Работа тепловых двигателей

Какв тепловых двигателях происходит преобразование внутренней энергии в механическую?

С тепловыми двигателями учащихся знакомят впервые в VIII классе, когда рассматривают общий принцип работы тепловых двигателей (совершение полезной работы за счет внутренней энергии рабочего тела), изучают двигатель внутреннего сгорания и паровую турбину, а также вводят понятие о КПД тепловых двигателей. Основное внимание уделяют конструкции и принципам работы названных выше двигателей. В курсе X класса рассматривают энергетические процессы, происходящие при работе тепловых двигателей.

При изучении нового материала повторяют то, что уже известно учащимся, в частности понятие теплового двигателя как такого устройства, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую. Тепловой двигатель совершает полезную работу за счет внутренней энергии при переходе тепла от более горячего тела к более холодному. Делают вывод: любой тепловой двигатель имеет три части: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Рабочее тело (им может быть пар, газ или специальная смесь) получает некоторое количество теплоты ( ) от нагревателя и расширяется. При расширении рабочее тело совершает работу. При сжатии рабочее тело отдает количество теплоты ( ) холодильнику. Температуру холодильника и нагревателя поддерживают постоянной, при этом температура нагревателя всегда выше температуры холодильника ( ). Это следует из того, что двигатель совершает полезную работу только в том случае, когда работа расширения больше работы сжатия, а она больше тогда, когда расширение происходит при более высокой температуре, чем сжатие.

Рисунок 6. – Цикл Карно

Необходимо подвести школьников к пониманию того, что, двигатель должен работать циклично. После этого целесообразно рассмотреть принцип работы идеальной тепловой машины Карно, рабочим телом в которой является идеальный газ. При расширении газа во время его контакта с нагревателем температуру поддерживают постоянной, во время сжатия и контакта с холодильником температура также постоянна, следовательно, расширение и сжатие происходят изотермически (на рисунке 6 соответственно изотермы 1 – 2и 3 – 4). Но если температура расширения больше температуры сжатия, то необходимо произвести процессы, при которых температура меняется от до , а затем от до . В принципе это осуществимо при изобарном, изохорном или адиабатном процессах. Наиболее целесообразным является адиабатный процесс (процесс, происходящий без теплообмена), так как именно это условие является условием максимальной работы (на рисунке 6 2 – 3и 4 – 1– адиабаты). Полезная работа численно равна площади заштрихованной фигуры.

Важным является вопрос о коэффициенте полезного действия. Как известно, КПД – это отношение полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Задача повышения КПД – одна из основных технических задач. Она связана прежде всего с созданием материалов, имеющих достаточную прочность при высоких температурах. В настоящее время температурные границы рабочего тела составляют 303 – 853 К. КПД идеальной машины, работающей по циклу Карно, при таких значениях температур составляет 65%. Однако с учетом потерь КПД примерно равен 40%. Необходимо, чтобы десятиклассники поняли принципиальное отличие решения задачи повышения КПД тепловых двигателей от решения этой же задачи применительно к механическим и электрическим двигателям. КПД последних стремятся приблизить к 100%, а КПД тепловых двигателей к КПД идеальной машины Карно, работающей при тех же температурах холодильника и нагревателя. Поэтому повышение КПД тепловых двигателей связано с повышением температуры нагревателя и понижением температуры холодильника.

В заключение изучения рассматриваемой темы обращают внимание учащихся на значение развития теплоэнергетики для народного хозяйства, в частности рассказывают о той экономии, которую дает стране развитие теплоэлектроцентралей.

КАЛЕНДАРНО-ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ УЧЕБНОГО ПЛАНА ТЕМЫ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ» НА ОСНОВЕ ПРОБЛЕМНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ

№п/п	Тема урока	Тип урока	Актуализация знаний	Элементы содержания	Демонстрации (приборы и материалы)	Колчас	д/з
	Термодинамическая система. Термодинамическое равновесие. Внутренняя энергия. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа.	Урок изучения нового материала	Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии.	Тепловое движение молекул. Закон термодинамики. Порядок и хаос.	«Внутренняя энергия».		§9
	Работа в термодинамике. Количество теплоты.	Комбинированный Урок	Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии.	Количество теплоты, удельная теплоемкость. Физические условия на Земле, обеспечивающие существование жизни человека.	«Теплоемко-сть».		§10
	Решение задач по теме «Работа в термодинамике . Количество теплоты»	Урок решения задач
	Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам в идеальном газе. Адиабатный процесс	Урок изучения нового материала	Тепловое движение молекул. Закон термодинамики. Порядок и хаос.	Первый закон термодинамики. Необратимость процессов в природе.	Законы термодинамики		§11
	Решение задач по теме «Первый закон термодинамики»	Урок решения задач
	Решение графических задач по теме «Первый закон термодинамики»	Урок решения задач
	Тепловые двигатели. Коэффициент полезного действия. ДВС	Комбинированный урок	Тепловые двигатели.	Принципы действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей. Рациональное природопользование и защита окружающей среды	«Четырехтактный ДВС», «Компрессионный холодильник»		§12
	Решение задач по теме «КПД тепловых двигателей».	Урок решения задач
	Обобщение и систематизация знаний по теме «Основы термодинамики»	Обобщение и систематизация знаний
	Контрольная работа № 2 «Основы термодинамики»	Урок контроля		Выполнение К.Р.

Организация отдельных уроков по теме «Основы термодинамики»

(10 класс)

Тема урока: «Термодинамическая система. Термодинамическое равновесие. Внутренняя энергия. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа»

Ведущая идея урока:Термодинамика – раздел физики, изучающий возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Изменение внутренней энергии всегда происходит за счет энергии других тел: при теплопередаче – за счет изменения внутренней энергии; при совершении работы – за счет механической энергии.

Задачи:

1. Образовательная–обеспечить формирование понятия «термодинамика», «внутренняя энергия»; усвоение формулы для расчета внутренней энергии идеального газа.

2. Развивающая – развитие способов мыслительной деятельности (анализ, сравнение, обобщение), развитие речи (владение физическими понятиями, терминами), развитие познавательного интереса учащихся.

3. Воспитательная – формирование научного мировоззрения, воспитание устойчивого интереса к предмету, положительного отношения к знаниям.

Тип урока: изучение нового материала.

План урока:

Организационный момент 1 мин

Изучение нового материала 30 мин

Закрепление изученного материала 10 мин

Итоги урока 3 мин

Задание на дом 1 мин