Qз

Ап – полезная работа.

Аз - затраченная (полная) работа.

Qп - количество теплоты, выделяющееся при сжигании топлива в камере сгорания ДВС).

Qз - количество теплоты, которое выходит в окружающую среду.

КПД всегда меньше 100%

КПД характеризует степень экономичности тепловой машины, выражается отношением полезной работы, полученной от нагревателя к затраченной, отданной холодильнику (окружающей среде)

4. Решение задач на закрепление. Примеры решения задач

Задача 1

В процессе работы тепловой машины за некоторое время рабочим телом было получено от нагревателя количество теплоты 1,5 МДж, передано холодильнику 1,2 МДж. Вычислить КПД машины.

Дано:

= 1,5·10⁶Дж

= 1,2·10⁶Дж

- ?

Решение

Ответ: 20 %

Задача 2

В тепловой машине за счёт каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа 300 Дж. Определить КПД машины.

Дано:

= 1 кДж=1000 Дж

=300 Дж

- ? Решение

Ответ: 30 %

Задачи для самостоятельного решения «КПД тепловых двигателей»

1. Тепловая машина получает от нагревателя количество теплоты, равное 3360 Дж за каждый цикл, а холодильнику отдаётся 2688 Дж. Найдите КПД машины.

2. Найдите КПД тепловой машины, если совершается работа 250 Дж на каждый 1 кДж теплоты, полученной от нагревателя. Какое количество теплоты отдаётся холодильнику?

3. Тепловая машина за цикл получает от нагревателя 500 Дж теплоты и отдает холодильнику 350 Дж. Чему равен ее КПД ?

4. Двигатель мотоцикла за час расходует 2 кг бензина. Определить КПД двигателя мотоцикла, если его мощность 6 кВт.

Оценивание этапов решения задачи с применением математического закона (формулы)

1. Записать условие задачи – 1 балл

2. Перевести данные задачи в СИ – 1 балл

3. Записать формулу для нахождения неизвестной величины – 1 балл

4. При необходимости преобразовать формулу – 1 балл

5. Вычисления, грамотное оформление ответа – 1 балл

Максимальная оценка за задачу – “5”

5. Задачи по карточке на дом

1. Относится ли огнестрельное оружие к тепловым двигателям?

2. Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже, чем температура пара, поступающего к лопастям турбины?

3. Двигатель внутреннего сгорания мощностью 36 кВт за 1 ч работы израсходовал 14 кг бензина. Определите КПД двигателя.

6. Рефлексия.

Домашнее задание: п. 22-24, решить задачи по карточке