Урок физики. Тепловые двигатели.

Тема урока: Тепловые двигатели.

Цель: обучающая - выяснить условия работы тепловых двигателей, обосновать невозможность создания вечного двигателя первого и второго рода, сформировать понятие об идеальной тепловой машине Карно, формировать умение рассчитывать КПД тепловых машин.

развивающая - развивать логическое мышление, умение анализировать физические процессы; развивать познавательный интерес обучающихся, используя данные о применении изучаемого материала в окружающей жизни.

воспитательная - формировать жизненные ключевые компетентности учащихся: коммуникативную, информационную, поликультурную.

Оборудование: презентация «Вечный двигатель», опорные конспекты на партах, груз на пружине, емкость с горячей водой, ложка.

Тип урока: комбинированный урок.

Методы обучения: лекция, беседа, демонстрация, работа с презентацией.

План урока.

1. Орг.момент.

2. Проверка домашнего задания.

3. Актуализация опорных знаний. Демонстрации.

4. Изучение нового материала.

5. Презентация «Вечный двигатель».

6. Закрепление.

7. Подведение итогов урока.

8. Домашнее задание.

Ход урока.

1. Орг.момент.

2. Проверка домашнего задания.

Учитель предлагает учащимся проверить домашнее задание, а именно, решение задач в парах (пара – двое учащихся, сидящих за одной партой).

3. Актуализация опорных знаний. Демонстрации.

3.1. Фронтальный опрос.

Демонстрация 1. Колебания груза на пружине.

Демонстрация 2. В емкость с горячей водой опустили ложку. Она начнет нагреваться.

- Какие процессы считаются необратимыми?

- Приведите примеры необратимых процессов.

- Являются ли необратимыми следующие процессы?

А) Расширение газа в вакууме.

Б) Диффузия.

В) Торможение автомобиля.

- Объясните второй закон термодинамики.

- Объясните факт необратимости процессов в природе с молекулярной точки зрения.

- К какому наиболее вероятному состоянию стремится макроскопическая система?

3.2. Решение задач в группах.

Задача 1. При изохорном нагревании газу было передано от нагревателя 250 Дж теплоты. Какова работа, совершенная газом? Что произошло с его внутренней энергией? (Aʹ= 0; ΔU = 250 Дж).

Задача 2. При адиабатическом сжатии газа была совершена работа 200 Дж. Что произошло при этом с внутренней энергией газа? ( ΔU = – 200 Дж).

Задача 3.Чему равна работа, совершенная газом, взятым в количестве 2 моль, если нагревание его на 50 К происходит при V = соnst? Изменилась ли его внутренняя энергия при этом?

Решение. Aʹ= P ΔV = m К ΔT/M = γ RΔT; Aʹ = 2·8,31·50 = 831 (Дж);

ΔU = 3 m RΔT/2 M = 3γ RΔT/2 ΔU = 1246 (Дж);Q = ΔU + Aʹ Q = 2077 (Дж)

1. Самостоятельная работа.  

1 вариант

1. Какую работу совершил гелий массой 0,4 кг при изобарном нагревании на 30 °С?

А) 5 кДж    Б) 10 кДж    В) 15 кДж     Г) 20 кДж       Д) 25 кДж

2. Найдите изменение внутренней энергии гелия массой 80 г при его нагревании на 60 ºС?

А) 5 кДж     Б) 10 кДж    В) 15 кДж     Г) 20 кДж      Д) 25 кДж

2 вариант

1. Найдите изменение внутренней энергии гелия массой 0,16 кг при его нагревании на 30 °С.

А) 5 кДж Б) 10 кДж В) 15 кДж  Г) 20 кДж  Д) 25 кДж

2. Какую работу совершил гелий массой 0,8 кг при изобарном нагревании на 60 °С?

А) 20 кДж      Б) 40 кДж     В) 60 кДж       Г) 80 кДж        Д) 100 кДж

4. Изучение нового материала.

  Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту (рис. 1).

