Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки»




Скачати 221.2 Kb.
НазваУрок cемінар на тему: «Основи термодинаміки»
Дата конвертації28.02.2013
Розмір221.2 Kb.
ТипУрок
uchni.com.ua > Фізика > Урок
Урок - cемінар на тему:

«Основи термодинаміки»

Мета. Узагальнити і перевірити знання учнів основних понять, процесів, законів, теоретичного матеріалу з теми: «Основи термодинаміки»; формувати науковий світогляд на основі першого закону термоди­наміки; систематизувати знання про закон збереження енергії та його засто­сування до різних процесів; навчити застосовувати перший закон термоди­наміки для пояснення теплових явищ, узагальнити знання про фізичні основи теплових двигунів; розвивати логічне мислення, пам’ять, увагу, вміння висловлювати свою думку; виховувати інтерес до предмета, почуття відповідальності.

^ Тип уроку. Урок-семінар. (Гра «Що? Де? Коли?»).

Обладнання: чарівна скринька, конверти із завданнями, номерки завдань, портрети вчених, матеріал для проведення гумористичної, історичної та технічної пауз.

^ Хід уроку

Правила проведення гри :

  1. Дві команди формуються виключно за бажаннями учнів. Кожна з команд, що бере участь у змаганнях, вибирає свого капітана та назву команди (зарані).

  2. За стіл сідають по 6 учасників, які дають відповіді на запитання у конвертах. Інші члени команд готують гумористичні та історичні повідомлення про фізиків, повідомлення про теплові двигуни та охорону навколишнього середовища.

  3. За правильну відповідь представника команді присуджується певна кількість очок, якщо відповідь правильна, але неповна, то зараховується поло­вина очок..

  4. Оцінювання відповідей команд проводить журі.

  5. Команди по черзі витягують номери конвертів із чарівної скриньки і відповідають на поставлені у конвертах запитання.

  6. Після чотирьох відповідей команд проводиться історична, гумористична паузи.

  7. Після всіх відповідей запасні учні-вболівальники роблять повідомлення про теплові машини та охорону навколишнього середовища.

Хід гри

Ведуча. Шановні учні, ми закінчили вивчення теми «Основи термодинаміки». Сьогодні пригадаємо основні поняття, процеси, закони, розглянуті нами при вивченні теми: «Основи термодинаміки». А проведемо семінар у вигляді гри «Що? Де? Коли?

«Що?» —вивчає цей розділ фізики «Основи термодинаміки»

«Де?» — застосувати отримані знання.

«Коли?» — коли та ким були відкриті закони, що пояснюють теплові процеси. А також, трішки пожартуємо.

Розпочинаємо!!!

Раунд 1

Конверт 1.

  1. Внутрішня енергія одноатомного газу, способи її зміни.

  2. Молоток нагріватиметься, коли ним забиватимуть цвях і коли він лежатиме на сонці. Назвіть способи зміни внутрішньої енергії молотка в обох випадках.

(Відповідь. Коли молоток лежатиме на сонці, його внутрішня енергія змінюватися за рахунок нагрівання сонячними променями, тобто завдяки теплообміну, а коли забиватимуть ним цвях, його внутрішня енергія змінюватиметься завдяки виконанню роботи)

Конверт 2.

  1. Зміна внутрішньої енергії в процесі нагрівання та охолодження.

  2. Питома теплоємність свинцю становить 130 , а сталі 460 . Яке тіло – стальне чи свинцеве – швидше нагрівається за інших однакових умов?

(Відповідь. Швидше нагріється свинцеве тіло тому, що його теплоємність менша і на його нагрівання необхідно затратити менше енергії, ніж свинцеве тіло)

Конверт 3.

  1. Зміна внутрішньої енергії в процесі плавлення та тверднення.

  2. Вона жила і стеклі текла,

Та, раптом, морозцем її скувало.

І нерухомою льодинкою крапля стала,

А в світі зменшилось тепла.

Питання: Знайдіть помилку у розповіді.

(Відповідь. При замерзанні водяної краплі енергія виділяється, а не поглинається, тому тепла повинно не зменшитися, а збільшитися).

Конверт 4.

  1. Зміна внутрішньої енергії тіла в процесі пароутворення та конденсації.

  2. Чому на приготування їжі у гірській місцевості треба витрачати більше часу, ніж на рівнинній?

(Відповідь. Процес горіння без повітря неможливий. Якщо піднімаємося вгору, то повітря стає розрідженим і процес горіння проходить довше, а значить довше нагрівається посудина, в якій варимо їжу та й сама рідина у посудині.)

Історична пауза

Раунд 2

Конверт 5.

  1. Зміна внутрішньої енергії в процесі згорання палива.

