Принцип действия тепловых двигателей

 «Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей. Двигатели внутреннего сгорания».

Паспорт урока

Пояснительная записка

Тема урока: «Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей».

               Место урока в программе учебной дисциплины «Физика»: урок раздела «Основы термодинамики», входит в программу 1 курса. Обучающиеся уже изучили первый и второй законы термодинамики, изопроцессы в газах, владеют понятиями: количество теплоты, внутренняя энергия, работа газа. На следующем уроке обучающиеся решают задачи на нахождение КПД теплового двигателя, а для этого необходимо знать принцип работы двигателя.

               Данный урок используется мной в курсе физики для профессии 23.01.03 Автомеханик и специальности 23.02.03 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта (базовая подготовка).

Урок формирует новые знания, дает представление о работе тепловых двигателей, подготавливает к изучению устройства двигателей внутреннего сгорания на специальных дисциплинах, в то же время закрепляется материал при групповой и индивидуальной работе, в конце урока предусмотрен контроль знаний.   

На уроке преобладают продуктивные формы работы, используются кейс-технологии, проблемно - поисковый метод, самостоятельная работа обучающихся в группах. Обучающиеся сами пробуют найти ответы на вопросы, сформулировать выводы. Все понятия и опорные моменты урока сопровождаются слайдами презентации, созданной именно для этого занятия. Большое внимание уделяется умению работать с информацией, а именно извлечению информации из текста и из видеоматериала, анализу полученной информации, что является важным для формирования общих компетенций.

Знания, приобретенные на данном занятии, ориентированы на подготовку к изучению специальных дисциплин, а именно, устройства автомобилей, а значит на формирование профессиональных компетенций.

Мною данный урок проводится не первый год. В ходе контрольных тестов и на контрольной работе обучающиеся, как правило, показывают высокие результаты качества знаний.

Методическая цель урока: связь теоретического обучения с практическим обучением.

Данный урок способствует формированию у обучающихся следующих знаний (нумерация знаний и умений согласно примерной программы учебной дисциплины Физика при профильном обучении ФИРО):

З1 смысл понятий: физическое явление, физическая величина, модель, гипотеза, принцип, коэффициент полезного действия, работа газа;

З2 смысл физических величин: давление, работа, мощность, механическая энергия, внутренняя энергия, абсолютная температура, количество теплоты;

 З 3 смысл физических законов, принципов и постулатов (формулировка, границы применимости): законы сохранения энергии, законы термодинамики, основные положения изучаемых физических теорий и их роль в формировании научного мировоззрения;

З4 вклад российских и зарубежных ученых, оказавших наибольшее влияние на развитие физики;

умений:

У 1 описывать и объяснять результаты наблюдений и экспериментов: нагревание газа при его быстром сжатии и охлаждение при быстром расширении; повышение давления газа при его нагревании в закрытом сосуде;

У 2 приводить примеры опытов, иллюстрирующих, что: наблюдения и эксперимент служат основой для выдвижения гипотез и построения научных теорий; эксперимент позволяет проверить истинность теоретических выводов; физическая теория дает возможность объяснять явления природы и научные факты; физическая теория позволяет предсказывать еще неизвестные явления и их особенности; при объяснении природных явлений используются физические модели; один и тот же природный объект или явление можно исследовать на основе использования разных моделей; законы физики и физические теории имеют свои определенные границы применимости;

У 3 описывать фундаментальные опыты, оказавшие существенное влияние на развитие физики;

У 7 приводить примеры практического применения физических знаний: законов механики, термодинамики;

У 8 воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях СМИ, научно-популярных статьях; использовать новые информационные технологии для поиска, обработки и предъявления информации по физике в компьютерных базах данных и сетях (сети Интернета); использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для:

-  обеспечения безопасности жизнедеятельности в процессе использования транспортных средств, бытовых электроприборов, средств радио- и телекоммуникационной связи;

-           анализа и оценки влияния на организм человека и другие организмы загрязнения окружающей среды;

-           рационального природопользования и защиты окружающей среды;

-           определения собственной позиции по отношению к экологическим проблемам и поведению в природной среде.

Структурный план урока

Ход урока

1. Приветствие, активизация внимания, объявление темы урока, постановка цели и задач урока. Эпиграфом к сегодняшнему уроку я выбрала слова русского писателя Д. Гранина: «Человечество было сформировано не императорами, жрецами, полководцами, а теми, кто создал топор, колесо, самолет, кто нашел злаки, следил за звездами, кто открыл железо, полупроводники и радиоволны». К этим создателям цивилизации можно отнести и создателей тепловых двигателей.

 2. Вступительное слово преподавателя, обсуждение актуальности темы.     Вспомним то, что нам поможет лучше и быстрее понять тему.
Запасы внутренней энергии огромны. Очень важно умело и грамотно использовать ее запасы, содержащиеся в топливе.     Использовать внутреннюю энергию – значит совершить за счет нее полезную работу.

Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, ракеты, тепловозы, паровозы, наземный и водный транспорт.

3. Историческая справка. Прежде чем приступить к изучению новой темы, узнаем немного об истории создания тепловых двигателей.

Первые попытки применить силу давления водяного пара для получения работы – откачивания воды из шахт относятся к началу XVII в. Однако построенные с этой целью машины работали с очень небольшим давлением пара и были малоэффективны.
     В 1690 г. изобретатель парового котла Дени Папен построил первую поршневую машину, которая, хотя и не получила практического применения, явилась прообразом последующих паровых машин. В цилиндре паровой машины потенциальная энергия пара превращается в кинетическую энергию движения поршня.          Первым ДВС, получившим некоторое промышленное применение был двигатель, запатентованный в 1860 г. Французом Ленуаром. Первый ДВС работал на газе. Изобрел его в 1878 г. немецкий механик-самоучка Николай Отто. Позже его коллега, инженер Даймлер, построил двигатель, работавший на бензине. Это был 1885 г.

            В 1878 г. немецкий изобретатель Отто и инженер Ланген построили более совершенный ДВС, имевший КПД 22%. Немецкий инженер Р. Дизель в 1897 г. изобрёл двигатель, в котором сжимали воздух и в момент максимального сжатия в камеру сгорания при помощи форсунки делали впрыск топлива. Далее раскалённые газы перемещали поршень, и происходило преобразование внутренней энергии в механическую.  В современной технике ДВС получили широкое распространение: в энергетике (на маломощных электростанциях), на транспорте – сухопутном, водном, воздушном, в сельском хозяйстве, военном деле.

Поршневыми, турбовинтовыми и турбореактивными двигателями снабжены самолеты и вертолеты. С помощью ракетных двигателей осуществляются запуски искусственных спутников, космических кораблей и станций.

 4. Изучение нового материала. Объяснение преподавателя, сопровождаемое слайдами, демонстрацией макета. Тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии топлива. К ним относятся: паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгора­ния, дизель, паровая машина, реактивный двигатель.

Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепло­вых машин является то, что они изначально увеличивают свою внутрен­нюю энергию за счет сгорания топлива, с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую. Любой газ, который расширяется, совершает положительную работу. Очевидно, что никогда не может произойти эквивалентного преобра­зования внутренней энергии в работу: часть внутренней энергии уходит на нагревание деталей машин, на преодоление трения в узлах, на рассеивание в окружающую среду.

Под коэффициентом полезного действия (КПД) машины понимают отношение работы к той энергии, которая выделилась при полном сгорании топлива. КПД машины обозначается буквой η («эта»).

η= ~ -100%. Так как А < Q, для всех машин η < 100%.

Если проследить историю развития тепловых машин, то следует заме­тить, что постоянное усовершенствование машин в конструкции, в создании новых видов топлива привело к тому, что современные машины имеют дос­таточно высокие значения КПД по сравнению с первоначальными моделями. Для современных паровых турбин КПД достигает 30-40%, для двигателей внутреннего сгорания 30-35%, для дизельных двигателей 35-42%.