Рис. 1. Раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей

Как видно из ри­сун­ка, теп­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми яв­ля­ют­ся любые устрой­ства, ра­бо­та­ю­щие по вы­ше­ука­зан­но­му прин­ци­пу, и они ва­рьи­ру­ют­ся от неве­ро­ят­но про­стых до очень слож­ных по кон­струк­ции.

Тер­мо­ди­на­ми­ка – наука, опи­сы­ва­ю­щая дей­ствия теп­ло­вых машин, а теп­ло­вые ма­ши­ны, в свою оче­редь, ос­но­вы­ва­ют­ся на прин­ци­пе вы­пол­не­ния рас­ши­ря­ю­щим­ся газом неко­то­рой ра­бо­ты (на­при­мер, дви­га­те­ли внут­рен­не­го сго­ра­ния (рис. 2).

Рис. 2. Дви­га­те­ль внут­рен­не­го сго­ра­ния

Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. Тепловой резервуар с более высокой температурой, передающий теплоту тепловому двигателю, называется нагревателем, а забирающий остатки тепла с целью вернуть рабочее тело в исходное состояние – холодильником. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Итак, основные части теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело (газ, пар), холодильник. Теоретические основы работы тепловых машин: необходима разность давлений по обе стороны поршня; температура нагревателя Т₁ всегда выше температуры холодильника Т₂; общее свойство всех тепловых машин – периодичность действия или цикличность, в результате чего рабочее тело периодически возвращается в исходное состояние. Рабочее тело получает некоторое количество теплоты Q₁ от нагревателя и расширяется. При расширении рабочее тело совершает работу. При сжатии рабочее тело отдает количество теплоты Q₂ холодильнику. Двигатель совершает полезную работу в случае, если работа расширения больше работы сжатия. Это условие выполняется, когда температура расширения выше температуры сжатия.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение полезной работы, совершенной двигателем, ко всей

энергии Q₁, полученной при сгорании топлива (то есть от нагревателя):

Рис. 3. Энергетическая схема теплового двигателя.

Рис. 4. Полезную работу, совершенную тепловым двигателем за один цикл, можно найти как площадь, ограниченную графиком процесса на плоскости pV.

 

Рис. 5. При­мер гра­фи­ка про­цес­са, про­те­ка­ю­ще­го в теп­ло­вом дви­га­те­ле

Наибольшим среди тепловых машин КПД при заданных температурах нагревателя и холодильника обладает тепловая машина, работающая по циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. КПД цикла Карно равен

где T₁ – температура нагревателя, T₂ – холодильника.

Рис. 7. Сади Карно

Рис. 6. Цикл Карно.

Невозможность сто процентного преобразования теплоты в работу с помощью циклически действующей тепловой машины означает, что КПД такой машины η = Q₁ – Q₂/ Q₁ не может быть равен единице.

Формула КПД идеальной машины показывает пути увеличения КПД любой тепловой машины.

Для по­ни­ма­ния того, ка­ко­го по­ряд­ка зна­че­ния КПД раз­лич­ных теп­ло­вых машин, рас­смот­рим сле­ду­ю­щую таб­ли­цу, в ко­то­рой при­ве­де­ны раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей (рис. 8):

Рис. 8

Обоснование невозможности создания вечного двигателя второго рода

Веч­ный дви­га­тель (рис. 9) – устрой­ство, спо­соб­ное вы­пол­нять ра­бо­ту без по­треб­ле­ния ка­ко­го-ли­бо топ­ли­ва. Двигатель второго рода – это воображаемая машина, вся деятельность которой сводится к совершению работы за счет охлаждения какого–либо теплового резервуара, например, Мирового океана.

Энергетически такая машина была бы выгодна, так как если бы можно было создать такой двигатель, работающий за счет теплоты, заимствованный из воды океанов, и приводить в движение машины всех заводов в мире, то через тысячу лет можно было бы зафиксировать понижение температуры воды в океане на сотую долю градуса. Но согласно второму закону термодинамики, такой вечный двигатель невозможен.

