Конспект урока «Горение топлива» по физике

Урок – конференция по теме: «Горение топлива»

2013 год-год экологии и защиты окружающей среды.

• Цель: рассмотреть с учащимися вопрос о топливе как источнике энергии; напомнить процесс горения, условия его осуществления; рассмотреть горение топлива, как химический процесс, так и как физический процесс;

• рассмотреть процесс горения топлива с экологической, экономической точек зрения на современном этапе развития общества, связать с энергосбережением;

задачи:

·  привлечь внимание учащихся к проблеме бережного отношения к энергоресурсам в быту;

·  формировать навыки экономии электроэнергии;

·  воспитывать рачительное отношение к природным ресурсам.

Оборудование: мультимедийная установка.

Ученик. Баландина Здравствуйте, друзья! Здравствуйте, гости, здравствуйте, поля, леса, реки, озера! Здравствуйте, птицы!

Если бы человек вот так здоровался каждый день не только с родными и знакомыми, но и со всеми живыми существами, окружающими его, может быть, до сих пор на Земле жили бы все животные и растения, которых мы уже никогда не увидим, так как люди уничтожили их.

Ученица. Колдоркина. Уничтожение природы продолжается и сейчас. При этом люди преследуют разные цели: кто-то хочет получить больше денег, продав редкое животное, или его мех; кто-то oxoтится в свое удовольствие, а кто-то не думая вырывает с корнем цветы, убивает палкой лягушку, бросает камнем в птицу, развлекаясь таким образом.

Ученик.Артюхов. И когда слышишь: человек – царь природы, спрашиваешь: “А что он представляет собой без природы – без воздуха, без воды, пения птиц, аромата лугов, шелеста листьев-человек?”

Все это щедро дает людям природа и не просит взамен никакой платы, только ждет от нас бережного, доброго отношения к себе.

Ученица.Комова. Быстро летит время. Не успеем оглянуться – закончим школу и начнем свою, самостоятельную жизнь. А задавали мы себе вопрос, в каком мире мы будем жить, будет ли он опасен для человека или останется таким же прекрасным, каким мы можем видеть его сегодня? Повод для беспокойства есть.

Выступление учащегося с заранее подготовленным сообщением по теме: «Получение и освоение огня»Анисимова.
Получение и освоение огня - заметная страница в истории цивилизации. Археологи установили: остаткам первых костров около 400.000 лет! Тогда огонь получачи случайно (напр. от молнии) и поддерживали. Позднее (около 30.000 лет тому назад) безвестные гении научились добывать огонь трением, а еще позднее изобрели огниво, которым и пользовались до XIX века. Спички появились недавно, в 1855 году!
Так же «не спеша» расширялась сфера использования огня: от обогрева пещер и приготовления пищи до плавки металлов и создания в конце 18 века первого универсального теплового двигателя (паровая машина). Сегодня внутренняя энергия топлива используется широко и разнообразно.слайд

Бочкарёв

Рассмотрим сам процесс горения.
С точки зрения химии горение - это реакция, протекающая с выделением света и тепла. Вещества вступают в соединения не в произвольных отношениях, а в строго определенных. Для того, чтобы зажечь вещество, его необходимо нагреть до температуры, которая называется температурой воспламенения. Например, для угля эта температура равняется 350°С.

Каждый атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода, при этом образуется молекула углекислого газа и выделяется энергия в виде тепла.слайд

Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива называется теплотой сгорания топлива.( слайд8)

При расчёте работы различных двигателей инженеру надо точно знать, какое количество теплоты может выделить сгораемое горючее, надолго ли хватит этого горючего при работе двигателя. Инженер проделывает опыты и находит какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива.

: При сгорании топлива энергия выделяется , поэтому разные виды топлива массой m кг при полном сгорании выделяют разное количество теплоты.

Как называется эта физическая величина?

Физическая величина, показывающая какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг топлива называется удельной теплотой сгорания топлива -g ( слайд9)

Одинаковая ли энергия выделяется при сгорании1кг угля, газа, бензина?
Как понимать , что удельная теплота сгорания, например, торфа 1,4·10⁷ Дж/кг

Это значит, что при полном сгорании торфа массой 1кг выделяется количество теплоты , равное 1,4·10⁷ Дж., т.е 14 миллионов Джоулей

А если сжечь 2 килограмма торфа?

Выделяется теплоты в 2 раза больше, т.е 2,810^{7 Дж}

.А как посчитать количество теплоты ,которое выделится при сгорании любой массы топлива?

Чтобы рассчитать количество теплоты Q .выделяющееся при полном сгорании топлива любой массы ,нужно теплоту сгорания q умножить на массу сгоревшего топлива (слайд11)

Q = qm

Ученик Акимов: Ежегодно при сгорании топлива в воздух попадают сотни миллионов тонн различных вредных веществ: сажа, оксиды углерода, азота, серы: Вы можете сказать, что углекислый газ полезен, потому что растения поглощают его из окружающей среды и в процессе фотосинтеза выделяют кислород. Это действительно так. Но только в умеренных количествах. За последние 30 лет количество углекислого газа повысилось на 15-20%. . В больших городах и вблизи крупных энергетических предприятий накапливается углекислый газ. порождающий парниковый эффект.

К 2020 г содержание углекислого газа должно еще удвоиться. Углекислый газ препятствует естественному охлаждению Земли, что приводит к повышению средней температуры на 2-3 °С. Это может привести к бурному таянию льдов и повышению уровня Мирового океана на 50-70м. Увеличение содержания углекислого газа губительно сказывается на всем живом, в том числе на человеке, вызывая различные болезни.

Тайлаков
Мощным источником загрязнения воздуха атмосферы является сжигание топлива. При этом в воздух выбрасываются летучая зола, сажа, двуокись и окись углерода, сернистый ангидрид, окислы азота, ароматические углеводороды, в том числе канцерогенные, и др.

Ветер разносит дым на большие расстояния, вследствие чего вокруг крупных электростанций, металлургических предприятий и ряда других промышленных объектов атмосферный воздух может быть загрязнен в радиусе 1—5 км и более.

Составной частью дыма, образующегося при сгорании каменного угля, торфа, минеральных масел, является сернистый газ (SO₂). Сернистый газ (сернистый ангидрид) в воздухе частично окисляется в серный ангидрид (SO₅), который, взаимодействуя с водяными парами, образует серную кислоту. Сернистый газ даже в ничтожных концентрациях (около 0,8 мг/м³) вредно влияет на зеленые насаждения, особенно хвойные, и может вызвать их гибель. В больших концентрациях он придает воздуху неприятный запах (4—8 мг/м³), раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей (20 мг/м³) и оказывает обще токсическое действие. Сернистый ангидрид в 2 раза тяжелее воздуха, что способствует загрязнению им приземного слоя атмосферы.

Ученик Феоктистов
Определенную роль в загрязнении атмосферы дымом играет окись углерода, или угарный газ (СО). Окись углерода чрезвычайно ядовита. Это бесцветный газ без запаха, не раздражающий слизистые оболочки, что усиливает опасность отравления им, так как человек не обнаруживает присутствие угарного газа в воздухе даже при смертельных концентрациях. Обладая значительно большим, чем кислород, сродством к гемоглобину крови, окись углерода связывает (блокирует) его, образуя карбоксигемоглобин (СОНb), из-за чего нарушается доставка кислорода тканям. Из крови часть окиси углерода диффундирует в ткани, нарушая в них деятельность дыхательных ферментов и, следовательно, тканевое дыхание. Особенно чувствительны к кислородному голоданию клетки головного мозга.

В легких случаях отравления наблюдаются головная боль, тяжесть в голове, слабость, головокружение, тошнота, рвота, в более тяжелых—потеря сознания, судороги (табл. 2).

Отрицательно влияют на состояние атмосферного воздуха и содержащиеся в дыме частицы золы и сажи. Являясь центрами конденсации водяных паров, они увеличивают в населенном пункте облачность и количество пасмурных дней. Снижая прозрачность атмосферы, дым значительно уменьшает освещенность солнечным светом. Например, в Лондоне в связи с загрязнением атмосферного воздуха дымом освещенность солнечным светом на 20—50% меньше, чем в окрестностях города.слайд

Таблица 2. в зависимости от ее концентрации в воздухе

Концентрация окиси углерода в воздухе, мг/м³

Сажа содержит вещества (например, 3,4-бензпирен), которым приписывают канцерогенные свойства. По имеющимся наблюдениям, заболеваемость раком легких возрастает в населенных пунктах, в которых отмечается сильная задымленность. Статистика заболеваемости свидетельствует о том, что в задымленных районах повышена общая заболеваемость населения и чаще наблюдаются болезни органов дыхания.

Исследование

Бочкарев

В качестве топливаТЭЦ, используют

1. природный газ

2. мазут (нефтяные остатки)

3. уголь

4. топочную нефть

5. торф

Их состав можно выразить уравнением:слайд

C + H +O + N + S + W + M = 100 %, где

C и H – энергетическая ценность,

O и N – балласт в топливе,

W – отрицательная составляющая получения энергии – это влага,

S - одна из самых вредных примесей,

M – минеральные примеси.

Состав нефти: это сложная смесь углеводородов трех типов: алканов, циклоалканов и аренов. В небольшом количестве содержаться соединения (0,3-7 %), в состав которых входят кислород, азот, сера, фосфат и другие вещества.

В результате перегонки нефти получают:

1. баллонный газ, который состоит из пропана и бутана,

2. бензиновую фракцию с С₅-С₁₀,

3. керосиновую фракцию с С₁₀-С₁₅,

4. дизельное топливо с С₁₂-С₂₀,

после чего остаются нефтяные остатки, которые называются мазутом. Его используют в качестве топлива, а в процессе крекинга из него получают бензин и другие вещества.

Природный газ в основном состоит из метана (СH₄) от 90-98 % в зависимости от месторождения, C₂H_6, C₃H₈, C₄H_10, C₅H₁₂ и других примесей N₂, H₂S, CO₂. Он не содержит минеральных примесей и при горении не образует золу.

Горение топлива.слайд

1. Записывается уравнение реакции горения природного газа (метана):

2. CH₄ + 2O₂ CO₂ + 2H₂O + 880кДж

1 : 10 воздуха

Рассчитывается объём воздуха, который затрачивается на горение 1 моля CH₄

На горение 1 моля CH₄ затрачивается 224 л воздуха.

2. C + O₂ CO₂ + 402кДж

1 моль 22,4 л

и на горение 1 моля угля затрачивается 112 л воздуха (22,4 л х 5 = 112 л).

Для того чтобы увеличить скорость прямой реакции, нужно увеличить площадь соприкосновения угля с воздухом. Для этого нужно измельчить уголь, т.е. превратить его в угольную пыль.

Итак, при горении угля и природного газа выделяется теплота, но при горении метана теплоты выделяется в 2 раза больше. Но и воздуха затрачивается тоже больше в 2 раза. При этом выделяется углекислый газ и газообразная вода.

Анисимова

Уголь перед закладкой в топку измельчают, мы выяснили зачем. Угольная пыль при небольшом колебании ветра разносится и загрязняет окружающую среду. Кроме того, ТЭС, работающие на угле, заражают среду радионуклидами (йод-13, стронций-90, цезий-137, церий-95, кобальт-60) даже при нормальной безаварийной работе. Это в 150 раз больше выбросов АЭС. Но это в случае отсутствия эффективных систем очистки от выбросов (золы).

Радиация влияет на живой организм. Нарушается кроветворная функция костного мозга (лейкемия); возникают мутации, которые чаще всего отрицательно сказывается на живом организме, способствуют появлению различных уродств.

В окружающей среде рассеивается более 60 % исходной энергии топлива в виде подогретой воды и горячих газов. Если тепловые сбросы ТЭЦ передать проточной воде, то её температура может подняться на 5⁰. Такого воздействия на гидросферу нельзя допустить, оно приведет к изменению теплового режима в реках, их флоры и фауны.