В настоящее время наибольшее распространение имеют двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Остановимся на них. Работа двигателя этого типа основана на свойстве газов расширяться при нагревании. Источником теплоты в двигателе является смесь топлива с воздухом (горючая смесь).
              В ДВС топливо сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Поэтому он и называется двигателем внутреннего сгорания.
              Работают они на жидком топливе или горючем газе.
     Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединенный при помощи шатуна с коленчатым валом.
              В верхней части цилиндра имеется два клапана, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через первый клапан (впускной) поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а через второй клапан (выпускной) выпускаются отработавшие газы.
              В цилиндре периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха (температура достигает 1600-1800оС).
              Давление на поршень резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу. При этом они охлаждаются, т.к. часть их внутренней энергии превращается в механическую.
              Ход поршня называют еще тактом. Двигатель, рабочий цикл которого происходит за 4 хода поршня, называется четырехтактным независимо от количества цилиндров.

            Такты двигателя внутреннего сгорания:

- Впуск.

- Сжатие.

- Рабочий ход.

- Выпуск.

1-й такт – впуск. При движении поршня 3 вниз в цилиндре образуется разрежение, под действием которого через открытый впускной клапан 1 в цилиндр из системы питания поступает горючая смесь (смесь топлива с воздухом). Вместе с остаточными газами в цилиндре горючая смесь образует рабочую смесь и занимает полный объем цилиндра;

2-й такт – сжатие. Поршень под действием коленчатого вала и шатуна перемещается вверх. Оба клапана закрыты, и рабочая смесь сжимается до объема камеры сгорания;

3-й такт – рабочий ход, или расширение. В конце такта сжатия между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра.

4-й такт – выпуск. Поршень перемещается вверх, и через открывшийся выпускной клапан 4 выходят наружу из цилиндра отработавшие газы.

     Не во всех двигателях есть свеча для воспламенения рабочей смеси. В дизельных двигателях воспламенение происходит за счет резкого сжатия воздуха в цилиндре.

Двигатель Дизеля 

Немецкий инженер Р. Дизель в 1897 г. изобрёл двигатель, в котором сжимали воздух и в момент максимального сжатия в камеру сгорания при помощи форсунки делали впрыск топлива. Далее раскалённые газы перемещали поршень, и происходило преобразование внутренней энергии в механическую. В двигателе внутреннего сгорания есть карбюратор, при помощи которого образуется горючая смесь (смесь бензина с воздухом). В двигателе Дизеля нет карбюратора.

КПД дизельных двигателей достигает 35 – 44 %, а у двигателя внутреннего сгорания КПД не превышает 25 – 32 %. Дизельные двигатели нашли широкое применение в тракторах, большегрузных машинах, на кораблях, передвижных электростанциях.

Выводы:

- Тепловая машина преобразует внутреннюю энергию пара (газа) в механическую энергию.

- Для работы тепловой машины необходима повторяемость (цикличность) процесса.

- Тепловые машины являются основой механизации производства и быта.

Вопросы для контроля усвоения материала:

1)      Дайте определение теплового двигателя.

Ответ: Машина, в которой внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

2)      Какие превращения энергии происходят в тепловом двигатели?

Внутренняя энергия топлива- энергия газа (пара) механическая энергия.

3)      Что такое КПД?

Ответ: Отношение полезной работы, совершенной двигателем, к количеству

теплоты, полученному от нагревателя.

4)      Почему КПД тепловых машин всегда меньше 100%?

Ответ: Часть энергии идет на нагревание деталей, окружающего воздуха.

5)      Приведите примеры тепловых машин.

Ответ: Паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгорания.

6) Куда попадают отработавшие газы?

Ответ: Через выхлопную систему в атмосферу.

6)      Какие типы двигателя вы знаете?