  2. А.А.Фет. «Метелиця»

Все мовчить – жаринка з тріском

Лиш горить багряним блиском.

Та по даху вітер шумить.

Питання: Чому жаринка горить з тріском?

(Відповідь. При згоранні жаринки з деревени інтенсивно випаровується волога;  пара, збільшуючись в об’ємі, з тріском разриває волокна деревини)

Конверт 6.

  1. Зміна внутрішньої енергії під час виконання роботи.

  2. Провели експеримент: налили в колбу міксера воду і виміряли її температуру. Увімкнули міксер на кілька хвилин у електромережу і після цього знову виміряли температуру води. За рахунок чого температура зросла?

(Відповідь. Температура води підвищиться тому, що збільшилася її внутрішня енергія за рахунок виконання роботи)

Конверт 7.

  1. Робота під час розширення газу.

  2. Чим відрізняються роботи під час розширення і стискання газу?

(Відповідь. Під час розширення газ виконує додатну роботу, передаючи енергію навколишнім тілам і . Якщо газ стискується, то V21, і А<0, а формула для розрахунку роботи та ж сама. )

Конверт 8.

  1. Перший закон термодинаміки.

  2. Яку машину називають вічним двигуном? Чому неможливий такий двигун?

(Відповідь. В термодинаміці «вічним » двигуном першого роду називають таку машину, яка б нескінченно довго виконувала роботу без надходження теплоти ззовні. Проте, якщо до системи не надходить теплота, то робота може виконуватися за рахунок внутрішньої енергії. Після того, як запас внутрішньої енергії буде вичерпано, двигун припинить свою роботу. Отже, неможливо побудувати «вічний» двигун першого роду, оскільки неможливо нескінченно довго виконувати роботу за рахунок скінченого значення внутрішньої енергії машини.)

Гумористична пауза

Раунд 3

Конверт 9.

  1. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів.

  2. Чи можна передати тілу якусь кількість теплоти, не спричиняючи при цьому підвищення його температури?

(Відповідь. Можна, при сталій температурі. Так як внутрішня енергія ідеального газу не залежить від об’єму, то внутрішня енергія залишається незмінною. У процесі ізотермічного розширення ідеальний газ виконує роботу проти зовнішніх сил за рахунок набутої кількості теплоти; під час ізотермічного стискання зовнішні сили виконують роботу, а газ віддає навколишньому середовищу еквівалентну кількість теплоти.)

Конверт 10.

  1. Адіабатний процес.

  2. За рахунок якої енергії виконується робота під час адіабатного розширення газу?

(Відповідь. Адіабатний процес відбувається без тепло­обміну з навколишнім середовищем, і газ може виконувати роботу над зовнішніми тілами тільки за рахунок своєї вну­трішньої енергії).

Конверт 11.

  1. Необоротність теплових процесів.

  2. В одній половині посудини, розділеній перегородкою, міститься ідеальний газ, а в другій створено вакуум. Що станеться з газом, якщо перегородку забрати? Чи повернеться газ самовільно через певний час в одну половину посудини?

(Відповідь. Якщо перегородку забрати, газ займе повністю всю посудину. Самовільно повернутися через деякий час в одну половину посудини він не зможе. Для цього необхідно виконати роботу над газом.)

Конверт 12.

  1. Принцип дії теплової машини. Цикл Карно. ККД механізмів.

  2. Як зміниться температура в кімнаті, якщо відкрити дверці холодильника, що працює?

(Відповідь. Теплота, яка забирається у речовини всередині холодильника, передається повітрю у тій же кімнаті. Енергія, яку холодильник забирає з джерела живлення, також перетворюється у внутрішню. Якщо, дверці відкрити, холодильник буде працювати, не виключаючись, тому і кількість електроенергії, яка використовується, збільшується. В результаті середня температура у кімнаті підвищиться. Проте, температура в різних місцях кімнати буде різною: біля розкритий дверцят холодильника буде прохолодніше, ніж біля задньої його стінки, де розміщений теплообмінник і відбувається виділення тепла.)

Технічна пауза

Підсумок уроку.

  • Внутрішня енергія тіла може змінюватися внаслідок теплообміну з навколишніми тілами або під час виконання над ними механічної роботи.

  • Зміна внутрішньої енергії внаслідок теплообміну без виконання роботи може бути обчислена за такими формулами:

— під час нагрівання або охолодження;

— у процесі плавлення чи тверднення;

— у ході пароутворення або конденсації;

— під час згоряння палива.

  • Зміна внутрішньої енергії дорівнює сумі наданої тілу кількості теплоти і роботи, виконаної над ним (перший закон термодинаміки).

