Нельзя допустить, чтобы люди направляли на свое собственное уничтожение те силы природы, которые сумели открыть и покорить.

Ф.Жолио-Кюри.

План урока

1. Организационный момент.       

2. Постановка проблемы: проведение опыта, обсуждение.

3. Объяснение нового материала:

a) историческая справка;

b)  основные виды тепловых двигателей;

c) КПД тепловой машины.

4. Виды тепловых двигателей. Сообщения учащихся и их обсуждение:

a) «Паровая машина»;

b) «Паровая турбина»;

c) «Газовая турбина»;

d) «Двигатель внутреннего сгорания (бензиновый)»;

e) «Дизельный двигатель».

5. Физкультминутка.

6. Влияние работы тепловых машин на окружающую среду.

7. Пути решения проблем, связанных с использованием тепловых двигателей.

8. Закрепление.

9. Решение задачи.

10. Итоги урока.

11. Объяснение домашнего задания.

 

Ход урока

Слайд №1 Тема урока

Организационный момент.

Слайд №2 Интерактивный план урока.

Постановка проблемы.

Проведение демонстрационного опыта.

В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Пробка выскочит.

Таблица 1

№	Вопрос	Предполагаемый ответ
1	Почему выскочила пробка?	Давление пара резко повысилось.
2	Какие превращения энергии мы наблюдали?	Внутренняя энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара. Пар, расширяясь, совершил механическую работу - вытолкнул пробку.
3	Как вы думаете, где данное явление используется в технике?	Используется в работе тепловых двигателей.

Тема сегодняшнего урока «Тепловые двигатели» (учащиеся записывают тему в тетради).

Слайд №3 На слайде иллюстрирована краткая история тепловых машин.

Объяснение нового материала учителем.

Виды тепловых двигателей

Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов. Поэтому существуют различные типы устройств, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, генераторы – механическую в электрическую и так далее.

Прогресс нашей цивилизации напрямую связан с применением тепловых машин: нет ни одной области человеческой деятельности, где бы они не применялись.

Эолипил («шар Эола»). Герон Александрийский. I в. до н.э. Это металлический шар, вращающийся под давлением пара. Считается, что именно этому древнему ученому принадлежит идея использования силы пара для превращения ее в энергию движения.

Паровая турбина Джиованни Бранка. 1629 г. Она должна была приводить в движение пестики для размельчения угля и серы на пороховых заводах. Однако мощность ее оказалась слишком мала, поэтому сведений о реальном существовании такого механизма не найдено.

«Папенов котел». Дени Папен. 1680 г.  Пар от закипавшей в котле воды должен был толкать вверх размещавшийся внутри того же самого котла поршень, к которому через выведенный наружу шток могли присоединяться различные механизмы. Это могли быть насосы, откачивавшие воду из глубоких шахт либо  вздымавшие над землей фонтаны. Это был один из первых «настоящих» паровых котлов.

«Друг рудокопов». Томас Севери. 1698 г. «Машина для подъема воды с помощью движущей силы огня» была паровым насосом, применяемым для откачки воды из шахт, для водоснабжения городов и крупных зданий, для осушения болот и лугов.

Атмосферный двигатель. Пол Ньюкомен.1712 г. Это пароатмосферная машина, в которой работа происходит за счет атмосферного давления, а не за счет давления пара. Использовалась для откачки воды в шахтах. Несмотря на то, что была высотой с четырех-пятиэтажный дом и потребляла очень много угля, она стала первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.

«Огненная машина» Ивана Ползунова. 1763 г. Это первая в России двухцилиндровая паровая машина непрерывного действия. Построена для приведения в действие воздуходувных мехов плавильных печей на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Универсальная паровая машина. Джеймс Уатт. 1768 г.  Именно ему паровая машина в ее теперешнем виде обязана своим появлением на свет и введением в практику обыденной жизни.

Паровая телега. Николя Йозеф Кюньо. 1769 г. Первое действующее самоходное паровое транспортное средство в истории человечества – прародитель автомобиля.

Пароход. Роберт Фултон. 1807 г. У парохода Роберта Фултона были и предшественники, но именно он начал новую эру в истории судоходства, когда стал совершать регулярные рейсы и перевозить пассажиров от Нью-Йорка до Олбани и обратно со скоростью 5 узлов. 

