Принципы работы тепловых двигателей физика 8 класс

Принципы работы тепловых двигателей физика 8 класс

Цели: рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях; объяснить учащимся устройство и принцип работы паровой турбины, знакомить учащихся с физическими принципами действия тепловых двигателей на примере двигателя внутреннего сгорания. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Демонстрации: работа газа и пара при расширении; устройство и дей­ствие паровой турбины. модель двигателя внутреннего сгорания; выполнение Работы при сгорании воздушно-бензиновой смеси

I . Организационный момент

II . Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Виды тепловых двигателей.

2. КПД тепловой машины.

3. Влияние работы тепловых машин на окружающую среду.

1. Переходя к рассмотрению основного материала, необходимо подчеркнуть, что все физические явления, законы в конечном итоге находят применение в повседневной жизни человека.

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 машин, которые реализуют в сво­ей работе превращение одного вида энергии в другой.

Таким образом, машина — устройство, которое служит для преобразова­ния одного вида энергии в другой. Другого назначения у машин нет.

Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в меха­ническую, генераторы преобразуют механическую в электрическую, и так далее.

Тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии топлива. К ним относятся: паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгора­ния, дизель, паровая машина, реактивный двигатель.

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. Любой газ, который расширяется, совершает положительную работу:

U = А, где А — работа газа, AU — уменьшение внутренней энергии.

2. 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.

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

-100%. Так как А Q , для всех машин η

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 30-40%, для двигателей внутреннего сгорания 30-35%, для дизельных двигателей 35-42%.

3. При использовании тепловых машин остро встает вопрос загрязнения окружающей среды.

При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных вы­бросов. К ним можно отнести углекислый газ СО2, угарный газ СО, раз­личные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых метал­лов.

Поэтому очень большое внимание следует уделять развитию методов защиты окружающей среды от этих продуктов сгорания и создание новых альтернативных источников энергии. К ним можно отнести двигатели, работающие на солнечной энергии, на электрической энергии, на энергии приливных волн и так далее. Именно это «направление является наиболее перспективным.

Кроме того, такие виды топлива как нефть, уголь, природный газ явля­ются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 50-100 лет человечество столкнется с проблемой нехватки традиционных видов топлива,с другой стороны, прогресс нашей цивилизации напрямую связан с, применением различных видов тепловых машин: нет ни одной области человеческой деятельности, где бы не применялись машины.

Читайте также:  Обороты двигателя скорость главная пара

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.

1. § 22-23 учебника; вопросы и задания к параграфу.

Источник

Конспект урока по физике «Тепловые двигатели» для 8 класса

Просмотр содержимого документа
«Конспект урока по физике «Тепловые двигатели» для 8 класса»

Тема: Тепловые двигатели

формирование понятий и представлений о тепловом двигатели, его видах, принципе действия двигателя внутреннего сгорания, КПД теплового двигателя;

развитие логического мышления, памяти, способности находить оптимальный путь выполнения поставленной задачи; умения правильно объяснять физические понятия и явления; совершенствование навыков работы с персональным компьютером.

Тип урока: комбинированный.

Один из способов изменения внутренней энергии тела (теплопередача).

Источник энергии, используемый в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту (топливо).

Кинетическая, потенциальная, внутренняя (энергия).

Дерево даешь – съедает, от воды – умирает (огонь).

От этой величины зависит скорость движения молекул (температура).

Единица измерения мощности (Ватт).

Процесс соединения молекул горючего с кислородом, при котором выделяется энергия (горение).

Единица измерения энергии (Джоуль).

Один из видов теплопередачи (излучение).

Тема и цели урока.

Тема сегодняшнего урока – «Тепловые двигатели»

Сегодня на уроке мы:

— выясним, какие машины являются тепловыми двигателями;

— рассмотрим преобразование энергии в них;

— рассмотрим основные виды двигателей и их применение;

— изучим влияние на окружающую среду тепловых двигателей;

— определим возможные пути выхода из сложившейся экологической ситуации.

Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии, источниками которой являются различные виды топлива, ветер, солнце, приливы и отливы. Существуют различные виды машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Мы рассмотрим один из типов машин – тепловой двигатель.

