Урок 8. Принцип действия тепловых двигателей

Задачи урока: ввести понятие о циклическом термодинамическом процессе, ознакомить с устройством и принципом действия тепловых двигателей, показать взаимосвязь развития физики и техники на примере тепловых двигателей, раскрыть роль и значение тепловых двигателей в современной цивилизации.

План урока

Этапы урока	Время, мин	Приёмы и методы
I. Актуализация знаний. Постановка учебной проблемы	5 - 7	Фронтальное повторение. Диалог
II. Изучение нового материала	20 - 25	Работа с учебником. Записи в тетради. Беседа
III. Совершенствование знаний и умений	10 - 15	Решение задач. Демонстрация и обсуждение опыта
IV. Домашнее задание	1 - 3	Запись на доске

I. Приведём вопросы для организации фронтального повторения: что такое термодинамическая система? Какими параметрами характеризуется её состояние? Каковы причины изменения состояния термодинамической системы? Какие процессы мы изучали? Какие законы процессов выяснили? О чём говорит второе начало термодинамики? Можно ли его сформулировать так: без совершения работы тепло переходит лишь от более нагретого к менее нагретому, а не наоборот? (Ответ. Можно.) Какие тепловые процессы происходят в тепловой машине? (Ответ. Сгорание топлива, при котором его внутренняя энергия переходит в энергию газа; температура последнего существенно выше, чем у топлива. Расширение газа. Теплообмен.)

Почему так важно изучить работу тепловых двигателей? Дело в том, что наша цивилизация - машинная цивилизация, причём большая часть машин - это тепловые машины разных видов. Но принцип их работы один; именно он основывается на законах термодинамики. Несомненно, без тепловых двигателей жизнь общества сразу бы резко затормозилась приняла бы другие формы… Не было бы электричества, не ездили бы автомашины, не летали бы самолёты… Поэтому тепловые двигатели - это великое достижение человеческой культуры, научной мысли людей Земли.

Одним из вариантов организации изучения вопроса являются самостоятельная работа с учебником, составление опорного плана-конспекта, коллективное обсуждение отдельных сторон материала, в частности формулировки принципа работы тепловых двигателей. За активность на уроке, за чёткий конспект, за решение задач может быть поставлена оценка. В качестве плана работы на доске или в виде кодограммы предлагается правая часть таблицы 28. Общее задание - определить содержание каждого элемента плана.

Обратимся к важнейшим положениям урока с соответствующими методическими комментариями.

1. Принцип работы теплового двигателя. Идея создания тепловых двигателей состоит в превращении части внутренней энергии тела (топлива) в механическую энергию других тел. Таким образом, возникает возможность совершения механической работы. Вопросы: в какой случае термодинамическая система совершает механическую работу? (Ответ. При расширении.) В каком процессе внутренняя энергия или сообщаемое системе количество теплоты полностью (а значит, эффективно) превращается в работу? (Ответ. В случае изотермического и адиабатного процессов: A=-Q , A’=- U.) Итак, идея преобразования внутренней энергии топлива в механическую работу состоит в следующем: внутренняя энергия топлива при сгорании последнего преобразуется во внутреннюю энергию высокотемпературного газа, которая при расширении газа частично превращается в механическую работу.

Примеры процессов и соответствующих им преобразованиях энергии: а) выстрел ружья: сгорание пороха, работа газа по выталкиванию пули из гильзы и ствола; б) нагревание пробирки с водой и вылет пробки: получение высокоэнергетического пара, работа пара при расширении по выталкиванию пробки.

2. Что же такое тепловой двигатель и каково его устройство? Тепловой двигатель - это устройство для превращения внутренней энергии топлива в механическую. Разные двигатели устроены по-разному, но у всех есть общие элементы.

Во-первых, нужен объект, который совершает работу, - это газ; его называют рабочим телом.

Во-вторых, согласно первому началу термодинамики необходим элемент по преобразованию внутренней энергии топлива в энергию газа - это нагреватель; во многих случаях нагреватель = это камера сгорания топлива.

В-третьих, согласно второму началу термодинамики не вся энергия газа превращается в работу, часть её отдаётся холодильнику. Это третий общий элемент тепловых двигателей; во многих случаях, к сожалению, это внешняя среда, воздух.

3. Как обеспечивается постоянная работа теплового двигателя? Какие процессы лучше всего выбрать? С теоретической точки зрения процесс, в котором участвует термодинамическая система, должен быть круговым, т.е. система должна возвращаться в первоначальное состояние (см., например, процесс на рисунке 117). Идеальный термодинамический цикл (модель) теплового двигателя впервые в 1824 г. предложил французский учёный Сади Карно (1796-1832). В своей работе он даёт ответы на вопросы, актуальные сейчас: существует ли предел улучшения тепловых двигателей? Как влияет на эффективность работы теплового двигателя выбор рабочего тела (см.: Хрестоматия, с.48)?Рассмотрим последовательно цикл Карно.

Сначала газ изотермически расширяется при температуре (см. табл. 28). Совершается работа, равная количеству теплоты, полученному от нагревателя: = .

Далее газ адиабатно расширяется от состояния 2 до состояния 3, совершается работа за счёт убыли внутренней энергии газа =- . Отсюда температура газа становится ниже температуры .

Затем газ изотермически сжимается, внешними силами совершается работа. Но внутренняя энергия газа не изменяется. Значит, газ должен отдавать холодильнику количество теплоты, равное работе внешних сил, т.е. - = .

Для завершения цикла газ адиабатно сжимают от состояния 4 до состояния 1. Естественно, внешние силы совершают работу = ; температура газа растёт, так как теплообмен с внешней средой исключён.

Докажем, что цикл Карно идеальный. Он рассматривается для идеального газа; на практике абсолютно адиабатный процесс неосуществим: невозможно резко перейти от изотермического к адиабатному процессу.

Докажем, что работа газа за цикл не равна нулю, т.е. существует полезная работа газа. Используя геометрический смысл работы, это легко сделать графически: для каждого процесса вычислить, затем выполнить сложение и вычитание. Метод циклов Карно, если известен масштаб, позволяет по графику цикла оценить работу.

4. Каковы характеристики тепловых двигателей? Следует отметить, что технических характеристик двигателей может быть много: масса и объём двигателя, число цилиндров, степень сжатия смеси в карбюраторных (до 8-9) и дизельных (до 16-18) двигателях, вид топлива и др. Полезно ознакомить школьников с диаграммой распределения энергии на примере одного из тепловых двигателей - карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (рис.127).

5. Важнейший характеристикой двигателей является коэффициент полезного действия. Впервые это понятие вводится в базовом курсе физики, на данном уроке следует повторить определение и придать ему математическую форму. Итак, КПД - это характеристика теплового двигателя, равная отношению энергии, которая затрачена на работу, ко всей энергии, полученной от сгорания топлива. По закону сохранения энергии работа газа равна А= - . Отсюда получаем

=

Вопросы для организации беседы: может ли КПД быть равен единице? Какому началу термодинамики это противоречит? (Ответ. Второму.) Каков КПД указанного теплового кругового процесса (рис.128)? Докажите, что КПД указанных тепловых процессов 1234 и 1256 неодинаков (рис. 129). Докажите, что КПД указанного термодинамического процесса не нулевой (рис.130). Увеличится ли КПд теплового двигателя, если увеличить число цилиндров? Чем отличается

р еальный термодинамический цикл от идеального? (Ответ. Неравновесный процесс; цикл условно замкнутый, так как продукты сгорания обычно выбрасываются во внешнюю среду; КПД всегда меньше КПД соответствующего идеального цикла.)

III. Отработка и углубление изученного материала продолжается при решении задач.

Задача. Собрана установка из электроплитки, высокого химического стакана с водой (рис. 131). Внутри воды находится перевёрнутая пробирка, частично заполненная водой. Предсказать поведение пробирки при нагревании жидкости. Ответ теоретически обосновать, проверить экспериментально.

Методические указания. Рисунок установки изображён на доске, сама установка закрыта экраном, вода предварительно нагрета до 80-90 . По мере нагревания воды нагревается и воздух в пробирке, более того, при кипении в верхнюю часть пробирки попадают всплывающие пузырьки пара. В результате из пробирки вытесняется часть воды - пробирка начинает всплывать. При соприкосновении пробирки с наружным воздухом она немного остывает и вновь погружается в воду. Процесс становится периодическим - имеем модель теплового двигателя. Что здесь является холодильником, нагревателем, рабочим телом? У доски один из школьников с помощью класса изображает принципиальную блок-схему холодильника как тепловой машины (рис. 132). Вопросы: как записать формулу для КПД холодильника? Что является рабочим телом бытового холодильника? (Ответ. Газы фреон, аммиак, и др.) Что в случае холодильника является нагревателем? (Ответ. Продукты в камере.) Можно ли в этом случае утверждать, что нагреватель «не нагревает», а холодильник такую тепловую машину «не охлаждает»? (Ответ. Нагреватель нагревает рабочее тело, сам охлаждается, и, таким образом, полость нагревателя, ограниченная стенками холодильника, охлаждается.)

IV. Домашнее задание: §84 (часть); С., № 704. Индивидуально может быть предложена конструкторская задача по разработке проектов и созданию моделей тепловых двигателей.