57454

Тепловые двигатели

Конспект урока

Педагогика и дидактика

Цели урока: Образовательная: 1 показать необратимость тепловых процессов 2 исследовать возможность создания вечных двигателей на основе 1 и 2 начала термодинамики 3 рассмотрение проблемы энергоресурсов Земли...

Русский

2014-04-12

260.5 KB

6 чел.

                    МОУ Лингвистическая гимназия №3

                        План-конспект                                             Урока-семинара  на  тему: «Тепловые  двигатели»

10 класс ( 2 урока )

                                                           Выполнил: Иванов А.П.

г.Улан-Удэ

                                                           2011 г.

Цели  урока:

Образовательная:1) показать необратимость тепловых процессов,

                             2) исследовать возможность создания «вечных двигателей

  на основе 1 и 2 начала термодинамики,

3) рассмотрение проблемы энергоресурсов Земли,  исполь-

    зование  нетрадиционных источников энергии,

4) тепловые двигатели, история, принцип работы, значение

    для человека и окружающей среды.

Воспитательная: 1) рассмотрение экологических проблем, связанных с ис-

   пользованием тепловых двигателей,

2) умение дисскутировать и отстаивать собственную точку

   зрения.

Задачи урока:1) организация на уроке атмосферы научного дисспута,

    2) работа в группах-«мастерских»,

    3) обсуждение вопросов возможности или невозможности

        создания «вечных двигателей», использования нетради-

        ционных источников энергии,

    4) рассмотрение всех вопросов на основе закона сохране-

        ния энергии.

Демонстрационный (дидактический)  материал:

ПК + мультимедийный проектор,

Программное обеспечение: а) слайды,

б) презентация «история

   тепловых двигателей,

в) ЛОС № 11,

Раздаточные информационные листы,

Модель паровой турбины, ДВС, маятник, скатывание

шарика с наклонной плоскости, запах духов, стакан с

горячей водой + ложечка.

плакаты по данной теме (рисуют учащиеся)

1     

      

Подготовка  к  уроку:

1)Кабинет: а) учащихся надо разделить на две группы оппонентов,

б) разложить заранее на столах информационные листы.

 

Д  о  с  к  а

                         Рис.         Экран

 

2

2) Доска: а) Тема семинара « Необратимые процессы. Тепловые двига-

    тели.

б) Номера разбираемых на уроке теоретических вопросов:

59-Необратимые процессы, второй закон термодинамики.

60-Тепловые двигатели, их виды.

61-Принцип действия тепловых двигателей.

62-КПД тепловых двигателей: реальный, Карно.

63-«Вечный двигатель» второго рода.

в) Съемная доска с заранее сделанным рисунком «Радиевые

     часы»:

3) Подготовка  учащихся: предварительно самостоятельно готовят

сообщения по темам:

а) истощение природных энергетических ресурсов (3-5 минут)

б) история тепловых двигателей (см. презентацию, около 7-10 минут )

в) принцип действия тепловых двигателей (5 минут)

г) охрана окружающей среды (5-7 минут)

д) альтернативные источники энергии, энергия Солнца, ветра, воды и

   т.д. (15-20 минут)

е) ассистент для работы с ПК.   

Все данные учащиеся примут участие в ролевой игре, будут представ-

лять ученых Московского НИИ.

3

План  семинара:

Урок первый: 1) Вступительное слово учителя(3 мин.)

 2) Проблема истощения природных ресурсов(3-5 мин.)

3) Необратимые процессы(5-7 мин.)

4) «Вечные двигатели»(15-20 мин.)

5) Итог

Урок второй:  1) Тепловые двигатели, история, виды(7-10 мин.)

2) Принцип действия тепловых двигателей(5-7 мин.)

3) КПД: реальный, Карно, «Вечный двигатель» второго

   рода(5-7 мин.)

4) ЛОС 11(2-3 мин.)

5) Охрана окружающей среды(5-7 мин.)

6) Альтернативные источники энергии(15-20 мин.)

7) Итог.

Краткое содержание семинара

Урок первый:

  1.  Я рад вас приветствовать на нашем семинаре, посвященном аспекту

энерговыживаемости человечества!

У человечества все меньше и меньше запасов внутренней энергии!

Двигатели машин, тепловые станции, работающие на топливе, газе,  скоро могут остановиться! Ведь запасы и топлива, и газа в природе

постепенно истощаются!   

Так вот мы сегодня вместе с вами обсудим, насколько актуальна эта

проблема- проблема истощения природных топливных ресурсов, какова роль топливных  (или тепловых) двигателей в современном мире и чем их можно заменить.

В нашем обсуждении примут участие гости- ученые Московского НИИ

энергоресурсов Земли и использования нетрадиционных источников

энергии:

           (представление учащихся, включенных в ролевую игру)

При выступлении ученых, необходимо чтобы вы задавали им интере-

сующие вас вопросы.

Так же вы видите на столах информационные листы, предоставленные

нашими гостями. В них кратко изложены все обсуждаемые сегодня

вопросы и к этим листам мы будем периодически обращаться.

4

Вы разделены на две группы и будете участвовать в семинаре, оппонируя

друг другу!

И так начнем! Актуальна ли перед человечеством проблема истощения

природных энергетических ресурсов!

2) (Выступление первого ученого)

3) Вопросы? И так проблема существует! Запасы внутренней энергии в

природе не безграничны! А ведь любому механизму нужна энергия и,

желательно, неограниченная, дешевая и экологически безопасная!

Перед тем как перейти к вопросу, какие механизмы работают на топливе      и газе, давайте вспомним  и уточним понятие «энергия».

А) «Энергия-способность тела совершать работу»

Б) Кинетическая, потенциальная

В) Она может изменяться и передаваться - ЗСЭ

Слайд 1 (М.В.Ломоносов)

Рассмотрим примеры:

Г) Как заставить поршень двигаться в данном направлении?

                                                          Выполняется первое начало

                                                          термодинамики:      

                         Q      A          Q = U + A

            

 +Q

Д) А теперь поиграем в ролевую игру. Пусть одна группа будет оппонен-

тами другой. Обладает ли тело энергией?  Выполняется ли в данных при-

мерах  ЗСЭ?

           Первая  группа                                        Вторая  группа

(Обсуждение модели: скатыва-               (Обсуждение модели: маятник)

ние шарика с накл. поверхности)

Е) Могут ли эти процессы самопроизвольно, как в «кино наоборот»,

протекать в обратном направлении?

(Нет, так же как и любой другой физический процесс: диффузия, тепло-

проводность и т.д. Чтобы совершалась работа, необходимы затраты энер-

гии.

Все данные примеры называются необратимыми.

5

Необратимые процессы: процессы, самопроизвольно протекающие

лишь в одном направлении, в обратном нужны дополнительные затраты

энергии.

Все процессы в природе необратимы.)

Ж) В природе есть направленность передачи энергии. Применительно

к тепловым процессам:

                                                                                                                                                                                                                                                         

  Рудольф  Клаузеус (немецкий ученый) XIX в.

Второе  начало  термодинамики:

Энергия самопроизвольно передается лишь от горячих

тел к холодным.                               

Слайд 2

Итог: в основе действия любого механизма лежит ЗСЭ и второе начало

термодинамики, говорящее о том, что все процессы в природе необрати-

мы. Чтобы механизм совершал работу, необходимы дополнительные

затраты энергии.

4) Не возникает ли у вас интеллектуальное искушение создать механиз-

мы, работающие сами по себе без затрат энергии.

Так называеые «вечные двигатели первого рода».

Лат. «perpetuum  mobile» - вечное движение

На предложенных вам информационных листах есть подобные устрой-

ства. Давайте обсудим их работу:

           Первая  группа                                        Вторая группа

                (Рис. 1, 7)                                                   (Рис. 2, 5)

Слайд 3: шарик скатывается вниз под действием Fтяж.,

вверх движется по инерции и вследствии притяжения

магнита.

Слайд 4: 13 связанных шаров движутся, перетягивая

друг друга.

                                             6

 

                                        

Слайд 5: при опускании шарика затрачивается столько                 же энергии, сколько и на поднятие. Работа совершается           

только за счет первоначального запаса Ек, сообщенного

при пуске.

Слайд 6: подбираем  массу шарика и жесткость

пружины так, чтобы шарик не смог остановиться в

вертикальном положении или склониться в сторону.

Может это и есть вечный двигатель? Но как снять с него полезную работу

и где его применить? Обратимся к истории создания подобных механиз-

мов.

Радиевые часы ( см. рис. на доске ) – радий, испуская электроны, заря-

жает лепестки  А  и В положительным зарядом. Отталкиваясь и касаясь

фольги, они теряют заряд и возвращаются в первоначальное положение.

Происходит колебательное движение с периодом 2-3 минуты.

Недостатки: малая мощность, радий- дорог, редок, небезопасен.

5) Итог: создание «вечных двигателей» первого рода, работающих без

затрат энергии невозможно! Затраты есть везде и всегда! Если где-то

встречаются похожие на «вечные двигатели» механизмы, то они имеют

ничтожно малую мощность и КПД, поэтому использовать их для совер-

шения полезной работы бессмысленно!

Необходимо искать источники энергии дешевой, неисчерпаемой и эколо-

гически безопасной ( энергия ветра, солнца и воды ).

Но об этом мы поговорим позже, а сейчас рассмотрим существующие на

Сегодня механизмы, совершающие полезную для человечества работу!

 

Урок второй: 

  1.  Сейчас в современном мире основную работу выполняют тепловые

двигатели. Это устройства, превращающие энергию пара или топлива

в полезную механическую. Обратимся к истории:

         ( см. презентацию «история тепловых двигателей»)

                                Слайды (7-20)

  1.  Все тепловые двигатели работают по одному и тому же принципу:

7  

Слайд 21:

1) Для того, чтобы двигатель

совершал полезную работу  А′

надо создать разницу  давления

на поршень. Оно создается газом

или паром  (иначе – рабочим 

телом). Газ образуется при сго-

рании топлива (нагреватель) и

он имеет температуру Т1.

Топливо, сгорая, выделяет коли-

чество теплоты Q1, образованный горячий газ, расширяясь совершает ра-

боту – двигает поршень.

2) Однако рабочее тело при расширении не может всю свою внутреннюю

энергию Q1 отдать на совершение работы. Часть энергии неизбежно теря-

ется. Эти потери Q2 необратимо передаются атмосфере (воздуху), корпусу

двигателя, поэтому температура рабочего тела снижается до Т2.

3) Значит А′ рассчитывается как А′= Q1- Q2.

Вопрос: как увеличить А′?

3) Насколько эффективна работа теплового двигателя? Посчитаем!

                                    (на доске делаются расчеты) 

Q1        100%

A′          x               x  =        А′ * 100%

                                                   Q1                Вспомним понятие КПД

  

Формула реального КПД

Всегда η <100%

Дизель: η = 44%

Паровая турбина : η = 62%

Вопрос: а что если η = 100%?

Слайд 22:

Саади Карно (Франция) – вывел формулу, рассчитывающую

макс. КПД, который

теоретически может

иметь данная модель

теплового двигателя.

8

Выводы: 1) всегда η < ηmax,

2) если Т1 = Т2, то двигатель работать не будет, так как необхо-

дима разница температур,

3) не существует двигателя, в котором Q1   A′ ( Q2 = 0 ), «веч-

ного двигателя» второго рода.

4) Сейчас в виде ЛОС 11 мы обобщим все то, что было сказано о тепловых

двигателях.

Слайд 23

5) Наши попытки отыскать механизм, работающий без затрат (потерь)

энергии ни к чему не приводят.

Современные же тепловые двигатели имеют невысокие КПД и к тому же

не являются экологически безопасными. Об этом мы сейчас и поговорим.

      ( Выступление ученого на тему: охрана окружающей среды)

6) Значит научной задачей, может и для кого-то из вас, является создание

и использование нетрадиционных источников энергии.

( Выступление ученого на тему: альтернативные источники энергии)

7) Итог: мы живем в современном, быстро изменяющемся техногенном

мире.

Растет численность населения и возрастают энергозатраты человечества.

50% человечества пьет плохо очищенную воду.

Природа – это кладезь внутренней энергии, но использовать ее надо разумно

и бережно. Примером является раскрытие энергии атома и в результате –

создание разрушительной по своим последствиям атомной бомбы.

Чтобы само себя не уничтожить, еще больше не усугублять драматическую

ситуацию в крупных городах, где в результате работы ДВС автомобилей

человек дышит воздухом с примесями всей таблицы Менделеева, не прев-

ратить реки и моря в сточные канавы и т. д., перед человечеством стоит

вопрос поиска нетрадиционных, альтернативных источников энергии.

Я этот вопрос ставлю и перед вами, может кто-то из вас изменит ситуацию

в мире, реализует мечту использования дешевой, безграничной и экологи-

чески безопасной энергии.

Информационные листы возьмете себе, отксерокопируете и вклеете в

тетрадь.

Резерв: упр.6 стр. 85 (№ 15, 16)

9