Будова та принцип дії теплових двигунів

Мета.

Освітня. Ознайомити учнів з деякими видами теплових двигунів: паровою машиною та двигуном внутрішнього згоряння. Вивчити їх будову та принцип дії.

Розвиваюча. Розвивати кругозір учнів, вміння проведення аналізу фізичного процесу.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення та спілкування.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 8 клас, Бар'яхтар В. Г. Довгий С. О., видавництво "Ранок"  <<Читати онлайн>>
• Демонстрація. Принцип дії парової гармати (штатив з муфтою і лапкою, колба з невеликою кількістю води закрита гумовою пробкою, спиртівка, сірники, нитка)
• Відео. Принцип дії парової гармати (Час показу 2:16 хв)
• Відео. Будова та принцип дії теплових двигунів. (Час показу 6:22 хв)
• Демонстрація. Будова і принцип дії ДВЗ (модель ДВЗ)
• Відео. Робота двигуна внутрішнього згорання (Час показу 1:42 хв)
• Демонстрація. Будова та принцип дії парової турбіни (колба з водою закрита гумовою пробкою з вивідною трубкою, спиртівка, штатив з муфтою і кільцем, пропелер на підставці, турбіна Пельтона)
• Демонстрація. Принцип дії парового двигуна (модель парового двигуна)

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Будова та принцип дії теплових двигунів.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

Самостійна робота: “Згоряння палива. ККД нагрівника”.

2. Будова та принцип дії теплових двигунів.

Теплові машини. Більш ніж дві тисячі років тому, в III ст. до н. є., видатний грецький математик і механік Архімед побудував гармату, що стріляла за допомогою пари. Малюнок гармати Архімеда та її опис були знайдені через вісімнадцять століть у рукописах великого італійського вченого, інженера й художника Леонардо да Вінчі.

Мал. Парова гармата.

Як же стріляла ця гармата? Один кінець ствола сильно на­грівали на вогні. Потім у нагріту частину ствола наливали воду. Вода миттєво випаровувалася й перетворювалася на пару. Пара, розширюючись, із силою викидала ядро.

Відео. Принцип дії парової гармати (Час показу 2:16 хв)

Будь-яка теплова машина складається з трьох основних частин: нагрівника, робочого тіла, холодильника.

Газ, який виконує роботу в процесі свого розширення, називають робочим тілом.

Пристрій, від якого робоче тіло одержує певну кількість теплоти, називають нагрівником.

Об’єкт, якому робоче тіло віддає певну кількість теплоти називають холодильником.

Тепловий двигун - це машина, яка працює циклічно й перетворює енергію палива на механічну роботу:

Q1=A+Q2,

де Q1 - енергія палива нагрівника, A - робота, яку виконує робоче тіло, Q2 - нагрівання холодильника (втрати тепла в довкілля).

До теплових двигунів належать: 

• паровий двигун;
• парова турбіна;
• двигун внутрішнього згоряння (карбюраторний, дизельний);
• реактив­ний двигун.

В усіх цих двигунах внутрішня енергія палива спочатку переходить у внутрішню енергію газу або пари. Розширюючись, газ виконує роботу й при цьому охолоджується — частина його внутрішньої енергії перетворюється на механічну енергію.

Двигун внутрішнього згоряння. Двигун внутрішнього згоряння — теплова машина, в якій хімічна енергія палива, що згоряє в робочій зоні, перетворюється в механічну роботу. 

Перший поршневий ДВЗ був створений у 1860 році французьким інженером Е. Ленуаром. Перевага такого двигуна над іншими тепловими двигунами полягає в тому, що він має порівняно малі розміри та масу. Це дало змогу використовувати його на транспорті (автомобіль, трактор, тепловоз), в авіації, на кораблях (дизель-електрохід, катер, підводний човен).

ДВЗ працюють на рідкому паливі (бензині, гасі, нафті) або на горючому газі.

Робота чотиритактного двигуна складається з чотирьох процесів (тактів): впуску, стиску, робочого ходу і випуску.

І такт - всмоктування. Поршень рухається вниз, у циліндрі падає тиск. У цей час відкривається впускний клапан і пальна суміш всмоктується в циліндр. Наприкінці І такту впускний клапан закривається.

ІІ такт - стиснення. Поршень рухається вгору і стискає пальну суміш. Коли поршень доходить до крайнього верхнього положення, проскакує іскра і пальна суміш займається. Обидва клапани закриті.

