ГБПОУ РК «Техникум дорожного строительства»
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.
(Методическая разработка занятия по физике)
Преподаватель
Тришкин А.В.
Петрозаводск
2016
Тема: «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды».
Цели:
Обучающие:
1.Ознакомить с историей создания ТД и их создателями;
2. Раскрыть типы и физические принципы действия тепловых двигателей;
3.Установить отрицательные влияния применения ТД на окружающую среду и пути их устранения.
Развивающие:
1. Проводить сравнения, делать вводы;
2. Расширить кругозор учащихся;
Воспитательные:
1. Прививать интерес к предмету;
2. Научить самостоятельности, ответственности, уверенности.
Задачи:
1. Знать определения:
- теплового двигателя;
- КПД теплового двигателя.
2. Знать:
- устройство теплового двигателя;
- отрицательные факторы применения тепловых двигателей.
Знать формулы:
- КПД реального теплового двигателя;
Наглядные средства: презентация
Оборудование: ПК, мультимедийный проектор, презентация, модель ДВС, чайник, плитка, фен, штатив, вертушка, воздушный шарик, физические понятия, портреты учёных, опорные конспекты, спички, свечка.
Группа делится на 4 подгруппы
(поджечь свечу)
Музыка «Автомобили»
Преподаватель: понятия, которые находятся на доске, Вы изучали в курсе физики, и я надеюсь что они помогут Вам в процессе работы на уроке.
Энергия
Кинетическая энергия
Потенциальная энергия
Внутренняя энергия
Теплопередача
Работа
Эпиграф к уроку: Жак Ив Кусто: «Раньше природа устрашала человека, а теперь человек устрашает природу»
Опыт со спичками (поджечь с помощью коробка, поджечь от свечи)
Объясните этот опыт
На повторение давайте разгадаем кроссворд .
(На экране перед студентами представлен кроссворд).
Вопросы кроссворда:
1. Процесс, с помощью которого можно совершить работу. ( Теплопередача.)
2.Продолжите фразу: Дизельное (Топливо.)
3.Может быть кинетической или потенциальной. (Энергия.)
4.Возникает при трении. (Огонь.)
5. Физическая величина, которая характеризует степень нагретости тела. (Температура.)
6. Еденица измерения мощности(Ватт.)
7.Процесс, сопровождающийся интенсивным выделением тепла. . (Горение.)
8.Еденица измерения работы. (Джоуль.)
9. процесс испускания и распространения [link] (Излучение)
Преподаватель: «Разгадав кроссворд, мы читаем выделенное слово «двигатели». Именно двигателям будет посвящено наше занятие.
Большая часть двигателей на планете – это тепловые двигатели.
Поэтому: Тема нашего занятия: «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды».
Сегодня мы будем работать по группам
Преподаватель: Какие тепловые двигатели Вам известны?
(распределить названия)
У Вас есть опорные конспекты, которые в течение урока Вы должны будете заполнить, так что внимательно следите за уроком и не забывайте самостоятельно делать в них записи.
Целью нашего занятия является: Рассмотреть тепловые двигатели, их влияние на окружающую среду и попытаться найти пути решения экологических проблем, которые возникают в результате их работы.
Двигатели тепловые
Двигатели тепловые - серьезные устройства!
и имеют в себе очень полезные свойства,
приводят в движение они без труда,
автомобили, ракеты, морские суда.
Преподаватель: Какое определение Вы бы дали для теплового двигателя?
Тепловые двигатели (ТД) – это устройства, в которых тепловая энергия превращается в механическую. (Запишите определение ТД в конспект)
Преподаватель: Как Вы думаете, какой тепловой двигатель появился раньше всех?
Опыт с нагреванием воды (объяснить)
Мы рассмотрим с вами источники, которые совершают полезную работу за счёт внутренней энергии.
На этом опыте было разработано одно из устройств Архимеда.