ІІІ. Изучение нового материала

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Как же это происходит? Какие преобразования энергии здесь происходили? (энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию поршня).

Такой двигатель был изобретен в конце XVIIв. Джеймсом Уаттом и усовершенствован в дальнейшем (сообщение учащегося).

Схема – классификация тепловых двигателей

Существует несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара). Газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Структура двигателя и формула КПД

Т.е. тепловой двигатель состоит из нагревателя (устройства, где сгорает топливо), рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты (Q1). Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу (Ап) за счет своей внутренней энергии. Часть энергии (Q2) передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Как называется величина, показывающая, какая часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу? (КПД)

Вспомните, как найти КПД простого механизма? (Найти отношение полезной работы к затраченной)

Чтобы найти коэффициентом полезного действия теплового двигателя нужно найти отношение совершенной полезной работы (Ап) двигателя, к энергии, полученной от нагревателя (Q1).

То есть КПД показывает, какая часть энергии, выделяемой топливом, превращается в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Значит, Ап = Q1 – Q2 и

Что можно сказать о значении дроби (меньше 1)

Значит, КПД всегда меньше 1, а если его выразить в процентах, то меньше 100%.

Задача: Чему равен КПД теплового двигателя, если в полезную работу превращается четверть энергии топлива? (25%) Первые паровые машины имели КПД=0,3%. В последствии Дж. Уатт, усовершенствовав паровую машину, добился повышения КПД до 2,8%.

Читайте также:  Причины не поступления топлива в двигатель

Устройство двигателя внутреннего сгорания.

На рисунке показан простейший двигатель внутреннего сгорания в разрезе.

Двигатель состоит из цилиндра 1, в котором перемещается поршень 2, соединенный при помощи шатуна3 с коленчатым валом 4, на котором находится маховик 5.

В верхней части цилиндра имеется два клапана 6 и 7, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 6 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 8, а через клапан 7 выпускаются отработавшие газы.

На каком топливе работают двигатели внутреннего сгорания? (бензине, керосине, нефти или на горючем газе)

ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Из чего состоит горючая смесь, поступающая в цилиндр?

(из паров бензина и воздуха)

Первый такт – ВПУСК.

Второй такт – СЖАТИЕ.

Третий такт – РАБОЧИЙ ХОД.

четвертый такт – ВЫПУСК.

Анимационная модель полного цикла работы двигателя

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

Анимационная модель работы четырёхцилиндрового двигателя

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый нал все время получает энергию от одного из поршней.

Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Применение тепловых двигателей

Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно. Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы, их устанавливают на речных и морских судах. Паровые и газовые турбины нашли широкое применение на тепловых электростанциях, в качестве судовых двигателей, газовые турбины широко применяются в авиационных двигателях. Реактивные двигатели применяются в авиации, ракетостроении.

С развитием энергетики, автомобильного и других видов транспорта всё более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания. Это связано с действием различных факторов:

— при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха;

— сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа;

— при работе двигатели выбрасывают в атмосферу азотные и серные соединения, а так же свинец.

ПРИМЕР: Один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с выхлопными газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов.

Как вы думаете, что нужно сделать для того, чтобы избежать экологических проблем?(посадка лесов и сокращение их вырубки; установка фильтров на двигатели; переход на экологически чистые виды топлива; создание электромобилей или автомобилей, работающих на солнечных батареях и т.д.)

Горючая смесь, поступающая в цилиндр двигателя автомобиля, состоит из .

различных видов жидкого топлива.

распылённого керосина с воздухом.

воздуха и паров бензина.

масла и бензина.

Вопрос №2

Каким номером обозначен поршень? 2

Каким номером обозначен цилиндр? 1

Каким номером обозначена свеча? 8

Каким номером обозначен маховик? 5

Что происходит с горючей смесью и газом, образовавшимися от сгорания этой смеси, при первом такте?

1. Горючая смесь сжимается.

2. Газ, образовавшийся при сгорании горючей смеси, удаляется из цилиндра.

3. Сгорание горючей смеси и расширение газов, получившихся при сгорании.

4. Горючая смесь всасывается в цилиндр.

Что происходит с горючей смесью и газом, образовавшимися от сгорания этой смеси, при втором такте

1. Горючая смесь сжимается.

