Конспект урока физики в 10 классе по теме: «Принципы действия теплового двигателя. КПД тепловых двигателей»

10 класс
Физика
Урок № 44

Тема: Принципы действия теплового двигателя. КПД тепловых двигателей.

Тип: урок изучения нового материала.
Цель:  расширить у учащихся знания о тепловых двигателях и принципах их действия;

научиться применять знания о тепловых двигателях для объяснения рабочего цикла теплового двигателя; рассмотреть решение задач на применение знаний о КПД теплового двигателя.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент

Учитель и ученики приветствуют друг друга.

II. Проверка домашнего задания

Учитель выборочно берёт у 2–3 учащихся тетради для проверки выполнения домашнего задания.

III. Актуализация опорных знаний учащихся

Учитель проводит фронтальный опрос:
- Что такое термодинамика?
- Может ли механическая энергия пропадать бесследно?
- Сколько мы знаем законов термодинамики?
- Как звучит первый закон термодинамики?
- Кто открыл второй закон термодинамики?
- Как звучит второй закон термодинамики?
- Какой процесс называют адиабатным?

- Что называют обратимыми и необратимыми процессами?
- Что такое равновесное состояние?
- Решите устно задачу:
Над газом была совершена работа 48 Дж, а его внутренняя энергия увеличилась на 18
Джоулей. Какое количество теплоты получил или отдал газ в этом процессе?
(Ответ: газ отдал 30 Дж теплоты.)

IV. Мотивационный этап урока. Постановка темы и целей урока

- Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для передвижения?

- Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т. д. Как вы считаете, можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для этих целей?

Учитель записывает на доске тему урока.

- Как вы считаете, чем мы сегодня займёмся на уроке?

Учитель слушает ответы учеников.

V. Изучение нового материала

- Для начала, давайте разберёмся, что такое тепловые двигатели?

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело двигателя и холодильник. Работа всех тепловых двигателей циклична. Каждый цикл состоит из разных процессов: получение энергии от нагревателя, рабочего хода, передачи неиспользованной части энергии холодильнику.

Учитель во время рассказа может делать схематическую зарисовку на доске:

- Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

- Зная мощность и время работы двигателя, можно найти работу совершаемую за цикл:
А = Nt, зная это мы можем найти КПД теплового двигателя: = .

- В XIX веке французский инженер учёный Сади Карно (1796–1832) описал идеализированную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Сейчас такой тепловой двигатель называют двигателем Карно.

В начале цикла рабочее тело и нагреватель имеют
одинаковую температуру Т₁ (точка 1 на графике),
получая от нагревателя количество теплоты , газ
изотермически расширяется и приходит в состояние 2,
затем газ адиабатно расширяется отдельно и переходит
в состояние 3, при этом его температура понижается
до Т₂ (температуры холодильника). После этого под
действием внешних сил, газ изотермически сжимается
до состояния 4, отдавая при этом холодильнику количество теплоты , и наконец, газ сжимается адиабатно от состояния 4 до первоначального состояния 1. При этом его температура повышается и обратно становится равно Т₁.

Цикл Карно, самый эффективный цикл из всех возможных двигателей, и имеет максимальный КПД.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру , и холодильником с температурой , не может иметь КПД превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Формула КПД показывает, что тепловой двигатель, тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника. Лишь при температуре двигателя равной абсолютному нулю, КПД будет равен 1. Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно, однако любой материал, твердое тело обладает ограниченной теплостойкостью или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре – плавится. Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей, за счёт уменьшения трения частей, потерь топлива, вследствие его неполного сгорания, и т.д. Реальные возможности для повышения КПД здесь всё ещё остаются большими. Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному – важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины устанавливают на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном – ДВС и паровые турбины, на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками, в авиации – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей:

Самый маленький КПД теплового двигателя у парового двигателя составляет 8%. Наибольшие КПД имеют паровая турбина и дизельный двигатель.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата, поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды, является одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

VI. Закрепление изученного материала. Решение упражнений

Работа на карточках

Учащиеся коллективно решают задания с карточки

Рекомендации для решения заданий на уроке:

Задание 1 – учащийся со слабой успеваемостью решает устно
Задание 2 – учащийся со слабой успеваемостью решает устно
Задание 3 – учащийся решает устно
Задание 4 – учащийся решает возле доски
Задание 5 – учащийся решает возле доски
Задание 6 – учащийся решает возле доски

VII. Анонс домашнего задания

• Прочитать §82 – 83

• Устно отвечать на вопросы из §82

• Выполнить тестовые задания А1–А5 (стр. 273)

• Решить задачу:
  В топке паровой машины сгорело 20 кг каменного угля, удельная теплота сгорания которого равна 30 МДж/кг. При этом машиной была совершена полезная механическая работа 150 МДж. Чему равен КПД этой тепловой машины?

VIII. Подведение итогов урока

Учитель выставляет оценки за работу на уроке, тем самым поводит итоги урока.