Что Вы знаете об этом учёном? (портрет)
Первым устройством для превращения теплоты в работу была паровая пушка «Архитронито». Ее название можно перевести как « сильный гром». Описание этого прибора имеется у Леонардо да Винчи, приписывающего Архимеду, устроена она была по принципу нашего опыта…
Это был первый шаг к паровым машинам.
Преподаватель: Какие типы тепловых двигателей Вы знаете?
К тепловым двигателям относятся - паровая машина, ДВС, паровая и газовая турбина, реактивный двигатель.
При всём многообразии ТД, все они имеют общую схему устройства и принцип работы.
Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.
Устройство ТД: 1 – нагреватель; 2 – рабочее тело (газ или пар); 3 – холодильник (окружающее пространство).
Сделайте, пожалуйста записи в конспекте. Пар является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты.
Принцип работы ТД: Количество теплоты Q1от нагревателя передаётся рабочему телу. Газ или пар, расширяясь совершает полезную работу = и при этом часть переданного тепла Q2 отдаётся холодильнику( внешней среде).
(схема)
Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счет внутренней энергии. Часть энергии передается атмосфере – холодильнику – вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
История создания (портреты)- работа в группах, прочитайте историю и посмотрите на портреты
Вопросы преподавателя:(показываем портреты)
Паровая турбина: Что представляет собой изобретение Герона Александрийского «Эолипид»?
Паровая машина: Где была установленапаровая машина Томаса Ньюкмена?
Где использовалась машина Джеймса Уатта?
Дополнение по Ползунову.
ДВС: Что применил Этьен Ленуар в 1860 году?
Кто и в каком году создал первый четырёхтактный двигатель?
Реактивный: Что служило топливом для двигателя Циолковского?
Преподаватель: Как видите, много ученых приложили свои труды в создании тепловых двигателей.
Особенности работы
Преподаватель: Приготовлены 4 демонстрации, каждая группа, определите, какой опыт будет демонстрировать работу Вашего типа двигателя?
Укажите особенности работы каждого из этих двигателей.
ДВС (Макет)
В цилиндре периодически происходит сгорание горючей смеси состоящей из паров бензина и воздуха. При сгорании смеси образуются газы, имеющие высокую температуру и большое давление. Расширяясь, они приводят в движение поршень и коленчатый вал.
ФЕН (турбина)
Струи нагретого до высокой температуры пара или газа без помощи поршня и шатуна приводят во вращение особое устройство, насаженное на вал двигателя.
Воздушный шар (реактивный двигатель)
При сгорании топлива в специальной камере двигателя образуются газы, имеющие очень высокую температуру и давление. При истечении газов из камеры, все устройство приобретает импульс в направлении обратном скорости истечения газов.
Чайник (машина)
4) В закрытом котле нагревают воду, образуется пар при довольно высокой температуре и большом давлении. Сжатый пар давит на поршень и приводит его в движение. Это движение передается маховику.
Принцип работы 4х тактного двигателя:
Назовите такты?
1 такт: Впуск: 1 клапан открывается и в цилиндр входит горючая смесь. Цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 1 закрывается.
2 такт: Сжатие: при дальнейшем повороте вала поршень движется вверх, доходит до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры).
3 такт: Рабочий ход: Под действием расширяющихся нагретых газов, поршень движется вниз (двигатель совершает работу, поэтому этот такт называют рабочим ходом). Открывается клапан 2 в конце такта.
4 такт: Выпуск: В течение четвертого такта продолжается выпуск продуктов сгорания, поршень движется вверх по инерции.)
Работа по схеме работы двигателя по группам
Преподаватель: «Работа тепловой машины характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД).
КПД - характеризует экономичность двигателя. (Распределить такты)
Мы должны распределить такты нашего двигателя
КПД ТД - это отношение произведённой двигателем полезной работы к полученной от нагревателя энергии.
=(1)
(2)
( 2 ) подставим ( 1 )
(3)
Преподаватель: « Давайте посмотрим, каков КПД реальных тепловых машин. Они приведены в таблице на экране».
