1 Урок №21.
Тема: «Коэффициент полезного действия теплового двигателя».
Цели урока:
Образовательные цели : обобщение знаний о принципе работы тепловых двигателей, формирование понятия КПД тепловых двигателей, установление связи между различными видами энергии, закрепление новых знаний.
Развивающие цели: овладение учащимися методами научного исследования: анализа и синтеза, развитие логического мышления, расширение кругозора учащихся.
Воспитательные цели: формирование добросовестного отношения к труду, положительной мотивации к учению и овладению новыми знаниями, повышение интереса к предмету.
Оборудование: пробирка с пробкой, штативы, ноутбук, мультимедийный проектор, презентация «КПД тепловых двигателей», модели тепловых двигателей (двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина) ; таблица «Реактивный двигатель», справочник по физике.
Методы и приёмы, применяемые на уроке: тестовый опрос, решение проблемы, решение задач, беседа, демонстрации, сообщения.
Тип урока: комбинированный.
Ход урока:
1.Актуализация опорных знаний
Около 76% всей электроэнергии в мире вырабатывается на тепловых электростанциях. Тепловые двигатели устанавливают также на атомных электростанциях. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели.
1.1.Письменный опрос по пройденному материалу
Ответы на вопросы тестов
Тест
1)Внутренняя энергия тела - это:
А энергия хаотического движения молекул внутри тела,
Б потенциальная энергия взаимодействия молекул,
В кинетическая энергия движения молекул внутри тела,
Г сумма потенциальной и кинетической энергии молекул внутри тела.
2) Как протекают тепловые процессы в природе:
А менее нагретое тело передает тепло более нагретому,
Б более нагретое тело передает тепло менее нагретому,
В теплообмен не происходит,
3) Результатом теплообмена может быть:
А повышение или понижение температуры,
Б смена агрегатного состояния,
В Выполнение механической работы,
4) Тепловая машина состоит из:
А нагревателя и холодильника,
Б нагревателя и рабочего тела,
В нагревателя, рабочего тела, холодильника,
Г холодильника и рабочего тела,
5)Полная работа рассчитывается:
А при полном сгорании топлива
Б при нагревании тел,
В при плавлении тел.
6) Полезная работа рассчитывается:
А при полном сгорании топлива
Б при нагревании тел,
В при плавлении тел,
Г при поднятии тела на высоту
7) Энергия измеряется в:
А Дж
Б Вт
В Н /м
Г кг
1.2.Информация учащихся (показ слайдов – изобретатели тепловых машин) об устройстве и принципе работы:
О создании тепловых машин и принципе их работы :
-Паровой турбины
-Двигателя внутреннего сгорания
-Реактивного двигателя
2.Постановка проблемы: Вся ли энергия, выделившаяся при сгорании топлива, перешла в механическую? . Ребята, как вы думаете, вся ли подводимая энергия, энергия выделяющаяся при сгорании топлива, используется тепловым двигателем ? (нет, часть её уходит в окружающее пространство, часть на нагревание установки). Правильно, итак, физическая величина, показывающая какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия, её изучение и есть цель нашего урока.
. Экспериментальная задача.. Давайте проделаем такой эксперимент : доведём до кипения 5 мл (5 г) воды и определим массу сгоревшего при этом топлива. Тогда, зная теплоту сгорания топлива и удельную теплоёмкость воды, мы сможем рассчитать количество теплоты, выделившееся при сгорании топлива, и количество теплоты, которое получила вода при нагревании до кипения. Разность между ними - это потеря энергии.
Кто из вас мне поможет?
(при помощи мензурок определяем объёмы воды и спирта (5 мл. и ? мл.), далее наливаем воду в пробирку, а спирт в спиртовку и подожжём , пробирку поместим над пламенем. Ждём закипания воды. Пока идёт процесс, ассистент записывает данные ).
Дано : Решение
Mв = 0,005 кг 1. Qn = C m (t2 – t1) = 4200 Дж/кг0 С х 0,005 кг
m 1 = х (100 0 С - 20 0 С) = 1680 Дж
m2 = 2. m = m 1 - m2
t1 = 20 0 С 3. Qз = q m
t2 = 100 0 С 4. Q = 2,7 х 10 7 Дж/кг х m
c = 4200 Дж/кг0 С 5. Q потерь = Qз – Qn
q = 2,7 Х 10 7 Дж/кг
Q потерь - ?