Ответ: Бензиновые и дизельные

8) В каких единицах измерения выражается объём двигателя?

Ответ: В литрах.

9) В каких единицах ещё может измеряться мощность двигателя?

Ответ: В кВт или лошадиных силах. При этом одна л. с. ≈ 0,74 кВт.

10) Можно ли ружьё считать тепловым двигатель?

Ответ: Да, можно. Так как при выстреле часть тепловой энергии превращается в кинетическую энергию пули.

11) Можно ли двигатель внутреннего сгорания использовать на подводной лодке?

Ответ: Нет, нельзя, так как недостаточно воздуха.

5.      Постановка и решение проблем. Применение кейс-технологий с вовлечением   в ролевую ситуацию.

Формируются 3 группы: «инженеры-конструкторы», «экологи», «автомеханики». Каждой из групп ставится своя проблема. Обучающиеся обсуждают проблемы   и формулируют   выводы.

Итак, перед нами стоит несколько проблем:

1.      Кейс. Реально КПД ДВС = 15 – 40 %. Естественно, возникает вопрос: Почему КПД невысок? Можно ли сконструировать такой двигатель, у которого КПД будет выше? Этим вопросом занимается 1 группа - «инженеры-конструкторы».

2.      Кейс. Все ДВС вызывают загрязнение окружающей среды. Как снизить влияние ДВС на атмосферу? Этой проблемой занимается 2 группа - «экологи».

3.      Кейс. Как повысить КПД уже имеющегося двигателя и снизить выделение вредных веществ в атмосферу. Этой проблемой занимается 3 группа - «автомеханики».

Участники групп пользуются кейс - сопроводителями, которые позволяют использовать необходимую информацию для решения проблемы.

Сопроводитель для первого кейса:

Существуют 3 пути повышения КПД двигателей:

      1) повышение температуры нагревателя;

2) понижение температуры холодильника;

3) уменьшение потерь энергии в частях двигателя.

Сопроводитель для второго кейса:

“Или люди сделают так,

чтобы в воздухе стало
меньше дыма, или дым
сделает так, что на земле
станет меньше людей”. Л. Дж. Баттан.
       При сгорании огромного количества бензина повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли, что приводит к «парниковому эффекту». В результате описанных процессов средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Это грозит глобальным потеплением с нежелательными последствиями, к числу которых относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана. Жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей.

ТАБЛИЦА

       Выбросы сернистого газа и оксидов азота способствует возникновению заболеваний дыхательных путей. Соединения азота неблагоприятно влияет на кровь и кровеносные сосуды. Неорганические соединения свинца нарушают обмен веществ, у детей вызывает умственную отсталость, заболевания мозга. Природный газ дешевле бензина, лучше смешивается с воздухом, поэтому он полнее сгорает, а значит и вредных веществ в отработанных газах меньше.

В последнее время стали использовать в качестве топлива этиловый спирт (этанол), который при сгорании образует только углекислый газ и воду. Наиболее экологически видом топлива является водород. Он не ядовит и при сгорании образует только воду, экологически чистое вещество. Водород – топливо будущего. Используя сельскохозяйственные отходы, канализационные и промышленные стоки, можно получить в виде метана (СН₄). При его сгорании получаются экологически чистые продукты — углекислый газ и вода. Появились первые машины, энергию для движения которых дают фотоэлектрические элементы, преобразующие энергию Солнца. Надеемся, что в скором будущем электромобиль станет главным видом городского транспорта.

3) Важен вывод из городской черты грузовых транзитных потоков, в нашей области это выполняется.

Сопроводитель для третьего кейса:

 Снижению вредных выбросов автомобилей способствует:

Равномерное движение машин на улицах, ликвидация заторов, сокращение задержек транспорта на перекрестках. Большую роль в этом играет светофор. Благодаря светофору автомобили меньше простаивают на перекрестках, вхолостую расходуя горючее и загрязняя воздух отработанными газами.