Как мы можем видеть КПД реальных ТД .
Может ли КПД реальных ТД быть равен 100%?
В ДВС из каждых 10 литров топлива только около 2 литров используется на полезную работу, остальные 8 литров сгорают впустую. То есть КПД ДВС составляет всего 20 %.
Охрана окружающей среды.
Музыка «Автомобили»
Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Все они при работе выделяют большое количество теплоты и выбрасывают в атмосферу вредные для растений и животных химические соединения. Это ставит серьезные проблемы охраны окружающей среды.
Работа в группах:
1) Отрицательные последствия использования машин:
Особое место в экологическом загрязнении занимает транспорт. Один легковой автомобиль в среднем в год потребляет около 4 тонн кислорода, а выбрасывает в атмосферу около 40 кг окиси азота и почти 200 кг различных углеводородов.
Выбросы особенно значительны при малых оборотах двигателей или в моменты торможения или увеличения скорости. В этот момент выделяется в десятки раз больше несгоревших частиц, чем при обычной работе двигателя в пути.
Отработавшие газы автомобильных двигателей оказывают вредные влияния на весь организм человека, воздействуют на органы обоняния, вызывают раздражение глаз, верхних дыхательных путей, обострение легочных и других хронических заболеваний, в некоторых случаях могут привести к серьёзным отравлениям.
Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное излучение поверхности Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере приводит к повышению ее температуры (парниковый эффект). Этот эффект может создать угрозу таяния ледников и катастрофические повышение уровня Мирового океана.
При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
Влияние ТД на окружающую среду
Отрицательные факторы применения ТД:
2) Меры по снижению вредных выбросов автомобилей
Наибольший выброс продуктов неполного сгорания бензина происходит при задержках машин у светофоров, при стоянке с невыключенным мотором в ожидании зеленого света, при трогании с места и форсировании работы мотора. Следовательно, чтобы уменьшить выброс выхлопных газов, необходимо устранить препятствия на пути свободного движения потока автомашин. Для этого нужны специальные автомобильные магистрали, не пересекающиеся с другими магистралями на одном уровне и движением машин или пешеходов. Необходимы переходы для пешеходов на всех пунктах скопления машин, а также эстакады или тоннели для разгрузки больших перекрывающихся потоков транспорта
Преподаватель:В последние годы охране окружающей среды во всех странах мира уделяется большое внимание.
3)Какие альтернативные источники энергии и топлива можно использовать:
- приливная электростанция;
- ветряная электростанция;
- геотермальна электростанция;
- солнечная электростанция.
-газовое топливо
-водород
-биогаз
4)Как можно уменьшить загрязнение окружающей среды от тепловых двигателей?
Для этого необходимо обеспечить:
более полное сгорание топлива;
более тщательную очистку газов, выделяющихся двигателями внутреннего сгорания;
поиск более «чистого» продукта.
Ведутся большие исследовательские работы по созданию водородного двигателя, в процессе работы которого в атмосферу не выбрасываются вредные газы.
Перспективными с точки зрения экологии являются электромобили, в которых вместо бензиновых двигателей используется электродвигатель.
Преподаватель: «Итак, перед человечеством стоит серьёзная проблема - как избежать экологической катастрофы?
Пути уменьшения загрязнения окружающей среды:
Использование альтернативных видов энергии – приливная ЭС ,ветряная ЭС, геотермальная ЭС, солнечная ЭС.
Видео о самых экологически чистых городах России.
Обобщение и закреплении изученного на занятии.
Продолжите фразу:
1. Перечислите альтернативные виды топлива? (природный газ, этиловый спирт, водород.)
2. Какие альтернативные источники энергии вам известны? (приливная ЭС ,ветряная ЭС, геотермальная ЭС, солнечная ЭС.)
