Игра "Тепловые двигатели".

Тепловые двигатели         “Заседание конструкторского бюро”  деловая игра для учащихся 8а и 8б классов.  Автор учитель физики Любимова О.Н. Задачи:   образовательные: раскрыть физические принципы действия тепловых  двигателей, ознакомить обучающихся с различными видами тепловых  двигателей, с историей их изобретения, показать их применение на  транспорте, в энергетике, в промышленности и сельском хозяйстве.  Показать достоинства и недостатки различных двигателей, пути  повышения КПД, рассмотреть вопросы охраны окружающей среды.   развивающие: организовать процесс познания обучающихся как  самостоятельную деятельность познающего, развивать их умения  работы с дополнительной литературой и ИКТ, коммуникативные  умения: сотрудничество при работе в группе, культуру ведения  дискуссии, презентации результатов.  воспитательные: формировать целостное представление обучающихся  о мире (природе, обществе и самом себе), о роли и месте физики в  системе наук. Подготовительный этап. 1  За неделю до предстоящей игры распределяются роли и ставятся  конкретные задачи. На роль ведущего – начальника конструкторского  бюро – выбирается ученик, обладающий навыками организаторской  деятельности с хорошими коммуникативными способностями.  Учащиеся  делятся на группы – отделы: архивный, отдел научно­  технического обеспечения, изобретательский и создается экспертная  группа. На заседании обязательно должен присутствовать эколог.  Архивариусы готовят исторические справки о создании первых  тепловых двигателей и их изобретателях (Севери, Папен, Ползунов,  Уатт, Ленуар, Отто, Ловаль). Служащие отдела НТО дают информацию  об общих принципах работы тепловых двигателей, изобретательский  отдел характеризует каждый тип двигателя с указанием его достоинств  и недостатков. Эколог поднимает проблему загрязнения окружающей  среды в связи с работой тепловых двигателей и предлагает обсудить  меры по охране природы. Члены экспертной группа внимательно  выслушивают все доклады, задают вопросы и выставляют оценки  выступающим. Обучающиеся готовят доклады, рефераты, презентации  по выбранной теме на свое усмотрение. 1. Организационный момент. Ход игры. Учитель объявляет тему и цель игры, передает слово ведущему и занимает  позицию стороннего наблюдателя. 2. Основная часть Ведущий – начальник конструкторского бюро: развитие энергетики является  одной из важнейших предпосылок научно­технического прогресса. Мощный  расцвет промышленности и транспорта в 19 веке был связан с изобретением и  усовершенствованием тепловых двигателей ­ машин, преобразующих  внутреннюю энергию топлива в механическую. Слово предоставляется... План игры.  1 Первые паровые машины. Изобретатели этих машин. 2 Принцип действия теплового двигателя. 3 КПД теплового двигателя. 2 4 Идеальный тепловой двигатель. Цикл Карно. 5 Двигатели внутреннего сгорания (дизельные, карбюраторные,  инжекторные) 6 Паровые и газовые турбины. 7 Реактивные двигатели. 8 Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. 9 Современные проблемы теплотехники. 1. Работа архивной группы заключается в нахождении и обработке  информации об изобретателях первых тепловых двигателей. Обучающиеся  могут заранее распределить между собой вопросы, и каждый готовит свой  доклад отдельно, либо работают коллективно: одни находят интересный  материал, другие его оформляют в виде презентации, третьи представляют  его на суд экспертной группы. 2. Отдел научно­технической информации освещает 2­4 вопросы, т.е. принцип действия тепловых двигателей, КПД, цикл Карно. В качестве примеров могут быть приведены задачи на расчет КПД и  затронуты вопросы о путях повышения КПД. 3. Изобретательский отдел – инженеры практики – рассказывают о каждом  типе двигателей по плану: устройство, применение, КПД, достоинства и  недостатки.  