По­смот­рим, как с по­мо­щью пер­во­го за­ко­на тер­мо­ди­на­ми­ки опи­сы­ва­ет­ся ра­бо­та веч­но­го дви­га­те­ля: 

Рис. 9. Раз­лич­ные мо­де­ли «веч­но­го» дви­га­те­ля

Ещё одним во­про­сом, остав­шим­ся нераз­ре­шён­ным, яв­ля­ет­ся на­прав­ле­ние пе­ре­хо­да теп­ло­вой энер­гии, ведь пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки ука­зы­ва­ет лишь на со­хра­не­ние зна­че­ния этой энер­гии. Ответ на этот во­прос был впер­вые по­лу­чен немец­ким учё­ным Ру­доль­фом Кла­у­зи­усом в виде вто­ро­го за­ко­на. В отличие от газа, жидкости и твердые тела мало изменяют свой объем, так что во многих случаях работой, совершаемой при расширении или сжатии, можно пренебречь. Однако, внутренняя энергия жидких и твердых тел также может изменяться в результате совершения работы. При механической обработке деталей (например, при сверлении) они нагреваются. Это означает, что изменяется их внутренняя энергия. Другим примером может служить опыт Джоуля (1843 г.) по определению механического эквивалента теплоты. При вращении вертушки, погруженной в жидкость, внешние силы совершают положительную работу (A'  0); при этом жидкость из-за наличия сил внутреннего трения нагревается, т. е. увеличивается ее внутренняя энергия. В этих двух примерах процессы не могут быть проведены в противоположном направлении. Такие процессы, как мы уже знаем, называются необратимыми.

5. Презентация «Вечный двигатель».

Учитель предлагает просмотреть презентацию «Вечный двигатель».

6. Закрепление.

Решение задач.

Задача 1. Котел современной тепловой станции работает при температуре 550˚С. Отработанное тепло, может отводиться к озеру или реке при температуре при температуре 20˚С. Каков был бы КПД такой станции, если бы она работала по идеальному циклу Карно?

Решение. η = (Т₁ – Т₂) 100%/Т₁ ; η = 64%

Задача 2. Температура холодильника тепловой машины 280 К. КПД этой машины 30%. Найти температуру нагревателя.

Решение. η = (Т₁ – Т₂ )/ Т₁; η T₁ = T₁- T₂; T₁(1 – η) = T₂; T₁ = T₂/ 1 – η; T₁ = 400K

Задача 3.Тепловой двигатель получает от нагревания за одну секунду 7200 кДж теплоты и отдает холодильнику 5600 кДж. Каков КПД теплового двигателя?

Дано:

22,2 %= 5600 кДж= 5,6 ·10 ⁶Дж.

По определению, КПД тепловой машины η = · 100%

η = · 100% = · 100% = ·100% = 22,2 %

Ответ: η = 22,2 %.

7. Подведение итогов урока.

Открытый микрофон.

«На уроке я узнал (а) о… Особенно интересным было… Не понятным осталось…»

8. Домашнее задание.

1.Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика, 10 класс, М., «Просвещение», 2016. Читать §82 (с.269-273).

2. Подготовить индивидуальные доклады по теме: «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды».

3. Решение задач:

3.1. При сго­ра­нии топ­ли­ва в теп­ло­вом дви­га­те­ле вы­де­ли­лось ко­ли­че­ство теп­ло­ты 20 кДж, а хо­ло­диль­ни­ку пе­ре­да­лось 120 кДж. Каков КПД дви­га­те­ля?

3.2. Какой КПД иде­аль­ной теп­ло­вой ма­ши­ны, если тем­пе­ра­ту­ра на­гре­ва­те­ля равна 347 , а тем­пе­ра­ту­ра хо­ло­диль­ни­ка – 37 ?

3.3.*Может ли про­цесс, про­ис­хо­дя­щий с газом в теп­ло­вом дви­га­те­ле, быть опи­сан сле­ду­ю­щим об­ра­зом в ко­ор­ди­на­тах P-V?