3. Относится ли огнестрельное оружие к тепловым двигателям? (Да, т.к. внутренняя энергия топлива частично превращается в кинетическую энергию пули (снаряда)).
4. Продолжите фразу.
А) К тепловым двигателям относятся: паровая турбина, реактивный самолёт, мопед,…(газовая турбина, автомобили, морские суда, моторные лодки, тепловозы)
Б) ДВС применяется в мотосанях, бензопилах, …(мотоциклах , автомобилях, самолётах)
Я хочу вернуться к Эпиграфу урока: Жак Ив Кусто: «Раньше природа устрашала человека, а теперь человек устрашает природу»
Придумайте свои эпилоги к нашему уроку (слоган, кричалка)
А сам я хочу закончить…
Преподаватель: « Благодарю вас за активную работу и внимание. Наше занятие окончено. До свидания».
История:
Прообразом теплового двигателя считается созданный в 1 веке до н.э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый « Эолипил». Он представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. По существу, эолипил – это не что иное, как паровая турбина.
История:
Первая удачная паровая машина с поршнем была создана французом Дени Папеном в 1707 году. Она могла приводить в действие насосы. Услышав о паровой машине Папена, Томас Ньюкомен попытался построить более совершенную модель. В Англии над созданием паровой машины работал шотландец Джеймс Уатт. Начиная с 1763 года, он занимался усовершенствованием малоэффективной пароатмосферной машины Ньюкомена. И только в 1782 году Уатт создал первую универсальную машину двойного действия, которая использовалась для приведения в действие станков прядильных и ткацких фабрик, а позже – и других промышленных предприятий.
История:
Идея создания ДВС родилась в 1674 году и принадлежит Дени Папену. Однако, при первом же испытании, его машина была разрушена взрывом. Французский изобретатель Этьен Ленуар в 1860 году применил искру для зажигания горючей смеси в цилиндре ДВС. В 1876 году немецкий конструктор Николаус Отто создал первый четырехтактный ДВС. Двигатель Отто работал на смеси светильного газа с воздухом, что было дорого. В 1897 году немецкий инженер Рудольф Дизель предложил двигатель с воспламенением от сжатия, который теперь носит его имя – дизельный двигатель. КПД дизеля – 44%.
История:
В 1903 году К.Э. Циолковский предложил реактивный двигатель для космической ракеты, в котором топливом служил бы жидкий водород, а окислителем – жидкий кислород. Подобная жидкостно-реактивная ракета была создана в 1933 году под руководством С.П. Королева. Дальнейшая успешная разработка ракетно-космической техники позволила осуществить запуск первого в мире ИСЗ и полет вокруг Земли первого в мире космонавта Ю.А. Гагарина.
Укажите особенности работы каждого из этих двигателей.
ДВС (Макет)
В цилиндре периодически происходит сгорание горючей смеси состоящей из паров бензина и воздуха. При сгорании смеси образуются газы, имеющие высокую температуру и большое давление. Расширяясь, они приводят в движение поршень и коленчатый вал.
ФЕН (турбина)
Струи нагретого до высокой температуры пара или газа без помощи поршня и шатуна приводят во вращение особое устройство, насаженное на вал двигателя.
Воздушный шар (реактивный двигатель)
При сгорании топлива в специальной камере двигателя образуются газы, имеющие очень высокую температуру и давление. При истечении газов из камеры, все устройство приобретает импульс в направлении обратном скорости истечения газов.
Чайник (машина)
4) В закрытом котле нагревают воду, образуется пар при довольно высокой температуре и большом давлении. Сжатый пар давит на поршень и приводит его в движение. Это движение передается маховику.
[pic]
Герон Александрийский (1 век до н. э.)
[pic]
Джеймс Уатт - шотландский инженер, изобретатель-механик.
[pic] Дени Папен
[pic]
[pic]
Этьен Ленуар
[pic]
[pic]
Рудольф Дизель
[pic]
[pic]
Королёв Сергей Павлович
[pic]