Предельная скорость движения в городе установлена не 80 и не 50, а 60 км/ч, т.к. при этой скорости происходит минимум вредных выбросов.

Каждый водитель должен знать, что причины “дымления” автомобилей следующие: неисправность двигателя, систем питания и зажигания.

Плохо накаченные шины не только быстрее изнашиваются, но и увеличивают сопротивление движению, а значит, сжигается больше горючего.

Неумелое поведение водителя за рулем: неправильный выбор скорости движения, резкие разгоны и торможения, превышения установленной скорости, увеличение частоты вращения на холостом ходу - все это приводит к загрязнению атмосферы.

6.      Представление результатов работы в группах, общая работа, внесение дополнений, формулировка общих выводов.  

Выводы «инженеров»:

- необходимо совершенствование материалов двигателя, чтобы повышать температуру сгорания топлива и создавать новые виды топлива;

- необходимо создание новых типов двигателя;

Выводы «экологов»:

- необходимо создание новых, альтернативных видов топлива;

-необходимо более широкое использование «гибридов»

- необходимо ввести ограничения на использование автомобилей с превышающими норму выбросами;

Выводы «автомехаников»:

- необходимо своевременное техническое обслуживание автомобиля для снижения выбросов и повышения КПД;

- необходимо устранить городские пробки для снижения загазованности;

- необходимо использование качественных новых видов топлива.

Общие выводы: добиться снижения выбросов в атмосферу и увеличить КПД можно совершенствуя устройство двигателя и внедряя альтернативные виды топлива.

7.      Просмотр видеоролика. Постановка задач.

Обучающиеся смотрят ролик и ищут ответы на вопросы.

- Какие новые двигатели разрабатываются и внедряются на сегодняшний день?

- Какие преимущества и недостатки можно выявить у каждого типа двигателя?

После просмотра проверяются результаты.

8.      Закрепление и контроль знаний (работа по карточкам).

Используются задания: подписать части ДВС, расположить такты двигателя в правильной последовательности. Карточки выполняются по вариантам (1 и 2). После выполнения задания, обучающиеся разных вариантов меняются карточками. В случае нехватки времени, контроль знаний проводится на следующем уроке.

Хочется отметить, что научно-технический прогресс неуклонно совершенствует конструкции, технические характеристики двигателей. Этот процесс продолжится и в дальнейшем. Автомеханикам очень важно знать принципы работы и устройство двигателя, а также способы снижения негативного влияния на окружающую среду. Сегодня вы только начали знакомство с устройством двигателя, которое продолжится в дальнейшем.

Что нового вы узнали на сегодняшнем уроке?

Что осталось для вас непонятным?

Что нужно будет повторить на следующих уроках?

Домашнее задание:

1.      Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

2.      Индивидуальное задание. Подготовка доклада по теме: «Современные ДВС».

Приложение 1

Карточка № 1

Подписать части двигателя внутреннего сгорания, обозначенные цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Ответить на вопросы:

2)      В какой части двигателя происходит сгорание топлива?

3)      Какая часть служит для подачи топлива?

4)      Какая часть двигателя служит для отвода тепла?

5)      Какая часть двигателя приводит в движение поршень

Карточка № 2

Расположить описание процессов такта двигателя в правильной последовательности, используя рисунок.

А) Поршень под действием коленчатого вала и шатуна перемещается вверх. Оба клапана закрыты, и рабочая смесь сжимается до объема камеры сгорания;

Б) При движении поршня 3 вниз в цилиндре образуется разрежение, под действием которого через открытый впускной клапан 1 в цилиндр из системы питания поступает горючая смесь (смесь топлива с воздухом). Вместе с остаточными газами в цилиндре горючая смесь образует рабочую смесь и занимает полный объем цилиндра;

В) Поршень перемещается вверх, и через открывшийся выпускной клапан 4 выходят наружу из цилиндра отработавшие газы.

Г) В конце такта сжатия между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра.