Какова же положительная роль тепловых двигателей?

НИЖНЕКАМСКИЙ НЕФТЕХИМИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ
Преподаватель Зарипова Р.М.
Дисциплина Физика.
Курс 1, группа 3413.
Специальность 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и
производств.
Дата:10.12.2014г.
Тема : Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.
Тип занятия: урок изучения нового материала .
Дидактическая цель
-изучить устройство и принцип действия тепловых
двигателей.
Развивающая цель
-развивать интерес к устройству и принципу
действия тепловых двигателей;
информации, описывающей состояние
окружающей среды.
-развивать аналитические способности студентов.
Воспитательная цель
-содействовать воспитанию экологического
сознания.
Формируемые
компетенции
ОК1.
Понимать
сущность
и
социальную
(общие, значимость своей будущей профессии. проявлять к
профессиональные)
ней устойчивый интерес.
ОК2 . Организовывать собственную деятельность.
Начальные знания,
умения, навыки
- тепловой двигатель,
-виды тепловых двигателей,
-первое начало термодинамики
Знания,
умения, - принципиальная схема теплового двигателя,
навыки, приобретенные
во время урока
Методы обучения
- КПД тепловых двигателей.
Словесные, наглядные, проблемные, методы с
применением
компьютерных
технологий,
самостоятельная работа
Межпредметные связи
предметы
предметы
обеспечивающие
обеспечиваемые
физика
гидравлика, пневматика.
термодинамика,
материаловедение,
охрана труда
Наглядные и
Проектор, ноутбук, колонки, презентация, видео,
технические средства
раздаточный материал
обучения
План занятия:
1. История создания тепловых двигателей.
2. Принципиальная схема теплового двигателя . КПД тепловых двигателей.
3. Положительная роль тепловых машин. Отрицательная роль тепловых
машин.
4. Охрана окружающей среды.
Этапы урока
1. Оргмомент
2. Актуализация
опорных знаний
Деятельность
Деятельность
преподавателя.
студентов
Здравствуйте!
Приветствуют
Кто отсутствует?
Отчёт дежурного
История создания
тепловых двигателей:
-тепловой машины
Выступление студента
-ДВС
Выступление студента
3. Изучение нового
материала.
Вспомним
Смотрят видеофильм.
Как работает Дизельный
двигатель внутреннего
сгорания
Вопрос:
-Сформулировать
первое начало
Отвечают
термодинамики.
Объяснение.
Тепловой двигатель
Записывают в тетради
( определение).
Принципиальная схема
Работают со схемой.
теплового двигателя
Вопросы:
-Какое количество
Отвечают на
теплоты получает
поставленные вопросы
тепловой двигатель при
работе?
-Какое количество
теплоты тепловой
двигатель отдаёт
холодильнику?
- Как определить
совершённую работу?
Объяснение.
КПД
Задача. В процессе
Записывают в тетради
формулу
работы тепловой
машины рабочим телом
Решают задачу:
было получено от
один студент у доски,
нагревателя 1.5*106Дж
остальные за партой
теплоты, передано
холодильнику 1.2*106Дж теплоты.
Вычислить КПД
машины.
Важнейшая техническая
задача КПД сделать
максимально высоким.
Эту задачу решил
французский инженер
Сади Карно.
Идеальная тепловая
машина.
КПД идеальной
тепловой машины.
Работают с графиком
цикла Карно
Задача.
Вычислите КПД
идеальной тепловой
машины, если в
предыдущей задаче
температура
нагревателя 2500С, а
температура
холодильника 300С.
Какова же
Решают задачу: один
студент у доски,
остальные за партой
положительная роль
тепловых двигателей ?
Какова же
отрицательная роль
Выступление студента
тепловых двигателей?
Экология города
Выступление студента
Нижнекамска.
Как же решить
экологические
Выступление студента
проблемы?
что
4. Закрепление
Выступление студента
1. Где мы часто,
даже в быту,
Отвечают на вопросы
встречаемся с
фамилией Уатт?
2. Каких
электростанций в
нашей стране
больше всего?
3.Что является
рабочим телом или
движущей силой
теплового двигателя?
4. Тепловой
двигатель произвел
работу, равную 700
Дж. При сжигании
топлива в нем
выделилось
Решают задачу
количеств о теплоты
3000 Дж. Чему равен
коэффициент
полезного действия
этого двигателя
5. Домашнее задание
В.Ф. Дмитриева
& 2.8 -& 2.12 стр. 665
решить задачи №
9,10 стр.67
Основные источники:
1. Дмитриева В.Ф. Задачи по физике: учеб. пособие. – М., 2013.
2. Дмитриева В.Ф. Физика: учебник. – М., 2013
Интернет-ресурсы:
1. Физика в Открытом колледже
http://www.physics.ru
2. Газета «Физика» Издательского дома «Первое сентября»
http://fiz.1september.ru
3. Коллекция «Естественнонаучные эксперименты»: физика
http://experiment.edu.ru
4. Виртуальный методический кабинет учителя физики и астрономии
http://www.gomulina.orc.ru
5. Задачи по физике с решениями
http://fizzzika.narod.ru
Тема урока: Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.
Дата:10.12.2014г. ( 2 пара) Аудитория 418
Группа: 3413 ( 25 чел)
Специальность 220703 « Автоматизация технологических процессов и
производств»
Тип урока: урок иэучения нового материала.
Цели:
-изучить устройство и принцип действия тепловых двигателей;
--развивать интерес к устройству и принципу действия тепловых двигателей,
информации, описывающей состояние окружающей среды;
-развивать аналитические способности студентов.
-содействовать воспитанию экологического сознания
План
5. История создания тепловых двигателей.
6. Принципиальная схема теплового двигателя . КПД тепловых
двигателей.
7. Положительная роль тепловых машин. Отрицательная роль тепловых
машин.
8. Охрана окружающей среды.
Конспект
Преподаватель:
Слово « экология» вам знакомо: вы часто его слышите, встречаете в газетах,
книгах. В переводе с греческого оно означает « наука о доме, жилище» .
Чтобы жить в нём без страха за своё будущее, за своё здоровье, радоваться
красотам природы, нужно беречь этот дом. иначе можно погибнуть .
Человек-часть природы, и её разрушение грозит ему множеством бед . У
Земли много проблем, и одна из них- тепловые машины, поэтому мы на
уроке рассмотрим историю создания тепловых двигателей, принципиальную
схему теплового двигателя , КПД тепловых двигателей. остановимся на
положительной и отрицательной роли тепловых машин на жизнь человека и
окружающую среду.
А началось всё в 17 веке, когда простое предложение о замене пробирки
поршнем позволило сделать вывод о возможности поставить пар на службу
человеку. В XVII веке наблюдается развитие производств, требующих
совершенствование техники. Был нужен такой источник энергии, который не
был бы «привязан» к одному месту, как энергия падающей воды, не зависел
бы от погоды, как энергия ветра. И такой вид энергии нашли – тепло, а
именно энергия водяного пара. Послушаем сообщение об истории создания
тепловой машины.
Студент:
Французский физик Дени Папен вместе с немецким ученым Бюйгесом
работал с 1682 года над созданием машины, в которой поршень внутри
трубки поднимался бы при помощи взрыва порохового заряда, помещенного
под цилиндром. После длительных экспериментов в 1690 году они нашли
идеально работающее тело – воду.
В1698 году англичанин Томас Севери изобрел паровой насос для откачки
воды из шахт. А в 1705 году, познакомившись с работами Папена, слесарь
Томас Ньюкомен получил патент на изобретенную им тепловую машину.
Она была первой машиной, которая с успехом применялась для подъема
воды из шахт. Однако машина была крайне громоздкой и требовала
огромного количества угля. Поэтому ее можно было использовать только для
откачки воды на шахтах. Понадобилось более 50 лет, прежде чем появился
первый паровой двигатель непрерывного действия. Его создал наш соотечественник Иван Иванович Ползунов (в 1766г.) – русский ученый, механик. В
первом из двух проектов Ползунова была разработана (впервые в мире)
универсальная двухцилиндровая паровая машина непрерывного действия с
рабочим валом, во втором конструкция была переработана и настолько
упрощена применительно к конкретной задаче – приведению выдвижения
воздуходувных мехов плавительных печей. При этом вторая машина была в
10 раз больше и в 15 раз мощнее первой.
По расчётам исследователей, её мощьность состовляла от 32 до 40 л.с.
Второй проект был воплощён самим Ползуновым, отдавшим этой работе все
свои силы. Машина была выполнена целиком из металла (впрвые в мире),
проработала всего два месяца, но даже за этот короткий срок не только
окупила все затраты, но и принесла немалый доход. Была пущена в Барнауле,
с помощьюнеё было расплавлено 9000 пудов серебряной руды.
Создателем универсального парового двигателя, который имел широкое
распро-странение, стал английский механик Джеймс Уатт. Он намеривался,
прежде всего, исключить потерю тепла за счет охлаждения цилиндра. В 1784
году ему пришла идея выводить пар из цилиндра, соединив в надлежащий
момент цилиндр с пустым резервуаром, куда пар сам бы устремлялся. Так
был изобретен конденсатор. Также Уатт внес свою машину такие
усовершенствования, как центробежный регулятор ввода пара, золотник,
паровая рубашка вокруг цилиндра, индикатор давления. Машина была
двойного действия, то есть пар поступал по обе стороны от поршня.
Для расширяющегося машинного производства нужен был и механический
транспорт. И такой появился, в его основе лежал универсальный паровой
двигатель. В 1803 году в Париже на реке Сене американец Р. Фултон
впервые испытал судно, движимой силой пара. А через четыре года по реке
Гудзон уже ходил первый в мире колесный пароход «Клермонт» с
двигателем мощностью 20 л.с.
В 1814 году англичанин Джордж Стеферсон создал паровоз, который двигал
со-став весом 30.5 т со скоростью 6 км/ч. В России отец и сын Черепановы,
крепостные мастера уральского завода, тоже построили паровоз (в 1834
году). Он вез состав весом 32 т со скоростью 13-16 км/ч. В конце 17 века
коренным образом изменился паровой двигатель. Изобретатели решили
использовать не давление пара, а скорость его движения. Так была создана в
1884 году англичанином Парсоном первая многоступенчатая паровая
машина.
Преподаватель:
Разработки Папена, Севери, Ползунова, Уатта и др. привели к тому, что к
концу XVII столетия паровая машина стала универсальным двигателем, и
казалось, замены пару нет.
Представить себе двигатель, работающий не так, как паровая машина, было
трудно. Возникло представление, что любое рабочее тело должно обладать
свойствами пара и попадать в цилиндр в виде однородной массы с
одинаковыми температурой и давлением. Таким рабочим телом могли стать
продукты сгорания.. Послушаем сообщение об истории создания ДВС.
Студент:
Автором одного из самых крупных изобретений является Рудольф Дизель.
По замыслу Дизеля, если воздух сжать до давления не ниже 33-35 атм. и
повысить вследствие этого его температуру до 500-700 °С, то топливо»
вводимое туда, будет воспламеняться от соприкосновения с горячим
воздухом. Но Дизель предлагал не просто постепенное сгорание, он имел в
виду регулируемое сгорание с обеспечением постоянства температуры и
давления. В результате многолетней работы был | создан новый высококачественный двигатель, носящий его имя. Первый же двигатель с
воспламенением впрыскиваемого топлива от сжатия воздуха, построенный
на заводе Нобеля, получил название «дизель», прочно закрепившееся за
двигателями такого типа.
Конструкция дизелей претерпела существенные изменения. В 30-х годах XX
в. появляются мощные авиационные ДВС конструкторов Микулина и
Чаромского. Во время Великой Отечественной войны применялся
авиационный дизель большой мощности АЧ-30 конструкции Чаромского.
Преподаватель:
Двигатели на легком топливе и дизели прочно занимают позиции
практически единственного вида силовой установки для наземного
транспорта и составляют существенную долю среди силовых установок
водного транспорта. Конечно, современные ДВС конструктивно отличаются
от самых первых образцов, но принципы преобразования теплоты в работу
остались неизменными.
Какими бы не были различные паровые машины, ДВС и реактивные
двигатели, работа их сводится к преобразованию внутренней энергии в
механическую энергию, при наличии рабочего тела, нагревателя и
холодильника. Темой прошлого урока был первый закон термодинамики,
который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было
передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении.
И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только
при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом
применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы
извлекаем при использовании тепловых двигателей.
Определение. Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя
энергия топлива преобразуется в механическую работу Тепловыми
двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному
принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по
конструкции
. Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три
составляющие:

Нагреватель

Рабочее тело

Холодильник
Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании
передаёт большое количество теплоты
газу, нагревая тот до больших
температур. Горячий газ, который является рабочим телом, вследствие
повышения температуры, а следовательно, и давления, расширяется,
совершая работу . Конечно же, так как всегда существует теплопередача с
корпусом двигателя, окружающим воздухом и т. д., работа не будет численно
равняться переданной теплоте – часть энергии
уходит на холодильник,
которым, как правило, является окружающая среда.
Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом
цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя
внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был
смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после
каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение
Определение. КПД
(Коэффициент полезного действия) теплового двигателя – отношение
полезной работы, выполненной рабочим телом, к количеству теплоты,
переданной телу от нагревателя.
Если же учесть сохранение энергии: энергия, отошедшая от нагревателя,
никуда не исчезает - часть её отводится в виде работы, остальная часть
приходит на холодильник:
Получаем:
Это выражение для КПД в частях, при необходимости получить значение
КПД в процентах необходимо умножить полученное число на 100. КПД в
системе измерения СИ – безразмерная величина и, как видно из формулы, не
может быть больше одного (или 100 ). Как работает Дизельный двигатель
внутреннего сгорания
Задача. В процессе работы тепловой машины рабочим телом было получено
от нагревателя 1.5*106Дж теплоты, передано холодильнику -1.2*106Дж
теплоты. Вычислить КПД машины.
Следует также сказать, что данное выражение называется реальным КПД или
КПД реальной тепловой машины (теплового двигателя). Если же
предположить, что нам каким-то образом удастся полностью избавиться от
недостатков конструкции двигателя, то мы получим идеальный двигатель, и
его КПД будет вычисляться по формуле КПД идеальной тепловой машины.
Эту формулу получил французский инженер Сади Карно (рис. 5):
То есть КПД идеального двигателя зависит только от температур нагревателя
и холодильника.
Задача.
Вычислите КПД идеальной тепловой машины, если в предыдущей задаче
температура нагревателя 2500С, а температура холодильника 300С.
Какова же положительная роль тепловых двигателей?
Студент:
Огромное значение имели паровые двигатели до середины XX века, так как
были основными на железной дороге. Сегодня там большее распространение
получили дизельные двигатели, то есть ДВС. Мощные паровые турбины
используются и на водном транспорте, и на всех АЭС, где для получения
пара высокой температуры используют энергию атомных ядер. Паровые
турбины установлены и на ТЭЦ, которые вырабатывают более 80% энергии
для страны. Именно паровые турбины приводят в движение роторы
генераторов электрического тока.
Студент:
Преимуществом РД перед паровыми и ДВС является высокий КПД , до 60%.
Следовательно, РД целесообразно устанавливать на авиационном и
космическом транспорте .
На лёгких самолётах используются поршневые двигатели, а на больших
лайнерах устанавливают реактивные двигатели. Это очень выгодно, так как
если реактивный двигатель заменить поршневым такой же мощности, то изза громоздкости и тяжести последнего его будет невозможно установит на
самолёт. Яркий пример применения в авиации реактивных двигателей- «ТУ144» и британский «Кондор».
Для космического транспорта также используют реактивные двигатели. Они
позволяют развить высокую скорость, чтобы многотонный космический
корабль смог преодолеть гравитационные силы Земли и выйти на
околоземную орбиту.
Преподаватель:
Для улучшения своего благосостояния человек изобретает не только
машины. Качественно изменяется химическое воздействие человека на
биосферу вследствие синтеза новых веществ, рассеивания загрязнений на
огромные территории. Многократно превышается выработка тепла за счёт
сжигания горючего.
Учёные , делая открытия, не задумывались об их последствиях для
окружающей среды. На первых порах экосистемы биосферы, благодаря
естественным процессам саморегуляции , в основном справлялись с этими
воздействиями, но по мере возрастания масштабов и темпов
производственной деятельности возможности восстановления экосистем
оказались исчерпаны. Стали наблюдаться заметные изменения в
биологических. химических, физических показателях биосферы.
Какова же отрицательная роль тепловых двигателей?
Студент:
Мы провели анализ негативного воздействия ДВС на окружающую среду.
Один легковой автомобиль ежегодно поглащает из атмосферы больше 4 тонн
O2, выбрасывет с выхлопными газами около 880 кг CO, 40 кг оксида азота,
200 кг различных углеводов.
Автомобидьные выхлопные газы – смесь примерно 200 веществ. В них
содержится углеводороды – не сгоревшие или не полностью сгоревшие
компоненты топлива, среди которых большое место занимает непредельные
углеводороды этиленового ряда, особенно гексен и пентен. Их доля возрастае
в 10 раз, когда двигатель работает на малых оборотах или в момент
увеличения скорости, то есть во время заторов ил у красного сигнала
ветофора.
СO2 и большинство других выбросов тяжелее воздуха , поэтому они
скатывабтся у поверхности земли.
Оксид углерода (l) соединяется с гемоглобином крови и мешает ему нести
кислород в ткани организма.
Оксиды азота играют большую роль в образовании продуктов превращения
угеводородов в атмосферном воздухе.
Студент: «Экология города Нижнекамска»
Город Нижнекамск по праву можно назвать столицей нефтехимиков.
Градообразующими являются крупные предприятия нефтехимической и
нефтеперерабатывающей промышленности: ОАО «Нижнекамскнефтехим»,
ОАО «Нижнекамскшина», ОАО «Нефтеперерабатывающий завод». По
итогам проведенных исследований город Нижнекамск попал в «черный»
список российских городов с экологически неблагополучной обстановкой.
Вопрос о состоянии окружающей среды остается для нижнекамцев
одним из самых актуальных, в городе постоянно растет концентрация
производств нефтехимии, нефтепереработки и энергетики, а вместе с тем
нагрузка на население города и окружающую природную среду
Моя группа проанализировала 8046 проб атмосферного воздуха,
превышения предельно допустимой концентрации были зафиксированы в
229 пробах (2,8%), из них: 72 случая превышения ПДК по двуокиси азота,
141 случай превышения ПДК по формальдегиду, 1 случай превышения ПДК
по сероводороду, 14 случаев превышения ПДК по фенолу, 1 случай
превышения ПДК по оксиду азота. В целом уровень загрязнения
атмосферного воздуха в г. Нижнекамска начиная с 2002 г. высокий.
В процессе работы был проведен контроль за состоянием атмосферного
воздуха на маршрутных точках и автомагистралях. Отбор проб проводился
на определение 16 ингредиентов. Проанализировано 395 проб атмосферного
воздуха. Они превышают допустимый нормативы ПДК.
В контрольной точке жилой зоны города (пр. Вахитова) отмечены
превышения ПДК по диоксиду азота 3,1 ПДК, аммиаку 1,7 ПДК,
формальдегиду 2 ПДК, этенилбензола не выявлено, этилбензола 1,8 ПДК .
В Нижнекамском районе зарегистрировано 59535 единиц
автотранспорта (в государственной собственности – 4870, индивидуальной –
54665), выбросы от которых, в целом по Нижнекамскому району составили
18,456 тысяч т (в 2004 г. – 18,16 тысяч т). Общий валовой выброс
загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников по
Нижнекамскому району в 2005 г. – 89,075 тысяч т (в 2004 г. – 89,001 тысяч т).
Мы пришли к выводу, что главной причиной загрязнения воздуха в
городе являются выбросы промышленных предприятий , отходы производств
и автомобили.
Преподаватель:
Так что же., нам теперь отказаться от всех достижений цивилизации, и вместо того,
чтобы ездить на автомобиле , опять ходить пешком?
Мы живём в то время, когда человек уже осознал, что природе необходимо помочь,
что состояние окружающей среды зависит от нас, от нашего отношения к ней.
Как же решить экологические проблемы?
Какими же транспортными средствами разумно пользоваться в больших городах?
Как наши знания по электричеству могут помочь в решении проблемы?
Как улучшить местную экологическую ситуацию?
Преподаватель:
Наш урок подходит концу. Вывод каждый человек в ответе за состояние земной
природы перед будущим!
Домашнее задание: В.Ф. Дмитриева & 2.8 -& 2.12 стр. 6-65
решить задачи № 9,10 стр.67
.