Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Раздел: «Термодинамика»

Колледж: КГКП «Костанайский педагогический колледж» Управления образования акимата Костанайской области.

Дата:

ФИО преподавателя: Сыздыкова Б.С.

Группа:

Участвовали:

Не участвовали: -

Тема:

Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Цели обучения, достигаемые на этом уроке

Обучающиеся научатся:

описывать преобразование энергии в тепловых машинах;
описывать принцип работы двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины;

определять коэффициент полезного действия теплового двигателя;
предлагать пути совершенствования тепловых двигателей;

оценивать влияние тепловых машин на экологическое состояние окружающей среды.

Цель урока

Формирование представлений об устройстве и принципе действия тепловых двигателей; понятия коэффициента полезного действия теплового двигателя, умений определять коэффициент полезного действия тепловых двигателей.

Критерии оценивания

Обучающиеся:

Все: Проявляют знание и понимание основных понятий: устройство и принцип действия тепловых двигателей; коэффициент полезного действия теплового двигателя; экологические проблемы использования тепловых двигателей.

Большинство: Умеют определять коэффициент полезного действия тепловых двигателей;

Умеют находить и использовать информацию, используя различные источники;

Имеют навыки критического рассмотрения и осмысления полученной информации.

Некоторые:

Делают собственные выводы на основе полученной информации, умеют вступать в дискуссию;

Умеют выслушивать других и принимать во внимание их аргументированные ответы.

Языковые цели

Предметная лексика и терминология:

Серия полезных фраз для диалога/письма

Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту

Воспитание ценностей

Құндылық/ ценность: Жалпыұлттық «Мәңгілік Ел» идеясының құндылықтары / Ценности общенациональной идеи «Мәңгілік Ел»/ «Болашаққа бағдар: Рухани жаңғыру»

воспитание доброты, ответственности, настойчивости и познавательной активности, обучение на протяжении всей жизни.

Уважение и сотрудничество прививаются на занятии через умение работать в группе.

Межпредметная связь

Самопознание -вопросы из области самопознания. Математика- выполнение математических преобразований и расчётов при решении задач.

Предыдущие знания

Термодинамика, внутренняя энергия , внутренняя энергия идеального газа, геометрический смысл работы в термодинамике, теплопередача, количество теплоты,

1 закон термодинамики: формулировка и формула

Ресурсы

https://bilimland.kz/; http://class-fizika.ru; https://videouroki.net; https://physics.ru; https://infourok.ru

Карточки с вопросами. Лист оценивания. Смайлики

Время / этапы урока

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

Оценивание

(метод/ прием/ техника/ стратегия)

Способы дифференциации

Начало урока

Организационный момент.

Приветствие на трех языках:

Здравствуйте, Сәлематсіз бе, Good morning.

«Не бойтесь дарить согревающих слов,

И добрые делать дела.

Чем больше в огонь вы положите дров,

Тем больше вернётся тепла».

Омар Хайям (1048-1131), персидский поэт, философ, математик, астроном, астролог.

Хорошее настроение-первый шаг к удаче.

Для установления благоприятной атмосферы в группе провести тренинг «Пожелание»

Обучающиеся встают в круг и по часовой стрелке говорят пожелания:

Комплимент, соответствующий личностным качествам собеседника слева.

Казахи говорят, что у таланта есть «семь граней». Я желаю вам сохранить самый главный талант- талант человечности.

Выход на тему занятия и целеполагание.

Приветствие преподавателя.

Включаются в деловой ритм урока

Словесное одобрение

Проверка домашнего задания

  Опрос домашнего задания.

Группа делится на микрогруппы.

Первый обучающийся задаёт свой вопрос второму, второй отвечает на вопрос и задаёт свой вопрос третьему и т.д. по цепочке. Если обучающийся затрудняется ответить, помогают ребята в группе.

Примерный перечень вопросов:

Что такое термодинамика?

Что такое внутренняя энергия? Что такое идеальный газ? Зависит ли внутренняя энергия идеального газа от его объема? Почему? Как изменяется внутренняя энергия газа при изотермическом расширении? Как рассчитать работу газа при изобарном процессе? Чему равна работа газа при изохорном процессе? Почему? Геометрический смысл работы в термодинамике. Почему при сжатии газы нагреваются? Что такое теплопередача? Что такое количество теплоты?

1 закон термодинамики: формулировка и формула

Ребята задают и отвечают на вопросы

(ФО) Учитель наблюдает за процессом опроса и даёт обратную связь.

ФО) Самооценивание по листу самооценки

Ребята отвечают на вопросы

Основная часть

Изучение нового материала

Для развития коммуникативных навыков, сплочённости внутри команды провести тренинг «Поменяйся местами».

При подготовке темы обучающийся использовали интернет ресурсы:

https://bilimland.kz

http://class-fizika.ru

https://videouroki.net; https://physics.ru; https://infourok.ru

Много времени понадобилось

человечеству в процессе своего развития, чтобы научиться использовать механическую работу, получаемую путём передачи телу некоторого количества теплоты. Только в 1765 г., сравнительно недавно по историческим меркам, русскому изобретателю И. И. Ползунову удалось создать первое практически полезное универсальное устройство для осуществления этой цели — паровую машину. Изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания французским инженером Э. Ленуаром в 1860 г. имело исключительно важное значение.

Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту. Теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие: на­гре­ва­тель, ра­бо­чее тело, хо­ло­диль­ник.

Функ­ци­о­наль­ная схема теп­ло­во­го дви­га­те­ля

На­гре­ва­те­лем яв­ля­ет­ся про­цесс сго­ра­ния топ­ли­ва, ко­то­рое при сго­ра­нии пе­ре­да­ёт боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­ты  газу, на­гре­вая тот до боль­ших тем­пе­ра­тур. Го­ря­чий газ, ко­то­рый яв­ля­ет­ся ра­бо­чим телом, вслед­ствие по­вы­ше­ния тем­пе­ра­ту­ры, а сле­до­ва­тель­но, и дав­ле­ния, рас­ши­ря­ет­ся, со­вер­шая ра­бо­ту . Ко­неч­но же, так как все­гда су­ще­ству­ет теп­ло­пе­ре­да­ча с кор­пу­сом дви­га­те­ля, окру­жа­ю­щим воз­ду­хом и т. д., ра­бо­та не будет чис­лен­но рав­нять­ся пе­ре­дан­ной теп­ло­те – часть энер­гии  ухо­дит на хо­ло­диль­ник, ко­то­рым, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся окру­жа­ю­щая среда.

При­мер гра­фи­ка про­цес­са, про­те­ка­ю­ще­го в теп­ло­вом дви­га­те­ле

КПД (Ко­эф­фи­ци­ент по­лез­но­го дей­ствия) теп­ло­во­го дви­га­те­ля – от­но­ше­ние по­лез­ной ра­бо­ты, вы­пол­нен­ной ра­бо­чим телом, к ко­ли­че­ству теп­ло­ты, пе­ре­дан­ной телу от на­гре­ва­те­ля.

Если же учесть со­хра­не­ние энер­гии: энер­гия, ото­шед­шая от на­гре­ва­те­ля, ни­ку­да не ис­че­за­ет - часть её от­во­дит­ся в виде ра­бо­ты, осталь­ная часть при­хо­дит на  хо­ло­диль­ник:

КПД ре­аль­ной теп­ло­вой ма­ши­ны (теп­ло­во­го дви­га­те­ля). Если же пред­по­ло­жить, что нам ка­ким-то об­ра­зом удаст­ся пол­но­стью из­ба­вить­ся от недо­стат­ков кон­струк­ции дви­га­те­ля, то мы по­лу­чим иде­аль­ный дви­га­тель, и его КПД будет вы­чис­лять­ся по фор­му­ле КПД иде­аль­ной теп­ло­вой ма­ши­ны. Эту фор­му­лу по­лу­чил фран­цуз­ский ин­же­нер Сади Карно:

То есть КПД иде­аль­но­го дви­га­те­ля за­ви­сит толь­ко от тем­пе­ра­тур на­гре­ва­те­ля и хо­ло­диль­ни­ка.

Зна­че­ния КПД раз­лич­ных теп­ло­вых дви­га­те­лей:

паровая машина 1%,паровоз 7-9%,карбюраторный двигатель 20-30%, газовая турбина 35-40%, ракетный двигатель 47%.

Значение тепловых двигателей и экологические проблемы их использования.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте. Тепловые двигатели — паровые турбины —устанавливают на тепловых и атомных электростанциях, где энергия пара превращается в механическую энергию роторов генераторов электрического тока.

В первом случае пар высокой температуры получают за счёт сгорания топлива, а во втором — за счёт энергии, выделяющейся в ходе ядерных реакций.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении, в усовершенствовании сельскохозяйственной и строительной техники. Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобилях, мотоциклах, вертолётах и самолётах, дизельные — на теплоходах, тепловозах, тракторах, тяжёлых автомобилях. Создание реактивного двигателя позволило поднять самолёты на большую высоту, увеличить скорость и дальность их полётов.

Однако интенсивное использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте отрицательно влияет на окружающую среду.

При работе тепловые двигатели выбрасывают в атмосферу огромное количество горячего пара или газа, что приводит к тепловому загрязнению атмосферы. Широкое использование различных видов топлива влечёт за собой увеличение в атмосфере углекислого газа (диоксид углерода СО₂).

Соединяясь с водяными парами в атмосфере, углекислый газ образует угольную кислоту,

которая даже при малых концентрациях, выпадая в виде кислотного дождя, за столетия разъедает кирпич, металл, мрамор.