ІІІ такт - робочий хід. Розжарені гази штовхають поршень вниз. Рух поршня передається шатуну, який штовхає колінчастий вал і примушує його обертатися, двигун виконує корисну роботу. Наприкінці ІІІ такту відкривається випускний клапан.

IV такт - випуск. Поршень рухається вгору і через випускну трубу виштовхує продукти згоряння в атмосферу. Наприкінці IV такту випускний клапан закривається. Випускання відпрацьованих газів супроводжується передачею деякої кількості теплоти довкіллю.

Поряд із електричним двигуном двигун внутрішнього згорання є одним із найбільш поширених типів двигунів. Найчастіше він використовується у транспортних засобах: автомобілях, мотоциклах, потягах, морському транспорті тощо. Двигуни внутрішнього згоряння застосовуються також в автономних електричних генераторах для виробництва електроенергії.

 Парова турбіна. Джованні Бранка описав двигун, у якому використовувалася енергія пари в іншому виді. Це було колесо з лопатями, у яке із силою вдаряв струмінь пари, завдяки чому коле­со починало обертатися. Власне кажучи, це була перша парова турбіна.

Над винаходом парової машини в ХVІІ-ХVІІІ ст. пра­цювали Томас Севері й Томас Ньюкомен (Англія), Дені Папен (Франція), Іван Ползунов (Росія) та ін.

Парова турбіна – це парова машина безперервної дії, що перетворює теплову енергію в енергію обертання ротора. Він потрібен для перетворення теплової енергії водяної пари в механічну роботу. Парова турбіна використовує не потенціальну енергію, а кінетичну енергію пари.

Спроби створити парову турбіну тривали дуже довго. Відомий опис примітивної парової турбіни, зроблений Героном Олександрійським (1 ст. до Р.Х.). Але тільки наприкінці 19 ст., коли машинобудування і металургія досягли достатнього рівня, К. Г. П. Лаваль (Швеція) та Ч. А. Парсонс (Великобританія) незалежно один від одного у 1884-89 р.р. створили парові турбіни, що були придатними для їх промислового застосування.

Принцип роботи турбіни досить простий. Пристрій використовує енергію відпрацьованих газів, які потрапляють під тиском в корпус турбіни через випускний колектор. На вал турбінного колеса встановлюється компресорне колесо. Воно стискає повітря при обертанні і подає його у впускний колектор. Отже, чим більший обсяг газу проходить через турбінне колесо, тим швидше воно обертається.

Неможливість отримати велику агрегатну потужність і дуже висока частота обертання одноступеневої парової турбіни Лаваля (до 30 000 об/хв. у перших зразків) призвели до того, що вона зберегла своє значення тільки в якості приводу допоміжних механізмів. Подальший розвиток галузі дав можливість збільшити потужність турбін, зберігши достатнє значення частоти обертання.

Парові турбіни приводяться в рух струменем пари. Їх використовують для виробництва електроенергії, для обертання корабельних гвинтів і роботи помп.

 Паровий двигун. Геніальний російський винахідник у 1763 р. створив проект першого універсального парового двигуна. Ця машина призначалася для повітродувних міхів, що нагнітають повітря в плавильні печі. Головною її особ­ливістю було те, що робочий вал качався безперервно, без холостих пауз. Це досягалося завдяки тому, що Ползунов у своїй машині передбачив замість одного циліндра, як це було в машині Ньюкомена, два, що працювали почергово. Робочий хід здійснювався за рахунок роботи пари в циліндрі.

Творцем універсального парового двигуна став англій­ський механік Джеймс Уатт. Він удосконалив машину Ньюкомена, висунув ідею за­стосування розширеної пари в циліндрі.

 Реактивний двигун. Приблизно через триста років в Олександрії видатний учений Герон винайшов прилад, у якому внутрішня енергія пари перетворювалася в механічну енергію обертання кулі. Геронова куля — це прообраз реактивних двигунів.

Мал. Перший в історії людства реактивний двигун - куля Герона, античного інженера з Олександрії.

Реактивний двигун — двигун-рушій, що створює реактивний рух внаслідок швидкого витікання робочого тіла із сопла, найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалювання палива у камерах згоряння.

Відео. Будова та принцип дії теплових двигунів. (Час показу 6:22 хв)

3. Закріплюємо теоретичний матеріал.

Вправа 24.1. Будова двигуна внутрішнього згорання.

Вправа 24.2. Будова теплової машини.

4. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 24.1. