Конспект урока «Тепловые двигатели» по физике для 10 класса

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ

«АХТУБИНСКАЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ

ШКОЛА-ИНТЕРНАТ им. П. О. СУХОГО»

Конспект урока по физике
в 10 классе

«Тепловые двигатели»

подготовила

учитель физики

Волотова Татьяна Александровна

г. Ахтубинск

2013

Образовательные компетенции урока:

- обеспечить в ходе урока изучение устройства и принципа действия теплового двигателя;

- сформировать у учащихся понятие КПД и рассмотреть пути его повышения;

- содействовать умению проводить, сравнивать КПД реального и идеального КПД теплового двигателя;

- показать положительную и отрицательную роль тепловых двигателей в жизни человека;

Развивающие компетенции:

• Продолжить развивать умение анализировать, выделять главное в изучаемом материале, сравнивать, систематизировать и делать выводы;

• Продолжить формирование умения работать с дополнительной литературой, умения представлять информацию в виде презентаций, умения использовать содержание презентаций для изучения нового материала.

Воспитательные компетенции:

- продолжить формирование научного мировоззрения и показать, что в основе познания лежат факты, полученные из опыта, показать бесконечность процесса познания;

- при знакомстве с историей открытия тепловых двигателей обратить внимание на заслуги И. И. Ползунова по созданию работоспособного теплового двигателя.

Демонстрации:

- работа пара;

- действие модели теплового двигателя;

- использование ПК и мультимедийной установки для просмотра презентаций работы учителя и учащихся.

Ход урока.

Для наилучшего усвоения новой темы нам потребуется актуализировать свои знания по Первому закону термодинамики.

1. Что такое внутренняя энергия?

2. Каким образом можно изменить внутреннюю энергию?

3. На что расходуется, согласно первому закону термодинамики, количество теплоты, подведенное к системе?

4. Какой процесс называется адиабатным?

5. Сформулируйте первый закон термодинамики для адиабатного процесса,

6. За счёт какой энергии совершается работа при адиабатном процессе?

Эпиграф к уроку: «Отнять в настоящее время паровые машины, означало бы отнять все источники богатства» - Никола Сади Карно.

Запасы внутренне энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу. Большая часть тепловых двигателей на планете – это тепловые двигатели, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Эксперимент 1:

Рассмотрим опыт, демонстрирующий работу пара. В пробирку нальем немного воды, закроем пробку и будем нагревать воду в пробирке. Внутренняя энергия воды увеличивается, вода интенсивно испаряется, давление пара увеличивается, и пробка вылетает. Паром совершается работа за счет внутренней энергии воды.

Вероятно, что с этого опыта началась служба пара человечеству. Подобное превращение энергии топлива в механическую работу. Подобное превращение энергии топлива в механическую работу происходит в тепловых двигателях: если вместо пробирки взять поршень, то пар совершит работу по подъему поршня. Давайте сформулируем понятие теплового двигателя.

Демонстрационный фильм: «Устройство и принцип работы теплового двигателя».

Тепловой двигатель – устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Развитие этой отрасли является одной из важнейших предпосылок научно-технического прогресса. Мощный рассвет промышленности и транспорта в 19 веке был связан с изобретением тепловых двигателей.

Доклад учащихся 1: «История изобретения тепловых двигателей».

Доклад учащихся 2: «Виды тепловых двигателей».

Несмотря на разнообразие машин в работе тепловых двигателей можно выделить следующие общие черты:

1. Энергия топлива переходит в механическую работу. При этом энергия топлива сначала превращается во внутреннюю энергию газа или пара, нагретого до высокой температуры.

2. Необходимо наличие двух тел с различными температурами. Они называются нагревателем и холодильником.

3. Кроме того необходимо рабочее тело (газ или пар).

В процессе работы теплового двигателя рабочее тело забирает у нагревателя некоторое количество теплоты и превращает его в механическую работу, а не превращенную часть теплоты передает холодильнику. По закону сохранения энергии Q₁=Q₂+A.

4. Работа любого теплового двигателя циклична. Каждый цикл состоит из разных процессов:

- получение энергии из нагревателя;

- рабочего хода (расширение рабочего тела и превращения части полученной энергии в механическую);

- передачи неиспользованной части энергии холодильнику.

Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника – необходимое условие для непрерывной работы любого теплового двигателя.

Эксперимент 2: «Работа ДВС». + см. схему.

Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую работу, совершаемую за цикл, вводится КПД.

=A/Q₁

В цикличном тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу все количество теплоты, полученное от нагревателя. Некоторое количество теплоты он отдает холодильнику, поэтому работа, совершаемая двигателем за цикл не может быть больше A=Q₁-Q_2.Учитывая полученное равенство, выражение для КПД можно записать в виде

= (Q₁-Q₂₎/Q₁

КПД теплового двигателя всегда меньше единицы. Круговой цикл не реализуется при отсутствии холодильника, т. е. при Q₂=0.

Французский инженер Сади Карно, выясняя, при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложим использовать цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Выбор именно этих процессов обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, а значит, исключена теплопередача без совершения работы, т. е. все количество теплоты идет на совершение работы без потерь!!!

Цикл Карно – самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД (см. плакат).

Рассмотрим последовательно термодинамические процессы этого цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре Т₁ работа совершается за счет изменения внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подведения к газу количества теплоты Q₁. A₁₂=Q₁.

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Все изменение внутренней энергии U₂₃ при таком процессе количество теплоты равно нулю. Внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Температура газа в результате адиабатного процесса расширения 2-3 понижается до температуры холодильника T₂T₁. В процессе (3-4)газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты Q₂: A₃₄=A_ст=Q_2.

Цикл завершается процессом адиабатного сжатия 4-1 (Q₂=0), при котором газ нагревается до первоначальной температуры. Используя

=1-(Q₂/Q₁)

Можно найти максимальное значение КПД тепловых двигателей, соответствующих циклу Карно.

= (Т₁-Т₂₎/Т₁

См. таблицу тепловых двигателей.

Вопросы:

1. Почему КПД не может быть больше единицы?

2. Почему рабочим телом является газ?

3. Какие пути повышения КПД возможны?

Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии, без них невозможно представить современный транспорт.

Доклад учащихся 3: «Использование тепловых двигателей».

В то же время повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду.

Доклад учащихся 4: «Влияние ДВС на окружающую среду».

Доклад учащихся 5: «Современная альтернатива ДВС».

Подведение итогов оформим в виде таблицы:

Название теплового двигателя

КПД	Достоинства	Недостатки	Применение	Перспективы использования

Домашнее задание:

&82

Список использованной литературы

1. Мякишев Г. Я. Буховцев Б. Н. Сотский Н. Н. Физика 10 класс.- М.: «Просвещение», 2011.

2. Мякишев Г. Я. , Синяков А. З. Физика: Молекулярная физика. Термодинамика. – М.: «Дрофа», 2002.

3. Касьянов В. А. Физика 10 класс. – М.: «Дрофа», 2003.

Использованные материалы и Интернет-ресурсы

1. Видеокассета «Термодинамика», 2006 г.

2. http://www.catalog.alledu.ru

3. http://www.physics.ru

4. http://www.it-n.ru