Сжигание топлива на тепловых электростанциях ведёт к накоплению в атмосфере угарного газа (оксид углерода СО), являющегося ядом для живых

организмов. Например, при сгорании 1 т бензина образуется 60 кг оксида углерода. При работе автотранспорта наряду с оксидом углерода в атмосферу попадают соединения свинца. При горении топливо использует кислород из атмосферы, что приводит к постепенному уменьшению его концентрации в воздухе и, кроме того, образованию оксидов азота. Растворяясь в дождевой воде, они становятся азотной кислотой, а реагируя с содержащимися в воздухе разнообразными примесями, образуют токсичные соединения, которые

выпадают на поверхность воды и суши с кислотными дождями. Это приводит к засолению почв, открытых и подземных водоёмов, гибели лесов, нарушению

химического состава в экосистемах. Кроме того, в «кислой» воде лучше растворяются такие ядовитые вещества, как кадмий, ртуть, свинец, содержащиеся в почве и донных отложениях, что влияет на чистоту воды, потребляемой людьми и животными.

При полётах самолётов и запусках ракет происходит разрушение озонового слоя атмосферы, который защищает всё живое на Земле от избыточности

ультрафиолетового излучения Солнца.

Решение проблем, возникающих при сжигании топлива работающими тепловыми двигателями, учёные и конструкторы видят в: экологизации технологических процессов; увеличении коэффициента полезного действия тепловых двигателей; в замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические.

Рациональная организация автомобильного движения в городах также позволит уменьшить вредные выбросы в атмосферу при эксплуатации транспортных средств

Используется приём «Цветные карточки» для осуществления обратной связи.

Выступать может вся группа или спикер (один представитель или представители группы)

Первичное закрепление

1. Приведите примеры наиболее типичных необратимых процессов.

2. Что называют тепловым двигателем? Какие принципы положены в основу создания тепловых двигателей?

3. В чём состоит роль нагревателя, холодильника и рабочего тела теплового двигателя?

4. Может ли эффективный КПД теплового двигателя стать равным единице, если

трение в частях двигателя свести к нулю?

5. Как наиболее эффективно увеличить термический КПД теплового двигателя?

6. Как определяют эффективный коэффициент полезного действия для автомобильных двигателей внутреннего сгорания?

7. Можно ли охладить воздух в комнате, если открыть дверцу работающего холодильника?

Физминутка

• Физминутка

Выполняют физминутку

Проводит физминутку желающий обучающийся

Закрепление н/м

Выполнение заданий по методу «Думай, решай, делись»

Критерии оценивания:

Применить формулу КПД тепловой машины

Дескрипторы:

Проанализировать условие задачи

Перевести данные физических величин в СИ

Записать и преобразовать формулу для нахождения неизвестной величины

Подставить числовые значения и провести расчеты.

Записать ответ.

Решение задач:

По методу «Думай, решай, делись» решают самостоятельно задачи, обсуждают в группе, делятся с одноклассниками путями решения.

1.Определить температуру нагревателя, если КПД идеальной тепловой машины 80%, температура холодильника 27⁰С?

Ответ:

2. Тепловая машина за один цикл работы отдала холодильнику 400 Дж теплоты и произвела 600 Дж работы. Каков КПД тепловой машины.

Ответ: 60%.

3. Температура нагревателя 500К. Идеальная тепловая машина за один цикл получает от него 330 Дж теплоты. Определить количество теплоты, отданной за один цикл холодильнику, температура которого 400К.

Ответ: 264 Дж

4. Тепловой двигатель получает от нагревателя в каждую секунду 7,2 МДж теплоты и отдает в холодильник 6,4 МДж. Определить КПД двигателя.

Ответ: 11 %;

5. Газ в идеальной тепловой машине отдает холодильнику 60% теплоты, полученной от нагревателя. Определить температуру холодильника, если температура нагревателя 450 К

Ответ: 270 К

Приём «Цветные карточки»

З-всё понятно

Ж-Есть вопросы

К- Не понятно

ФО) Самооценивание по листу самооценки.

Активным группам выдаются «Веселые заряды»

Студенты, которые подняли зеленую карточку по всем заданиям, приходят на помощь тем, кто поднял карточки желтого и красного цвета.

Диалог, если некоторым студентам потребуется подробная и конкретная помощь в ходе выполнения задания.

Итоги

Конец занятия

Подсчитай свои баллы и оцени свою работу!

5 б– «5»; 4 б.- «4»; 3- б. – «3»; менее 3 баллов – не отчаивайся, надо еще все повторить!

Оценка__________________

Отвечают на вопросы по желанию.

Домашнее задание

Изучить параграф 37-39

Учебник:Р.Башарулы,Г.Байжасарова,У.Токбергенова Физика-10,Алматы «Мектеп»

Ответить на вопросы к параграфу (устно)

Решить задачи №№ 676, 677, Сборник задач: Физика. Задачник. 10-11 кл.

Записывают домашнее задание

Инструкция по выполнению домашнего задания.

Приём «Цветные карточки»

Рефлексия учителя по проведенному уроку

Рефлексия «Всё в твоих руках». На листе бумаги обводят левую руку.

Каждый палец-это какая-то позиция, по которой надо высказать своё мнение:

Большой - для меня было важным и интересным…

Указательный - по этому вопросу я получил конкретную рекомендацию.

Средний - мне было трудно…Безымянный - моя оценка психологической атмосферы. Мизинец - для меня было недостаточно…

В конце урока вопрос обучающимся: За что бы вы себя могли похвалить?