Корнуэльские двигатели. Ричард Тревитик. 1811 г. В промышленных однотактных двигателях Тревитика с целью повышения эффективности был впервые применен пар высокого давления. Именно они положили начало проникновению пара в сельское хозяйство и транспорт. Р.Тревитик является также создателем первого в мире паровоза.

Паровоз. Джордж Стефенсон. 1814г. Больших успехов в создании практически применимых паровозов достиг английский изобретатель Джордж Стефенсон. Его первый паровоз «Блюхер» предназначался для буксировки вагонеток с углём по рудничной рельсовой дороге и мог вести состав общим весом до 30 тонн.

Дирижабль Жиффара. Анри Жиффар. 1852 г. Воздушный шар всегда летел по воле ветра, и будущему изобретателю это не нравилось. Тогда он решил, что если на шар поставить мощную паровую машину с воздушным винтом, то можно будет лететь в любом направлении.

 

С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 г. построил первую паровую машину, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины очень сильно изменили содержание человеческого труда. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин. Уровень развития любой страны определяется тем, какое количество различных машин приходится на душу населения.

Все тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию в механическую.

Слайды № 4, 5

Внутренняя энергия этих машин образуется за счет энергии топлива.

Слайды № 6, 7

Можно выделить несколько основных видов тепловых двигателей. К двигателям внешнего сгорания относятся паровая машина, паровая и газовая турбины, к двигателям внутреннего сгорания – бензиновый и дизельный. Существуют также реактивные и ракетные двигатели.

Слайд №8

Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепловых машин является то, что они изначально увеличивают свою внутреннюю энергию за счет сгорания топлива, с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую: тела, расширяясь при нагревании, совершают работу. Так как газы и пары расширяются наиболее сильно, они используются в качестве рабочего тела.

Согласно закону сохранения энергии

ΔU = Q +A

Слайд №9

Любой газ, который расширяется, совершает положительную работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

-ΔU =A', где   А' - работа газа, -ΔU - уменьшение внутренней энергии.

КПД тепловой машины

Слайд №100

Очевидно, что никогда не может произойти эквивалентного преобразования внутренней энергии в работу: часть внутренней энергии уходит на нагревание деталей машин, на преодоление трения в узлах, на рассеивание в окружающую среду. Первая паровая машина преобразовывала менее 1% от всей энергии в полезную работу.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Для характеристики экономичности различных устройств введено понятие коэффициента полезного действия («Физика», 7 класс).

Слайды №11, 12

Таблица 2

№	Вопрос	Предполагаемый ответ
1	Что называется коэффициентом полезного действия?	Это физическая величина, равная отношению полезной работы к затраченной: КПД=Ап /Аз
2	Что нам известно об этой величине?	Эта величина выражается в процентах. Ее значение ни при каких условиях не может быть больше 100%
3	Что в тепловых машинах совершает полезную работу?	Полезную работу совершает рабочее тело – газ или пар:
4	Какая энергия тратится в тепловых двигателях?	Энергия, которую газ получает от нагревателя (сгорающего топлива): Q

Слайд №13

Под коэффициентом полезного действия (КПД) машины понимают отношение совершенной полезной работы двигателя  к той энергии, которая выделилась при полном сгорании топлива. КПД машины обозначается буквой η («эта»).

  A  - работа газа,

Q – количество теплоты, полученное от нагревателя (при сгорании топлива).

Так как А' < Q, для всех машин η < 100%.

Слайд №14

Если проследить историю развития тепловых машин, то следует заметить, что постоянное усовершенствование машин в конструкции, в создании новых видов топлива привело к тому, что современные машины имеют достаточно высокие значения КПД по сравнению с первоначальными моделями.

Для современных паровых турбин КПД достигает 30%, для двигателей внутреннего сгорания 30-35%, для дизельных двигателей 35-42%.

Слайд №15

А теперь давайте познакомимся с устройством различных тепловых двигателей. В любом двигателе нагревателем служит сгорающее топливо, рабочим телом - газ или пар, холодильником - атмосфера или конденсатор.

 

Слайд №16

Коэффициент полезного действия можно рассчитать по следующим формулам:

 

 

С данного слайда можно вернуться на слайд №7 «Виды тепловых двигателей», снабженный интерактивной навигацией, или продолжить работу с последующими слайдами.

Слайд №17