Итак, вы видите, что потери энергии велики, т. е. много энергии расходуется впустую. Коэффициент полезного действия - это отношение полезной работы к затраченной энергии, выраженной в процентах :
КПД = Ап/Qз х 100 %
Давайте рассчитаем КПД нашей установки:
КПД = Qn/Qз х 100 %
( расчет КПД у доски )
Как видим КПД очень мал.
Первые паровые двигатели имели КПД всего 0,3 %.
3.Изучение нового материала ( слайды формул для расчета КПД)
1.В тепловых двигателях рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q1. Эта энергия возникает в результате сгорания топлива: Q1=gm
Часть энергии, полученной от нагревателя, расходуется на совершение полезной работы Ап, на движение поршня.
η = Ап/Q1.100%
.КПД теплового двигателя – это физическая величина, показывающая какая часть энергии, полученной от нагревателя, превращается в полезную работу.
Другая часть энергии уходит в виде тепла, количество которого Q2, в холодильник (в окружающую среду).
Полезная работа равна разности количества теплоты, полученного от нагревателя и количества теплоты Q1, отданного холодильнику Q2.
Ап = Q1 – Q2
η = Ап/Q1.100% η =Т1-Т 2/Т1100%
[pic]
4.Осмысление изученного материала:
Устно
1.По справочнику - какое топливо имеет большую удельную теплоту сгорания?
2.Тепловой двигатель получает от сгорания горючего 10 МДж теплоты, а отдает окружающей среде 70 МДЖ. Какую работу он совершает?
3. За один цикл тепловой двигатель совершил работу 50 Дж. При этом потеря тепла в окружающую среду составила 100 Дж. Сколько тепла за цикл получил двигатель?
4. Перевести в шкалу Кельвина 20 С- 20+273 =293К
-37С- -37+273=236К
5. Мощность Р=N = A/t 6. Т1 =350К, Т2= 280К, КПД= 350К-280К/350К= 70/350 =0,2=20%
Реши задачи
В классе №1,5,6.9,14,17,18(дополнительно)
1. [link] (25,5 кВТ)
16.Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдаёт холодильнику энергию 800 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? (20%)
17. Определить массу бензина, расходуемого автомобилем за 10 минут, если мощность его двигателя 55 кВт, а КПД=25%(2,86 кг)
18.Какую полезную работу совершает двигатель экологически чистого автомобиля с КПД 30%, если использует 15л спирта?(97,2 МДж)
Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60—70%
5.Роль тепловых двигателей ( слайды ) На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорании и дизели. На железнодорожном транспорте до середины 20 в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорании, так и мощные турбины для крупных судов. В авиации на легких самолетах устанавливают. Поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.
Для любознательных
№1.
В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. считается, что при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70–80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт.
№2.
КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят впустую? (20% энергии тратится на полезную работу; 80% энергии мышцы тратят впустую.) КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят впустую? (20% энергии тратится на полезную работу; 80% энергии мышцы тратят впустую.)
Живые организмы также способны совершать механическую работу, но за счёт «сгорания» своеобразного топлива - пищи. К ним тоже применимы такие понятия, как полезная работа и КПД. Любое движение тела живого организма связано с расходом энергии. Затраты энергии прямо пропорциональны интенсивности выполняемой работы.
При различных видах деятельности человека значение КПД варьируется от 10 до 30 %
Это интересно
В Арктике температура зимой -35С, а подо льдом-+1С. Каков КПД может быть? КПД=17,36%
Почему КПД теплоцентралей зимой несколько ниже, чем летом? Меньше необходимо отдавать на охлаждение.
Калорийность продуктов: Смалец, подсолнечное масло, сало, орехи, халва, молоко сухое, копченная колбаса, сахар.
6.Итог урока. М. В. Ломоносов Мои юные сограждане! Я вижу ваш интерес к науке и рад этому. Скажу вам как исследователь: один опыт я ставлю выше, чем тысячи мнений, рождённых только воображением. Хочу вам пожелать: везде исследовать «всечасно, что есть велико и прекрасно, чего ещё не видел свет»
7.Домашнее задание: высказать идеи предотвращения вредного воздействия тепловых двигателей на окружающую среду. §20,
Повторить § 16-19, выучить формулы, решить задачи №2,4,8, 10,
№15 (дополнительно)