  • У випадку ізобарної зміни стану ідеального газу підведена кількість теплоти частково витрачається на збільшення його внутрішньої енергії, а частково на виконання газом роботи () . У разі ізохорного процесу вся підведена кількість теплоти витрачається на зміну внутрішньої енергії газу(),а під час ізотермічного — тільки на виконання газом роботи (). Адіабатний процес відбувається без тепло­обміну з навколишнім середовищем, і газ може виконувати роботу над зовнішніми тілами тільки за рахунок своєї вну­трішньої енергії.

  • Процеси, що відбуваються в природі з макроскопічними тілами, необоротні. Типові необоротні процеси такі: теплота самовільно переходить від гарячого тіла до холодного, але не навпаки; механічна енергія самовільно переходить у вну­трішню.

  • У результаті узагальнення дослідних даних, що стосуються необоротних процесів, сформульовано другий принцип термо­динаміки: в тепловій машині, яка діє циклічно, неможливий процес, єдиним результатом якого було б перетворення в ме­ханічну роботу всієї кількості теплоти, одержаної від джерела енергії — нагрівника.

  • Із законів термодинаміки випливає, що теплові двигуни можуть виконувати роботу тільки в процесі передавання теп­лоти від нагрівника до холодильника. Максимально можливе значення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна:

де Т1 — температура нагрівника, Т2 — температура холодиль­ника.
Домашнє завдання. Повторити §§31-41 ст. 99-138.
Матеріал для гумористичної паузи

  • Автор третього закону термодинаміки Вальтер Нернст в години дозвілля розводив коропів. Одного разу хтось глибокодумно зауважив: - Дивний вибір. Курей розводити і то цікавіше. Нернст спокійно відповів:
    - Я розводжу таких тварин, які перебувають у термодинамічній рівновазі з оточуючим середовищем. Розводити теплокровних - це значить зігрівати на свої гроші світовий простір.

  • Одна знайома просила Альберта Ейнштейна подзвонити їй по телефону, але попередила, що номер дуже важко запам'ятати: 24361.
    - І що ж тут важкого? - здивувався Ейнштейн. - Дві дюжини і 19 у квадраті.

  • Ейнштейн був у гостях у своїх знайомих. Почався дощ, коли Ейнштейн зібрався йти, йому запропонували взяти капелюх.
    - Для чого? - сказав Ейнштейн. - Я знав, що буде дощ, і саме тому не надів капелюха. Адже він сохне довше, ніж моє волосся. Це ж очевидно.

^ Ж. Гей Люссак (1778 — 1850) — найвеличніший французський хімік та фізик — під час одного із своїх хімічниих дослідів залишився без ока. Якось одного разу його зустрів єпископ Сиєзський — зарозумілий богослов, що попав у число "безсмертних" Французькой академії по протекції.

— Не розумію, як можна бути вченим, маючи всього одне око! Що можна побачити одним оком? — Та побільше вашого, — не розгубився Гей-Люссак. — Ось, наприклад, я бачу у вас два ока, а ви у мене тільки один!

Матеріали для історичної паузи:

Томсон (Кельвін) Уїльям - англійський фізик, член Лондонського товариства. Народився у Бел­фасті. У 1845 р. закінчив Кембріджський університет і майже рік займався екс­периментальною фізикою в лабораторії А. Реньо в Па­рижі. У 1846—1899 рр. ке­рував кафедрою теоретич­ної фізики Глазгівського уні­верситету. З 1904 р. був
президентом цього універ­ситету, В 1890—1895рр. очо­лював Лондонське королів­ське товариство. За видатні наукові заслуги в 1892 р. здобув титул лорда Кель­віна. Найвидатніші праці здійснив у галузі термодинаміки, У 1851 р. у праці «Про ди­намічну теорію тепла», не­залежно від Р. Клаузіуса, сформулював Другий закон термодинаміки і довів не­можливість здійснення в природі perpetuum mobile 2-го роду. У 1848 р. У. Томсон уста­новив поняття абсолютної температури та поняття аб­солютної шкали темпера­тур— шкали Кельвіна. Разом з Дж. Джоулем він відкрив у 1853—1854 рр., що при адіабатичному розширенні газ охолоджується. Цей ефект Джоуля — Томсона згодом почали широко ви­користовувати для добуван­ня низьких температур. У 1856 р. відкрив так зва­ний третій термодинамічний ефект – явище перенесення теплоти електричним струмом. Був обраний членом багатьох зарубіжних академій і наукових товариств, зокрема почесним членом Перебурзької Академії наук.