2. Газ, образовавшийся при сгорании горючей смеси, удаляется из цилиндра.

3. Сгорание горючей смеси и расширение газов, получившихся при сгорании.

4. Горючая смесь всасывается в цилиндр.

Источник

Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей

Конспект по физике для 8 класса «Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое удельная теплота сгорания топлива. Как вычислить количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива. Что такое тепловые двигатели. Что называют КПД теплового двигателя.

Энергия топлива.
Принципы работы тепловых двигателей

В глубокой древности люди научились разжигать огонь — первый самостоятельно добытый источник энергии. На огне готовят пищу, им обогревают жилище, он горит в топках тепловых электростанций. Для того чтобы огонь горел, необходимо топливо. В качестве топлива могут быть использованы уголь, нефть, торф, дрова, природный газ и др. Технический прогресс во многом зависит от умения человечества использовать огромные запасы внутренней энергии различных видов топлива.

Читайте также:  Жесткая работа двигателя cdi

ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА

При сгорании топлива выделяется энергия. Выясним, за счёт чего это происходит.

Горение топлива — это химическая реакция окисления, при которой атомы углерода, содержащиеся в топливе, соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. В результате образуются молекулы углекислого газа, кинетическая энергия которых оказывается больше, чем у исходных частиц. Поэтому процесс горения сопровождается выделением энергии.

Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, называется теплотой сгорания топлива.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Как показывают опыты, при сгорании 1 кг сухих берёзовых дров выделяется 1,0 • 10 7 Дж энергии. При сгорании 2 кг сухих дров выделяется 2,0 • 10 7 Дж, т. е. вдвое больше. Следовательно, количество теплоты, выделяемое при сжигании топлива, пропорционально массе топлива.

При сгорании разного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, при сжигании 1 кг нефти можно получить количество теплоты, в 3 раза большее, чем при сжигании той же массы торфа, и в 4 раза большее, чем при сжигании той же массы дров.

Приведённые примеры показывают, что при полном сжигании топлива массой m количество выделенной энергии Q зависит также от вида топлива:
Q = qm, (1)
где q — некоторая величина, характеризующая тепловые свойства топлива и называющаяся удельной теплотой сгорания топлива.

Нетрудно установить физический смысл этой величины. Если массу топлива принять равной единице массы, то согласно формуле (1) величина q будет численно равна количеству теплоты.

Измеряется удельная теплота сгорания топлива в джоулях на килограмм (1 Дж/кг).

ПРОСТЕЙШИЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Если в пробирку, плотно закрытую пробкой, налить немного воды и нагреть её до кипения, то под давлением образовавшегося пара пробка вылетит из пробирки. Часть энергии топлива перешла во внутреннюю энергию пара, который, расширяясь, совершил работу по перемещению пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки.

Если заменить пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку плотно пригнанным поршнем, который может двигаться вдоль цилиндра, то получится простейший тепловой двигатель. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии топлива в механическую, называют тепловыми двигателями.

Первые тепловые двигатели были созданы Т. Ньюменом, И. Ползуновым и усовершенствованы Д. Уаттом в XVIII в.

Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Газ, получив энергию от нагревателя, расширяется и совершает работу.

Для постоянной работы теплового двигателя необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Для этого газ нужно охладить. Следовательно, нужно иметь холодильник, которому рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты. Роль холодильника может выполнять и окружающий воздух. После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа, т. е. работа теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q1 от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|, отдаёт холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше А = Q1 – |Q2|.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

При сгорании топлива в двигателе только часть энергии идёт на совершение полезной работы. Чем меньше энергии теряется, тем экономичнее тепловой двигатель.

Для характеристики экономичности различных двигателей вводится понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение полезной работы, совершённой двигателем, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя:

У всех тепловых двигателей КПД невысок, он не достигает даже 50 %. Это означает, что более половины энергии, содержащейся в топливе, теряется.

Основная причина низкого КПД тепловых двигателей заключается в том, что пар или газ, получив энергию от сгоревшего топлива, не может её полностью превратить в механическую энергию. Часть её неизбежно рассеивается в окружающем пространстве и не может быть использована.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей».

Источник

Adblock
detector