5. Итог урока.

• Что нового вы узнали на этом уроке?

• На следующем уроке мы будем изучать принцип действия тепловых машин. Вы можете подготовить рефераты об изобретении, видах и применении тепловых машин, холодильных машин, об экологических проблемах использования тепловых двигателей.

• Домашнее задание. §34, Упражнение 11 (4), 12 (1). С.У.Гончаренко. Физика 10.

Урок 5. Тепловые машины. Холодильные машины.

Цели урока.

1. Ознакомить учащихся с принципом действия тепловых машин.

2. Сформировать понятие о коэффициенте полезного действия идеальной и реальной тепловой машины.

3. Ознакомить учащихся с некоторыми видами тепловых машин и холодильных машин.

4. Развивать умение решать физические задачи.

Оборудование.

• Слайды с обобщающими таблицами и задачами.

• Модели тепловых двигателей.

• Дидактические материалы по физике А.А.Фадеева, I том.

Основные этапы урока.

1. Организационная часть. 3 мин.

2. Актуализация знаний. 10 мин.

3. Изучение нового материала. 20 мин.

4. Закрепление новых знаний. 10 мин.

5. Итог урока. 2 мин.

1. Организационная часть.

• Постановка целей и задач урока.

• Сбор рефератов.

2. Актуализация знаний.

• Письменный опрос по опросному листу (2 – 15 вопросы).

1 вариант – вопросы 4, 6, 8, 10, 14.

2 вариант – вопросы 5, 7, 9, 12, 15.

3.Изучение нового материала.

• Тепловые машины.

Промышленная революция произошла потому, что люди научились получать работу из тепла. Тепловые машины вращают большинство генераторов на электростанциях и приводят в движение многие транспортные средства.

Тепловые машины – это устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Существует много различных видов тепловых машин ( тепловых двигателей). Это двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивные двигатели. Особое место среди термодинамических устройств занимают холодильные машины (обратные тепловые машины – рефрижераторы),. В них как правило происходит преобразование электроэнергии во внутреннюю энергию системы и в работу по сжатию или расширению рабочего тела (так называют вещество, которое является носителем внутренней энергии). Рабочим телом в тепловых двигателях внутреннего сгорания является топливно-воздушная смесь, в паровых турбинах водяной пар, в холодильных машинах (рефрижераторах) специальный хладагент, теплофизические свойства которого зависят от химического состава смеси.

• Принцип действия тепловых машин.

Рассмотрим устройство простейшей тепловой машины и выясним, насколько эффективным может быть её действие.

В принципе каждый тепловой двигатель состоит из трех частей: нагревателя, холодильника (возможно, окружающей среды) и рабочего тела, способного расширяться и сжиматься. Обычно роль рабочего тела выполняет пар или газ, заключенные в сосуд с поршнем. Техническая задача состоит в том, чтобы дать возможность рабочему телу попеременно входить в соприкосновение с нагревателем и холодильником.

При соприкосновении с нагревателем рабочее тело расширяется и совершает работу. Соприкосновение с холодильником заставляет рабочее тело сжиматься и цикл может начаться снова: поршень возвращается в прежнее положение. Таким образом, механическая работа получается за счёт теплоотдачи нагревателя. Вопрос в том, всё ли получаемое рабочим телом тепло превращается в полезную работу? При каких условиях за счет внутренней энергии может быть совершена максимальная работа? Для ответа на этот вопрос вспомним следствия первого закона термодинамики для четырех термодинамических процессов.

Процесс	Постоянный параметр	Работа газа, Аг	Количество теплоты, Q	Изменение внутренней энергии, ΔU
Изотермический	T = const	Аг = Q	Q = Аг	ΔU = 0
Изохорический	V = const	Аг = 0	Q =cVm ΔT	ΔU = Q
Изобарический	p = const.	Aг = p ΔV	Q = cpm ΔT	ΔU = Q – Аг
Адиабатный	Q = 0	Aг = - ΔU	Q = 0	ΔU= - Aг

Из таблицы видно, что максимальная работа будет совершаться при таких процессах, в которых исключен контакт горячего тела с холодным, так как при таком контакте происходит теплопередача без совершения работы. Такими процессами могут быть изотермический и адиабатный. В изотермическом процессе расширение газа происходит при постоянной температуре, а во втором – газ расширяется без теплообмена с окружающей средой. Полное использование внутренней энергии для совершения работы возможно лишь при однократном расширении газа, которое прекратится, как только давление газа станет равным внешнему давлению. Для того, чтобы вновь могла быть совершена работа расширения газа, поршень должен быть снова переведен в исходное положение. Чтобы вернуть поршень в исходное положение, газ необходимо сжать до первоначального объёма. При этом внешняя сила должна совершить работу сжатия. Но если сжатие газа будет происходить при той же температуре(то есть, по той же изотерме), то работа внешней силы окажется равной работе расширения газа, а полезная работа за цикл окажется равной нулю. Отсюда следует вывод: сжатие должно происходить при более низкой температуре.

Q₁

Т₁

A

Т₂

Q₂

Как понизить температуру газа перед сжатием? Очевидно , для этого нужно использовать адиабатный процесс, при котором не происходит передачи тепла от рабочего тела к телам, имеющим более низкую температуру.

После изотермического расширения при температуре нагревателя Т₁ газ продолжает расширяться адиабатически до температуры Т₂. Затем должна быть совершена работа изотермического сжатия при более низкой температуре Т₂. Для этого нужен термостат, имеющий температуру Т₂. Им может быть окружающая среда или специальное устройство – холодильник.

Изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объёма. В результате газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты, равное совершаемой над газом работе сжатия. Далее газ сжимают адиабатически до начальног объёма так, чтобы его температура вновь повысилась до Т₁. Теперь газ полностью вернулся в первоначальное состояние. Полная работа за цикл не равна нулю. Такую идеальную тепловую машину придумал французский инженер Сади Карно. В ней рабочим телом является идеальный газ.

Итак, получив при расширении от нагревателя с температурой Т₁ некоторое количество теплоты Q₁ , газ непременно отдаёт при сжатии количество теплоты Q₂, холодильнику с более низкой температурой Т₂. Значит в полезную работу преобразуется только часть количества теплоты Q₁, полученной от нагревателя, равная А = Q₁ – Q₂.

Q1 А = Q1 – Q2 Q2

• Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия тепловой машины равен отношению полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Для идеального теплового двигателя

Не следует путать тепловой КПД с экономическим КПД

Повысить тепловой КПД можно, увеличивая разность Т₁-Т₂ . Этого можно достичь, либо уменьшая температуру холодильника, либо повышая температуру нагревателя, либо делая и то, и другое одновременно. Заметим, что температура холодильника не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Поэтому увеличить КПД можно только повышая температуру нагревателя. Однако и тут возникают ограничения. Например, температура нагревателя не может превышать температуру плавления материалов, из которых изготовлен двигатель. Так тепловой максимальный КПД цикла Карно не может превышать 80 %. Реальные тепловые двигатели имеют значительно меньший КПД, так как в них неизбежно сказываются дополнительные потери энергии на трение и теплообмен с окружающими телами. Например у ДВС η около 20%, у дизельных двигателей около 40%. Повышение реального КПД тепловых машин – одна из важнейших технических задач.

• Принцип действия холодильной машины.

Холодильной машиной называют циклически действующее устройство, которое поддерживает в холодильной камере температуру более низкую, чем в окружающей среде. Это осуществляется путём перехода некоторого количества теплоты от холодного тела к телу с более высокой температурой. Схема преобразования энергии в холодильной установке показана на рисунке.

Q₁

А = Q₁ – Q₂ – работа электрического тока

Q₂

При изотермическом расширении, происходящем при температуре холодильной камеры Т₂, рабочее тело совершает работу и отбирает при этом у холодильной камеры количество теплоты Q₂. При изотермическом сжатии рабочего тела, которое происходит при более высокой температуре Т₁ нагревателя (атмосферы), последнему передается количество теплоты Q₁ . Это происходит за счет работы внешних сил.

Рабочим телом в холодильной установке служат обычно пары легкокипящих жидкостей – аммиака, фреона и т.д. Энергия подводится к установке от электрической сети. За счет этой энергии происходит передача теплоты от холодильной камеры к более нагретому телу – окружающей среде. Таким образом, нагревателю передается большее количество теплоты, чем отбирается от холодильной камеры: Q₁ =А + Q₂. Следовательно, температура холодильной камеры Т2 ещё больше понижается, а температура нагревателя Т₁ ещё более повышается. Эффективность холодильной машины характеризуется отношением количества теплоты Q₂, отнятого от холодильной камеры, к работе внешних сил.

Этот коэффициент может быть больше 1. Он зависит от разницы температур нагревателя и холодильной камеры.

Холодильную машину можно использовать как кондиционер для охлаждения воздуха в помещении, обратив холодильную камеру в комнату, а горячие трубки к наружному воздуху.

Холодильную машину можно использовать как тепловой насос для обогрева помещений, обратив холодильную камеру к наружному воздуху, а горячие трубки в помещение.

• Экологические проблемы использования тепловых двигателей.

Сегодня, когда тепловые машины используются широко и повсеместно, «тепловое загрязнение» стало серьезной проблемой для человечества.

1. При сжигании топлива расходуется атмосферный кислород.

2. Образуется много вредных веществ, загрязняющих атмосферу.

3. Увеличивается концентрация углекислого газа в атмосфере, что приводит к «парниковому эффекту».

Чтобы уменьшить негативные последствия работы тепловых двигателей, действуют по двум направлениям.

1. Совершенствуют эти двигатели, повышая их КПД и уменьшая выбросы вредных веществ.

2. Используют энергосберегающие технологии, развитие которых особенно подтолкнул энергетический кризис.