Роберт Боль – англійський фізик і хімік. Народився в Лісморі (Ірландія). З 1654 р., після переїзду в Окс­форд, виконав серію екс­периментальних і теоретич­них досліджень у галузі хімії та фізики. у 1662 р. опуб­лікував твір «Захист док­трини, що стосується пруж­ності й ваги повітря», в яко­му виклав експериментальне доведення відкритого ним закону про обернено про­порційну залежність зміни об'єму повітря від тиску. Цей закон пізніше було названо законом Бойля — Маріотта: рV = соnst. У 1660 р. Бойль винайшов повітряний насос і за його допомогою виявив зниження ртутного стовпчика при від­качуванні повітря, швидше закипання води при зниже­ному тисну, припинення дії сифону у вакуумі. Важливі думки були ви­словлені Бойлем про при­роду теплоти. Проте абстрактні уявлення Бойля про теплоту, а також і його атомістичні погляди з хімії внаслідок неузгодженості з конкретними експеримен­тальними дослідженнями, не змогли розв'язати задач, що стали тоді перед фізи­кою і хімією. Бойль напо­легливо намагався звісти всі явища природи до механіки, зокрема теплоту він зводив до простого механічного переміщення корпускул. Похований Бойль у Вестмінстерському абатстві.

Гей-Люссак Жозеф Луї — французький фізик і хімік, член Паризької Академії наук. Народився в Сен-Леонарі. У 1800 р. закінчив По­літехнічну школу в Парижі, з 1809 р. працював у цій школі професором хімії і професором фізики Паризь­кого університету. З 1832 р, працював професором хімії в Паризькому ботаніч­ному саду. Виконав основоположні до­слідження в галузі вивчен­ня властивостей газів ( па­ри, теплового розширення. У результаті виконаних у 1807 р. дослідів Гей-Люссак уперше прийшов до виснов­ку про зниження температури повітря внаслідок йо­го розширення при відсут­ності теплообміну та підви­щення температури повітря при стисканні. У 1824—1832 рр. Гей-Люс­сак виконав важливі роботи, що поклали початок об'єм­ному аналізу. Сконструював кілька приладів, зокрема барометр, спиртометр, тер­мометр та ін., які дістали широке практичне застосу­вання. Був обраний членом багатьох зарубіжних академій і наукових товариств, зокрема почесним членом Перебурзької Академії наук.

Джоуль Джеймс Прескотт — англійський фізик, член Лон­донського королівського то­вариства. Народився у Солфорді, здобув домашню ос­віту. Уроки з фізики давав йому Дж. Дальтон, під впли­вом якого він почав експе­риментальні дослідження в галузі електромагнетизму, теплоти тощо. Одночасно займався конструюванням електричних приладів. Джоуль виконав осно­воположні роботи в галузі електромагнетизму і теплоти, у ствердженні закону збереження енергії. Протягом 1843—1850 рр. учений провів класичні екс­перименти на встановлення взаємозв’язку між переда­ною теплотою і виконаною механічною роботою. У 60—70-х ро­ках, будучи прихильником кінетичної теорії теплоти і кінетичної теорії газів, по­яснив тиск газу на стінки посудини, обчислив швид­кість руху газових молекул і встановив її залежність від температури та експе­риментально дослідив ряд інших важливих проблем. Зокрема, встановив явище магнітного насичення, обчи­слив термодинамічну тем­пературну шкалу тощо.

Клаузіус Рудольф — німець­кий фізик, один з творців термодинаміки й кінетичної теорії газів. Народився у Кесліні. Закінчив у 1348 р, Берлінський університет. З 1855 р. був професором Цюріхського університету, з 1867 р.— Вюрцбурзького, а з 1869 р.— Боннського університету. Р. Клаузіус виконав важ­ливі дослідження в галузі термодинаміки. У праці «Про рушійну силу тепла» (1850), користуючись уяв­ленням про необоротність реальних процесів і запро­вадивши поняття зведених теплот, обгрунтував специ­фічні особливості теплового руху і так сформулював другий закон термодинамі­ки: теплота не може сама собою перейти від більш холодного тіла до більш гарячого. Разом з тим під­креслив, що другий закон, хоч с і самостійним зако­ном, але водночас — і необхідне доповнення до першого закону. Значний вклад зробив Клау­зіус у кінетичну теорію га­зів. Запровадивши тут ста­тистичні уявлення, ввів по­няття ідеального газу, дов­жину вільного пробігу мо­лекул та обчислив її, пер­ший теоретично обчислив величину тиску газу на стінки посудини. Р. Клаузіус — автор числен­них наукових праць. Його твір «Механічна теорія теп­лоти» вміщений у збірнику «Другий закон термодина­міки» (М.—Л., 1934), а «Кі­нетична теорія газів» і «Про розміри і взаємні відстані молекул»—у збірнику «За­сновники кінетичної теоріі матерії» (М.—Л., 1937). Був обраний членом ряду акаде­мій і наукових това­риств.

Карно Нікола Леонар Садіфранцузький фізик та ін­женер, один з основополож­ників термодинаміки. Наро­дився в Парижі. Закінчивши в 1814 р. Політехнічну Па­ризьку школу, дістав призна­чення в інженерні війська, де прослужив до 1828 р. У 1824 р. опублікував пра­цю «Міркування про рушій­ну силу вогню та про ма­шини, здатні розвивати цю силу», в якій уперше про­аналізував роботу ідеальної теплової машини (пізніше її цикл назвали циклом Карно) і визначив її ККД на основі сформульованої ним теореми, що дістала назву теореми Карно. Згідно з цією теоремою, ККД цик­лу Карно не залежить від природи робочого тіла й повністю визначається гра­ничними температурами, між якими машина працює. Праця Карно відіграла важ­ливу роль у розвитку на­укових основ теплотехніки. Вона допомогла зрозуміти, що для підвищення ККД теплових машин треба роз­ширювати температурні ме­жі, між якими проходить цикл робочого тіла, а замі­на одного робочого тіла іншим не може дати ні­якої користі. Працю С. Карно гідно оці­нив і продовжив у 1834 р. французький учений П, Кла-пейрон, який уперше в на­уці застосував графічний метод — метод індикаторних діаграм для графічного зоб­раження робочих циклів. Праця С. Карно «Міркуван­ня про рушійну силу вогню та про машини, здатні роз­вивати цю силу» була ви­дана російською мовою вперше в 1923 р., а потім у збірнику «Другий закон термодинаміки» (1934).

Рудольф Дизель. Нечасто зустрінеш дорослу людину, яка б не чула слово «дизель», але рідко хто пов'язує з цим терміном конкрет­ну людину, А така людина була, до того ж це був геніальний інженер-винахідник. Німець за походженням, він народився в Парижі, любив і добре знав це місто. Батько, палітурник, відсилав хлопчика Рудольфа, щоб той розносив книжки і журнали за різними, навіть досить віддаленими адресами. Вони жили, як і тисячі парижан, згідно з «формулою»: сьогодні праця — завтра хліб. Коли розпочалась франко-пруська війна, хлопчику було 12 років, і він дуже гостро відчув, що таке національна ворожнеча.

Батько умовляє сина Рудольфа їхати до Германії, де жив його дядько. Життя вимагало від Рудольфа Дизеля самостійності, наполегливості, дисциплінованості і сумлінності. Таким він і був, що дало йому змогу стати першим учнем реального училища, а потім і учнем технічної школи.

Випадок звів його з професором Лінде, який і запросив Рудольфа до Вищої технічної ніколи Мюнхена.

Навесні 1878 року (Дизелю 20 років) сорок п'ять лекційних хвилин визначили зміст всього життя студента. Професор Лінде читав лекцію про термодинамічний цикл Карно. Рудольф написав на полях студентського зошита: «Вивчити можливості застосування ізотерми на практиці!». Цьому і присвятив він все своє життя.

Рудольф Дизель переконався, як важко одержати високий тиск у двигуні, як важко здійснити згоряння палива у бажаному режимі, але він ще не знав, що значно важче одержати гроші від капіталіс­та Крупна, який з недовірою поставився до запропонованої ідеї. І все ж таки наполегливість Дизеля і бажання Крупна отримати прибут­ки перемогли.

Рудольф Дизель працював завзято і продуктивно. За добу у нього було два робочі дні: перший робочий день розпочинався дуже рано, а другий — після обіду і короткого сну.

Перше випробування двигуна закінчилося досить швидкою ава­рією, і Дизель випадково залишився живим. Він ще наполегливіше продовжує працювати, і через сім місяців розпочинається випробування нового, удосконаленого двигуна.

Пішли чутки, що генеральний англійський штаб збирається викупити за велиеі гроші у Р Дизеля креслення для виготовлення двигуна. Потужний двигун потрібний був для військових кораблів, а потім і для танків.

Пароплав «Дрезден» тримав орієнтир на Лондон. У ресторані пароплава бесіду вели троє – Рудольф Дизель і бельгійські інженери, які також їхали на промислову виставку.

Опівночі розійшлися, домовившись вранці знову зустрітися тут же за сніданком і продовжити розмову.

Здивовані бельгійці не дочекалися цього талановитого і завжди підкреслено пунктуального інженера-винахідника.

Попросили офіціанта розбудити Дизеля. Офіціант швидко повер­нувся і повідомив, що в каюті пана Дизеля немає, і все свідчить про те, що він там і не ночував. Через час рибалки виловили тіло мертвого вель­можі. Чорний фрак міцно обтягував мертве тіло, а на загнутих пальцях відсвічували каблучки з діамантами. Це був Рудольф Дизель.

Таємниця загибелі залишилась офіційно не розкритою, але всім було зрозуміло, що німецька військова розвідка відпрацювала бездо­ганно, якщо можна так сказати стосовно цієї трагедії.

Не треба забувати, що за дизелем (з маленької букви) завжди буде стояти Дизель!

Матеріали для технічної паузи

Деякі види теплових машин

Двигун внутрішнього згорання (ДВЗ).

Чотиритактний ДВЗ складається з одного чи кількох ци­ліндрів. Розглянемо дію найпростішого одноциліндрового чо­тиритактного двигуна внутрішнього згоряння. Всередині кожного циліндра переміщається поршень (мал.), з'єдна­ний з кривошипно-шатунним механізмом, на колінчастий вал якого насаджено маховик. Розподільний пристрій у відповід­ні моменти відкриває і закриває клапани — впускний 1, через який в циліндр засмоктується пальна суміш, і випускний 2, з'єднаний з атмосферою. Для запалювання пальної суміші на електроди свічки С, вставленої в циліндр, подається висока напруга, і між ними проскакує іскра.

Розглянемо принцип роботи чотиритактного двигуна. В першому такті в результаті руху поршня вниз відбувається всмоктування через відкритий впускний клапан пальної су­міші, випускний клапан закритий. Здійснюючи зворотний рух, поршень у другому такті стискає (обидва клапани закри­ті) пальну суміш, яка при цьому нагрівається. Коли поршень піднімається майже до крайнього верхнього положення, стиснута пальна суміш загоряється від електричної іскри. Розжарені гази — продукти згоряння пальної суміші — тис­нуть на поршень і штовхають його вниз. Рух поршня переда­сться шатуну, а через нього колінчастому валу з маховиком, і поршень виконує корисну роботу. Діставши сильний поштовх, маховик продовжує обертання за інерцією і переміщає з'єд­наний з ним поршень під час наступних тактів. Таким чином, цей (третій) такт є єдиним робочим тактом із чотирьох. До моменту, коли поршень досягає крайнього нижнього положен­ня, гази сильно охолоджуються під час розширення і тиск в циліндрі падає до (2—3) • 105 Па. Обидва клапани протягом тре­тього такту залишаються закритими. Нарешті, в четвертому такті поршень повертається в крайнє верхнє положення, виштовхуючи відпрацьовані гази через випускний клапан, який в цей час відкривається (впускний клапан закритий).

Широке розповсюдження таких двигунів зумовили мала маса, компактність, порівняно високий ККД (температура в циліндрі під час згоряння палива досягає 1500 0С; отже, теоретичний ККД дорівнює 80%, практично ККД цього двигуна близько 30%). ДВЗ цього типу будують потужністю від 0,37 до 440 кВт. Але вони не позбавлені й істотних недоліків: працюють на дорогому високоякісному паливі, складні за конструкцією, мають дуже велику швидкість обертання вала двигуна, їх вихлопні гази забруднюють атмосферу тощо.

Дизельний двигун внутрішнього згорання.

Економічнішим є чотиритактний дизельний двигун внутрішнього згоряння. Він працює на дешевих сортах рідкого палива і позбавлений більшості вказаних вище недоліків. Особливості його роботи такі. Під час ходу поршня вниз через впускний клапан в робочий циліндр засмок­тується не пальна суміш, а атмосферне повітря. При дальшому обертанні маховика поршень під час зворотного руху вгору адіабатно стискає повітря в циліндрі (впускний кла­пан закритий) до тиску приблизно 1,2∙106 Па, що веде до підвищення його температури в кінці цього такту до 500—700 0С. У стиснуте й розжарене повітря впорскується за допомогою паливного насоса і форсунки дизельне паливо; воно загоряється і горить значно довше за бензин. Гази, які утворюються при цьому, тиснуть на поршень і виконують корисну роботу протягом всього руху поршня вниз. Тиск газу під час роз­ширення підтримується приблизно сталим. Після закінчення горіння впорснутої порції палива відбувається роз­ширення газу і, нарешті, відкривається ви­пускний клапан. Тиск падає. За час зворотного руху поршень виштовхує продукти зго­ряння в атмосферу, і на цьому цикл завершується. ККД цього двигуна становить близько 40 %.

Дизельні двигуни встановлюють на тракторах і автомобілях, тепловозах, електростанціях невеликої потужності.

Парові турбіни.

Головною робочою частиною турбіни є ротор — закріпле­ний на валу диск з лопатками по його ободу. Пара від парового котла спрямовується через спе­ціальні канали (сопла) на лопатки ротора. В соплах пара розширюєть­ся, тиск її падає, але зростає швид­кість витікання, тобто відбувається перетворення внутрішньої енергії пари в кінетичну енергію стру­мини.

Парові турбіни бувають двох ти­пів: турбіни активної дії, обертання роторів яких відбувається в результаті удару струмини пари об лопатки, і турбіни реак­тивної дії, в яких лопатки розміщені так, що пара, вирива­ючись зі щілин між ними, створює реактивну тягу.

Найпростіша турбіна активної дії скла­дається з насадженого на вал одного ротора і тому називається одноступеневою. Проти зігнутих стальних лопаток розміщене одне (або кілька) сопло . Корпус турбіни забезпе­чений випускним патрубком . У такій турбіні пара розширюється тільки в каналі сопла. Міжлопаточні канали сопла мають сталий переріз, і пара, яка проходить ними, не розширюється, а тільки змінює напрям руху, діючи на лопатку з деякою силою. Ця сила змушує ротор і вал обертатися, виконуючи роботу за рахунок кінетичної енергії пари.

Одноступеневі турбіни мають низький ККД, їх будують лише малої потужності для приведення в рух невеликих машин. Сучасні потужні турбіни роблять багатоступеневими, тобто ротори таких турбін мають кілька рядів робочих лопаток, розділених нерухомими перегородками.

До позитивних якостей парової турбіни слід віднести швид­кохідність, компактність, значну потужність і велику питому потужність (потужність, яка припадає на одиницю маси дви­гуна). ККД парових турбін досягає 25 %. Недоліками їх є інерційність (значний час для пуску й зупинки), неможли­вість регулювання швидкості обертання в широких межах, відсутність зворотного ходу.

Газові турбіни.

Перспективний двигун — газо­ва турбіна. Працює вона анало­гічно паровій, але робочим тілом в ній служить розжарений газ. Оскільки його температура значно вища за температуру пари, ККД газової турбіни набагато перевищує ККД парової, досягаючи 60—65 %. Великою перевагою газових тур­бін перед паровими є відсутність громіздкої котельної установки, що дає змогу застосовувати їх не тільки для вироблення електроенергії на теплових і атомних електростан­ціях, а й на транспорті. Як двигуни газові турбіни встановлюються на автобусах і в потягах (газо­турбовоз), на кораблях. Особливо широко застосовуються га­зотурбінні двигуни в авіації.

Реактивні двигуни.

Теплові двигуни, які використовують реактивну тягу витікаючих газів. Паливо в них згоряє в спеціальних камерах, і тому їх підносять до ДВЗ.

Один з найпростіших за конструкцією - прямоточ­ний повітряно-реактивний двигун. Він є трубою, в яку зустрічний потік нагнітає повітря, а рідке паливо впорскується в неї і підпалюється. Розжарені гази вилітають із труби з великою швидкістю, надаючи їй (за законом збереження імпульсу) реактивної тяги. Не­доліком цього двигуна є те, що для створення тяги він має рухатися відносно повітря, тобто самостійно злетіти він не може, його треба спочатку розігнати за допомогою двигуна іншого типу. Прямоточний повітряно-реактивний двигун ефективно працює на швидкостях порядку 2000— 3000 км/год, а найбільшу силу тяги розвиває за швидкості 6000— 7000 км/год.

Якщо в реактивному двигуні є турбіна, яка працює за рахунок енергії витікаючої струмини газів, і компресор, який всмоктує повітря і нагнітає його в камеру згоряння, то такий двигун називають турбокомпресорним Під час запуску двигуна стартер починає обертати вал, на якому розміщені турбокомпресор і газова турбіна. Через забірник стискуване турбокомпресором повітря потрапляє в камеру згоряння , куди вбризкується паливо. Тут воно підпалюється, продукти згоряння, пройшовши через газову турбіну, яка обертає компресор, витікають через сопло, створюючи реактивну тягу.

Залежно від розподілу потужності ці двигуни поділяють на турбореактивні і турбогвинтові. В турбореак­тивних менша частина енергії пального йде на обертання газо­вої турбіни (яка приводить у дію тільки компресор), а більша частина створює реактивну тягу. У турбогвинтових, навпаки, більша частина енергії палива витрачається на обертання газової турбіни, яка, крім компресора, обертає і повітряний гвинт (пропелер), а менша частина енергії йде на створення реактивної тяги.

^ Застосування теплових машин і проблеми охорони навколишнього середовища

Теплові машини широко використовуються в народному господарстві. Залізничними магістралями водять состави по­тужні тепловози, водними шляхами — теплоходи. Мільйони автомобілів із двигунами внутрішнього згоряння перевозять вантажі й пасажирів. Поршневі, турбогвинтові та турбореак­тивні двигуни встановлені на літаках і вертольотах. За допо­могою ракетних двигунів здійснюються запуски штучних су­путників, космічних кораблів і станцій. Двигуни внутріш­нього згоряння є основою механізації виробничих процесів у сільському господарстві, їх використовують на тракторах, комбайнах, самохідних шасі, насосних станціях.

Найбільше значення має використання теплових двигунів ( в основному потужних парових турбін) на теплових електростанціях, де вони приводять в рух ротори генераторів електричного струму. Понад 80 % усієї електроенергії в нашій країні виробляється на теплових електростанціях. Теплові двигуни — парові турбіни— встановлюють також на атомних електростанціях. На цих станціях для одержання пари високої температури використовується енергія атомних ядер.

Для спалювання палива в теплових машинах витрачається велика кількість кисню. На згоряння різноманітного палива витрачається від 10 до 25 % кисню, який виробляють зелені рослини.

Теплові машини не тільки спалюють кисень, а й викидають в атмосферу еквівалентні кількості оксиду карбону (вугле­кислого газу). Згоряння палива в топках промислових підприємств і теплових електростанцій майже ніколи не буває ніжним, тому відбувається забруднення повітря золою, пластівцями сажі. Нині в усьому світі енергетичні установки ви­кидають в атмосферу щороку 200—250 млн тонн золи і близько 600 млн тонн оксиду сульфуру (SО2). Повітря забруд­нюють і різні види транспорту, насамперед автомобільний. Жителі великих міст задихаються від вихлопних газів авто­мобільних двигунів.

У всіх країнах світу з розвинутою промисловістю ведуться роботи щодо зниження і повної ліквідації забруднення повітря. На теплоцентралях і теплових електростанціях встановлюють газоочисне і пилоуловлююче обладнання, а самі станції розміщують за межами міст, між станціями і селищами ство­рюють зелені зони.

Інтенсивні роботи ведуться зі зниження забруднення повітря вихлопними газами автомобільних двигунів: на них встановлюють фільтри; опрацьовують зразки газотурбінних, роторних і навіть парових двигунів. Тепер уже не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним вмістом угарного газу (СО) у відпрацьованих газах. Найперспективнішими вважаються електромобілі й автомобілі з двигунами на водні, продуктом згоряння яких є звичайна вода. В багатьох країнах створені і випробовуються автомобілі з електричними і водне­вими двигунами.

Схожі:

Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки» iconПитання для підготовки до лабораторних занять з "хімії" для студентів...
Основні поняття термодинаміки: система, фаза, внутрішня енергія, ентальпія. Перший закон термодинаміки
Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки» iconПитання для підготовки до лабораторних занять з ‘‘ хімії з основами...
Основні поняття термодинаміки: система, фаза, внутрішня енергія, ентальпія. Перший закон термодинаміки
Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки» iconПитання для підготовки до лабораторних занять з "хімії" для студентів...
Основні поняття термодинаміки: система, фаза, внутрішня енергія, ентальпія. Перший закон термодинаміки
Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки» iconПравила техніки безпеки. Класи неорганічних сполук (2год.) Правила...
Основні поняття термодинаміки: система, фаза, внутрішня енергія, ентальпія. Перший закон термодинаміки
Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки» iconПравила техніки безпеки. Класи неорганічних сполук (3 год.) Правила...
Основні поняття термодинаміки: система, фаза, внутрішня енергія, ентальпія. Перший закон термодинаміки
Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки» iconУрок на тему : «Доріг багато-твоя єдина!»
Учитель: Шановні батьки,учні! Сьогодні в усіх школах нашої країни проводиться перший урок на тему: «Доріг багато-твоя єдина!»,присвячений...
Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки» iconУрок по темі "Розмноження та розвиток рослин"
Уч и т е л ь. Упродовж кількох уроків ми з вами вивчали тему Розмноження та розвиток рослин, тобто знайомилися з різноманітністю...
Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки» iconУрок математики у 3 класі на тему : «Ділення з остачею»
Урок математики у 3 класі на тему : «Ділення з остачею», вчителя початкових класів Новожиттівського навчально – виховного комплексу...
Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки» iconОсновні поняття термодинаміки
Вступ
Урок cемінар на тему: «Основи термодинаміки» iconУроку вчитель : Наш урок моральності на тему «Важка доля хто винен?»
Вчитель: Наш урок моральності на тему «Важка доля – хто винен?» мені хотілося б почати з епіграфа
Додайте кнопку на своєму сайті:
Школьные материалы


База даних захищена авторським правом © 2014
звернутися до адміністрації
uchni.com.ua
Головна сторінка