4. Слово предоставляется экологу. После прочтения реферата и  предоставления презентации делаются общие выводы. При сжигании топлива в атмосферу выделяется углекислый газ, способный  поглощать инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к  повышению ее температуры (парниковый эффект). Углеводороды, вступая в  реакцию с озоном, образуют химические соединения, неблагоприятно  воздействующие на человека, животных и растения. Потребление кислорода  при горении топлива снижает его содержание в атмосфере. Для охраны окружающей среды используют очистные сооружения,  препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, ограничивают  использование тяжелых металлов, добавляемых в топливо, разрабатывают  двигатели, использующие водород в качестве топлива (выхлопные газы  3 состоят из паров воды), создают электромобили и автомобили на солнечных  батареях. 5. Экспертная группа обсуждает работу каждого участника и работу всей  группы (отдела), задает вопросы, участвует в дискуссии, выставляет оценки. Итог игры подводит ведущий – начальник конструкторского бюро. Этим  итогом будет вопрос о современных проблемах теплотехники, размышление  над которым могут послужить для обучающихся к дальнейшему поиску  ответов на различные вопросы физики. Двигатели тепловые ­  серьезные устройства! и имеют в себе очень полезные свойства, приводят в движение они без труда,  автомобили, ракеты, морские суда,  даже тепловоз по рельсам бежит от того,  что дизельный двигатель толкает его, Преобразуют энергию в механическую работу И требуют для себя, конечно заботу, Прежде чем двигатель будет дымить Необходимо его, кое­чем  накормить Едят они бензин, солярку, и газ В общем, для каждого индивидуальный заказ! Даже свет в наших окнах – это их заслуга Помочь в освещении, нет лучшего друга Электростанции турбинами оснащают,  которые с легкостью ротор вращают, Генератор вырабатывает электрический ток,  который в последствии к нам в квартиры идет. Евгений Мартынов Жюри 4 Приложения. Первые паровые машины. Изобретатели этих машин. Еще в 16 веке некоторые ученые, как, например, Кардан и Порта,  рассматривали силу расширения водяного пара. Порта даже придумал  приспособление для подъема водяного столба, где использовалось  разряжение, образующееся при конденсации водяного пара. В 1629 г.  Джованни Бранка (1571­1640) задумал переделать эолипил Герона в  настоящую паровую турбину. Но проект так и не был осуществлен. Дени Папен (1647­1714), работавший в 1682 г. вместе с Гюйгенсом над  созданием машины, в которой поршень внутри трубы подымался при помощи  взрыва порохового заряда, помещаемого под цилиндром, в 1690 г. решил  заменить пороховой заряд водой, выпариваемой с помощью нагрева. В  процессе этих исследований он обнаружил увеличение температуры кипения  воды с ростом давления. Во избежание возможного взрыва котла из­за  слишком большого давления он применил изобретенный им  предохранительный клапан. 5 Англичанин Эдуард Сомерсет (1601­1667) изобрел тепловую машину для  подъема воды; это изобретение повторил позднее, в 1698 г., Томас Сэвери  (1650­1715). В 1705 г. слесарь Томас Ньюкомен (1670­1730) получил патент  на тепловую машину – первую машину, которая с успехом применялась для  подъема воды. В машине Ньюкомена получаемый в котле пар поступал через  клапан в цилиндр и поднимал в нем поршень, затем клапан закрывался, и пар  конденсировался при охлаждении цилиндра водой. При этом поршень  опускался вниз под действием атмосферного давления. Движение поршня  через балансир передавалось насосу. Эта весьма несовершенная машина  применялась десятилетиями, потребляя огромное количество тепла, главным  образом из­за необходимости охлаждения цилиндра струями воды после  каждого подъема поршня. Детальное изучение паровой машины предпринял Джемс Уатт (1736­1819). Он намеревался прежде всего исключить потерю тепла за счет охлаждения  цилиндра. В 1765 г. ему пришла идея выводить пар из цилиндра, соединив его  с пустым резервуаром, куда пар сам бы устремился. Так был изобретен третий элемент тепловой машины – конденсатор. Воодушевленный первым успехом, Уатт продолжал вносить в машину  дальнейшие усовершенствования: он переделал ее в машину двойного  действия (т.е. пар поступал по обе стороны от поршня), ввел центробежный  регулятор ввода пара, золотник, паровую рубашку вокруг цилиндра,  индикатор давления. Все это – элементы современного теплового двигателя,  так что можно считать, что Уатт не усовершенствовал, а фактически изобрел  паровую машину.  Совершая краткий экскурс в историю создания паровых машин, нельзя пройти мимо личности нашего выдающегося соотечественника Ивана Ивановича  Ползунова (1729­1766), построившего пароатмосферную машину раньше, чем  это сделал Джеймс Уатт. Будучи механиком Колывано­Воскресенских  горнорудных заводов на Алтае, он предложил 25 апреля 1763 года проект и  описание “огнедействующей машины”. Проект попал на стол к начальнику  заводов, который одобрил его и отослал в Петербург, откуда вскоре пришел  ответ: “...Сей его вымысл за новое изобретение почесть должно”. Ползунов  предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы  выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении.  Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину для мощной воздуходувки. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к  строительству машины, в 15 раз более мощной по сравнению с проектом 1763  г.  6 Двигатель Ползунова коренным образом отличался от английских машин  Сэйвери и Ньюкомена. Те были одноцилиндровые и пригодны лишь для  откачки воды из шахт. Двухцилиндровый двигатель непрерывного действия  Ползунова мог подавать дутье в печи и откачивать воду. В дальнейшем  изобретатель рассчитывал приспособить его и для других нужд. Постройку машины поручили Ползунову, в помощь которому были выделены  “не знающие, но только одну склонность к тому имеющие из здешних  мастеровых двое”, да еще несколько подсобных рабочих. С этим “штатом”  Ползунов приступил к постройке своей машины. Строилась она год и девять  месяцев. Когда машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел  скоротечной чахоткой и 16 (28) мая 1766 г., за несколько дней до  завершающих испытаний, умер. 23 мая 1766 г. ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к  последним испытаниям паровой машины. В “Дневной записке” от 4 июля было отмечено “исправное машинное действие”, а 7 августа 1766 г. вся установка,  паровая машина и мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию. Всего за  три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её  постройку, но и дала прибыль. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у  машины перегорел котел, она простояла без действия более 15 лет и в 1782 г.  машина была разобрана.  Французский физик и инженер Карно Никола Леонард Сади (1796­1832)  один из создателей термодинамики. Родился в Париже. Окончил  Политехническую школу (1814). В 1814­1819 и 1826­1827 находился на  военной службе в качестве инженера. В 1824 г. опубликовал сочинение “ Размышления о движущей силе огня и о  машинах, способных развить эту силу”, в котором, исходя из невозможности  создания вечного двигателя, впервые показал, что полезную работу можно  получить лишь в случае, когда тепло переходит от нагретого тела к более  холодному (второе начало термодинамики). Только разность температур  нагревателя и холодильника обусловливает отдачу (КПД) тепловой машины,  природа же рабочего тела не играет никакой роли (теорема Карно). Труд  Карно получил широкую известность в 1834году. Ввел понятия кругового и обратимого процессов, идеального цикла тепловых  машин, заложил тем самым основы их теории. Показал преимущество  применения в паровых машинах пара высокого давления и его многократного  расширения, сформулировал принцип работы газовых тепловых машин.  Пришел к понятию механического эквивалента теплоты. 7 Типы двигателей внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания классифицируют:     ­ по назначению: транспортные, стационарные и специальные; ­ по виду топлива: легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие  (дизельное топливо, мазут); ­ по способу образования горючей смеси: внешнее (карбюратор,  инжектор) и внутреннее (в цилиндре ДВС); ­ по способу воспламенения: с принудительным зажиганием, с  воспламенением от сжатия, калоризаторные. Бензиновые карбюраторные двигатели – класс двигателей, в цилиндрах  которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается  электрической искрой. Управление мощностью производится регулированием потока воздуха посредством дроссельной заслонки. Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, а затем поджигается с помощью искры,  проскакивающей между электродами свечи. В Бензиновых инжекторных двигателях смесеобразование происходит  путем впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в  цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). В механической  системе впрыска дозация осуществляется плунжерно­рычажным механизмом  с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных  системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного  блока. Достоинства инжекторных двигателй по сравнению с карбюраторными:   уменьшение расхода топлива.  упрощение запуска двигателя  увеличение мощности  не требует ручной регулировки системы впрыска  уменьшает выброс несгоревших углеводородов, повышает  экологичность. Недостатки:   высокая стоимость узлов  низкая ремонтопригодность элементов  высокие требования к фракционному составу топлива  высокая стоимость ремонта  зависимость от электропитания 8 Историческая справка. Первый мотор с системой впрыска был изготовлен в России в 1916 году  Микулиным и Стечкиным. К 1936 году на фирме “Роберт Бош” были готовы  первые комплекты аппаратуры, которой были оснащены истребители  Люфтваффе. Авиационные двигатели Англии, США и СССР в те времена  были карбюраторными. Лишь к 1940 году Советский Союз закупил образцы  новейших германских авиационных двигателей с впрыском. Серийное  производство таких двигателей началось лишь к середине 1942 года. Мотор со впрыском АШ­82ФН оказался удачным, использовался на вертолетах МИ­4 и  до сих пор используется на самолетах ИЛ­14.  В автомобилестроении такие системы применяются с 1951 года. В 1954 году  появился легендарный Мерседес – Бенц (“Крыло чайки”). Массовым  внедрением занялись все ведущие мировые автопроизводители только с конца  70­х годов. К концу первого десятилетия 21 века инжекторные системы  практически вытеснили карбюраторы на легковых автомобилях. В дизельных двигателях воспламенение топлива осуществляется без свечи  зажигания. В разогретый от сжатия воздух через форсунку впрыскивается  топливо, происходит его распыление, вокруг отдельных капель возникают  очаги сгорания. Дизельный двигатель не подвержен детонации, поэтому в нем  допускается высокая степень сжатия (26), КПД может превышать 50%  (судовые двигатели). Дизельные двигатели менее быстроходны,  характеризуются большим крутящим моментом на валу, работают на тяжелом топливе (солярка, мазут). Недостатки: требуют повышенной прочности  конструкции, увеличения габаритов, веса, увеличения стоимости;  характеризуются выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота  в выхлопных газах. Для газовых двигателей топливом являются углеводороды, находящиеся в  газообразном состоянии при нормальных условиях (пропан­бутан или  природный газ – метан). Смеси сжиженных газов хранятся в баллоне под  давлением до 16 атмосфер и всасываются двигателем через воздушно –  газовый смеситель. Зажигание осуществляется при помощи искры. Сжатые  природные газы хранятся в баллонах под давлением 150­200 атм.  Генераторный газ получают, превращая твердое топливо (уголь, торф,  древесину) в газ. Газогенераторные автомобили получили широкое  распространение в 30­40 годы 20 века в связи с нехваткой бензина. Газодизельные – разновидность газовых двигателей, в которых топливо (газ)  зажигается не свечой, а запальной порцией дизельного топлива,  впрыскиваемого в цилиндр. 9 Роторно­поршневой двигатель был предложен изобретателем Ванкелем в  начале 20 века. Основа двигателя – треугольный ротор (поршень),  вращающийся в камере особой 8­образной формы, исполняющий функции  поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет  осуществлять любой 4­тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без  применения специального механизма газораспределения. За один оборот  двигатель выполняет 3 полных рабочих цикла, что эквивалентно работе 6­ цилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в  Германии, ВАЗом в СССР, в настоящее время строится только Маздой. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания представляет собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор). Примером является поршневой двигатель с газотурбинным наддувом. Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер,  профессор А.Н. Шелест. В игре используются презентации учащихся и кинофрагменты. 10