Баландина

Рассмотрим пути решения экологических проблем теплоэнергетики. Человечество использует виды энергии: электрическую, тепловую и пароконденсатную. Виды топлива, на которых работает ТЭЦ – это природный газ и мазут. Существуют отдельные цеха, которые используют только природный газ и цеха, использующие только мазут в качестве топлива. Но в основном стараются использовать природный газ, т.к. он при сгорании дает меньше отходов в виде гари, чем мазут, и тем самым меньше способствует загрязнению окружающей среды. При сгорании топлива выделяется гарь в окружающую атмосферу, и для того, чтобы этого не происходило, применяют специальные очистные фильтры, которые полностью её удерживают. Что же касается самой воды, то она, в свою очередь, проходит три системы очистки. Во-первых, она проходит через насос, затем попадает в градирни, где соблюдается тепловой режим воды. Градирни можно увидеть, выглянув из окна нашей школы. Примерная площадь каждой градирни 1500 м³, всего их 4 штуки. Затем воду пропускают через анианитовые и щелочные фильтры и, в конце концов, она получается полностью химически очищена. Что же касается всех отходов при сгорании топлива и при очистке воды, то они попадают в шлакоотстойники, откуда их потом собирают экскаватором, погружают в грузовые машины и вывозят за пределы ТЭЦ. Сейчас одной из основных экологических задач перед ТЭЦ стоит усовершенствование форсунок, при помощи которых подается топливо. Диаметр форсунок должен быть вполне определенным, и нужно учитывать все отклонения.

Колдоркина

Первым этапом моего исследования являлось анкетирование среди обучающихся разных классов нашей школы, проведенное с целью изучения осведомленности детей разного возрастного уровня по проблеме « Горение топлива» и того, насколько глубоко они осознают эту проблему. Вопросы анкетирования были следующими:

1. Назовите традиционные источники электрической энергии.

2. Какие виды альтернативных источников электрической энергии вы знаете?

3. Что можно сделать обучающимся для экономии электрической энергии?

4. Какое воздействие на экологию оказывают традиционные источники электроэнергии?

5. Каково действие альтернативных видов электрической энергии на экологию?

6. Сколько по вашему мнению времени бесполезно потребляется электроэнергия на освещение в вашем доме?

Выяснилась следующая картина. Обучающиеся младших классов в общих чертах имеют представления об источниках электрической энергии. Обучающиеся среднего звена осознают проблему на практическом уровне, а вот старшеклассники уже предлагают решения проблем, связанных с экологией. (Результаты анкетирования представлены на диаграмме (см.приложение).Так как почти все признались в том, что дома бывает лампочка горит бесполезно, то я решила выяснить сколько энергии, а следовательно, энергоресурсов могло бы быть сэкономлено в течении года. Даже если бы каждый например из 288 учеников нашей школы не давал бесполезно светить электрической лампочке мощностью 100 Вт в течение 1 часа ежесуточно, то было бы сэкономлено

0,1 кВт * 1 ч * 365*288=10512 кВт*ч

Следовательно, чтобы получить данное количество электрической энергии нужно сжечь

М = 0.65*10512=6832.8 кг=6.8 т

При сжигании этого угля образовалось бы 4100 кг золы,

а в атмосферу было бы выброшено около 7 тонн углекислого газа,

примерно 205 кг сернистого газа,

около 68,3 кг оксидов азота и столько же примерно пыли.

Кроме того, при добыче и сжигании угля выделяются радиоактивные элементы, содержащиеся в угольных пластах и добытом угле. Хотя процент их содержания невелик, но при сжигании миллионов тонн угля его нельзя не учитывать.

На школьников эти данные произвели глубокое впечатление, возможно, они впервые так реально осознали масштаб загрязнения окружающей среды. Были высказаны мысли по поводу использования электрической энергии более осознанно, экономно.

Это только один пример того, как каждый из нас может внести свою лепту в дело сохранения экосистемы.

Тайлаков

Расчёты, проведённые по использованию электроэнергии в школе, говорят следующими цифрами. Наибольшее потребление электроэнергии приходится на столовую – 577 кВт•ч в неделю что в денежном выражении соответствует: по столовой 8665 руб. Значительно меньшее количество энергии тратится на освещение в классах. В школе, в классах и коридорах горят 252 электролампочки, каждая мощностью 0,04 кВт. На освещение каждого класса за неделю расходуется примерно 10 кВт•ч, что соответствует 1450 руб. Однако, если выключать свет на 10 мин (например, на перерывах), то по школе за один день будет сэкономлено 6 кВт•ч энергии, за неделю – 36 кВт•ч, а за месяц – 216 кВт•ч, или 31320 руб. Теперь вы можете представить, сколько можно сэкономить в стране, если каждый выключит свет хотя бы на 10 мин. Конечно, у нас порой свет горит без нужды часами, а это миллионы государственных денег, потраченных на закупку дорогого топлива: газа, угля, нефти, древесины.

Работа в группах

1 группа

Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии

2 группа

Эффективное использование электроэнергии

3 группа

Рекомендации по экономии электроэнергии.

Рефлексия

Рекомендации по экономии электроэнергии.

Системы автоматического управления освещением упрощают процесс экономии электроэнергии

Различные системы автоматического управления освещением являются эффективным способом бережного расхода энергии. Особенно для помещений, где человеку трудно уследить за ее рациональным использованием. В зависимости от заданного сценария, эти системы могут самостоятельно включать, отключать и регулировать освещение, меняя его интенсивность. Для этого используются специальные датчики, которые реагируют, к примеру, на дневной свет, звук шагов или просто движение. Человек может забыть включить или выключить свет, но запрограммированная система никогда не ошибется. Такие системы сейчас успешно внедряются в подъездах, производственных помещениях, коридорах административных зданий. 

 Правильно настроенный на компьютере режим энергосбережения позволяет сэкономить до 50% электроэнергии

Режим энергосбережения поддерживают все современные компьютеры. Если пользователь не совершает никаких действий в течение заданного времени, в режим ожидания сначала переходит монитор, а потом и сам компьютер, если работа не возобновилась. Режим ожидания у компьютера намного экономичнее его обычного режима работы . Эта функция незаменима, если вы работаете за компьютером не постоянно, а с некоторой периодичностью, оставляя его включенным в течение всего дня. Правильно настроив режим энергосбережения, вы снизите расход электроэнергии до 50%.

Пылесос с заполненным только на треть мешком для сбора пыли, начинает расходовать на 40% больше энергии

Следите за тем, чтобы чистка пылесоса проводилась регулярно. Лучше делать это после каждой уборки. Дело в том что всасывание ухудшается уже на 40% даже, когда медок для сбора пыли заполнен всего лишь на треть. Соответственно, при этом на 40% увеличивается и расход электроэнергии. Не забывайте чистить и фильтры, которые, будучи забитыми, также затрудняют работу пылесоса и увеличивают его энергопотребление.

 Неполная или чрезмерная загрузка стиральной машины приводит к перерасходу электроэнергии

При эксплуатации стиральной машины необходимо внимательно соблюдать все требования инструкции. Нельзя загружать слишком много белья, превышая норму максимальной загрузки, а также стирать небольшое количество вещей, когда загрузка неполная. Это чревато перерасходом электроэнергии, достигающим 10–15%.

 Для приготовления пищи используйте посуду, которая соответствует диаметру конфорки

Если диаметр дна кастрюли или сковородки меньше диаметра конфорки электроплиты, при приготовлении пищи в такой посуде будет расходоваться впустую до 5-10% электроэнергии. В целях экономии, используемая посуда должна соответствовать размеру конфорки, или быть чуть больше нее. Дно не должно быть искривленным.

 Разбейте основное освещение на группы светильников – вы сможете регулировать освещение эффективнее

Современные технологии позволяют использовать несколько небольших светильников вместо одной мощной люстры. Такие светильники можно включать либо все сразу, либо по отдельности с помощью нескольких выключателей, регулируя яркость и области освещения. Это очень удобно, потому что можно использовать только группу светильников, расположенную над зоной, где вы находитесь. Свет в той части комнаты, которая в данный момент вам не нужна, можно не включать вовсе, экономя электроэнергию.

 Экран телевизора и монитор компьютера должны располагаться в хорошо освещенном месте

Телевизор и монитор компьютера лучше всего устанавливать в местах, которые освещаются хорошо и равномерно. Это позволяет устанавливать регулировки яркости и контраста на более низкий уровень, сберегая до 5% электроэнергии.

 В доме, оборудованном современными стеклопакетами, будет теплее на 4-5 С°

Через окна в холодное время года уходит 40% тепла. Вместо того, чтобы заставлять электроприборы интенсивно работать на обогрев, расходуя большое количество электроэнергии, рекомендуется утеплить окна специальными энергосберегающими материалами или заменить на современные стеклопакеты. То же самое относится к вопроса утепления дверей, стен, пола и потолка.

 Темная посуда быстрее нагревается

Формы для выпечки, покрытые черным лаком или эмалью, не только стильно выглядят, но и лучше подогреваются. Черный цвет быстрее поглощает тепло, поэтому блюда в такой посуде готовятся быстрее, а энергии расходуется меньше.

 Не располагайте бытовую технику рядом с приборами, выделяющими тепло

Излишнее тепло всегда вредно для любого устройства или оборудования, поэтому старайтесь устанавливать бытовую и офисную технику подальше от батарей или обогревателей. Не рекомендуется также устанавливать приборы, которые при своей работе нагреваются и выделяют некоторое количество тепла, в нишах, близко к стенам. Не стоит также накрывать их чем-либо, когда они функционируют.  

Закрывайте окна и двери, когда работает кондиционер

Если кондиционер работает в помещении, где открыты окна или двери, считайте, что электроэнергия тратится зря. Все усилия кондиционера, в этом случае, направлены на охлаждение улицы и коридора, а в комнате остается жарко.

 Грязные окна препятствуют попаданию в дом естественного света

Ваши окна должны быть чистыми. Грязные окна «крадут» естественный свет, попадающий к вам в дом. И тогда приходится включать искусственное освещение и тратить при этом электрическую энергию. Грязные или запыленные окна могут снижать естественную освещенность в помещении до 30%.

 Консультируйтесь с продавцами по вопросам энергоэффективности товаров

Наиболее современным и практичным сегодня считается энергоэффективное оборудование. Не стесняйтесь расспросить продавца-консультанта об энергосберегающих свойствах продукции, зайдите на сайт производителя, изучите информацию о товаре, который собираетесь купить. Правильный выбор поможет вам в дальнейшем существенно сэкономить электроэнергию и окупить затраты на сделанную покупку.

 Перед покупкой лампы не забудьте проверить тип цоколя вашего светильника

Цоколи некоторых ламп различаются между собой. Перед покупкой необходимо выяснить, какой тип цоколя у светильника, чтобы выбрать подходящую лампу. Большинство люстр, служащих для основного освещения помещений, имеют цоколь Е 27, у источников местного освещения типа светильников и бра цоколь несколько меньше и носит маркировку Е 14.

 Закрыв кастрюлю крышкой, вы сокращаете время приготовления пищи, экономя электроэнергию

Когда вы готовите еду, закрывайте кастрюлю с водой крышкой. Это предотвратит быстрое испарение воды, которое обычно увеличивает время приготовления на 20-30%. Когда вода закипит, убавьте температуру.

Домашнее задание:

1. Сделать презентации на тему «Горение топлива и экологические проблемы»

2. Составить задачи по физике на тему «Энергосбережение»

3. Провести часы общения с учащимися 5-9 классов по теме «Горение топлива и экологические проблемы. Энергосбережение»

4. Составить памятку « Рекомендации по экономии электроэнергии»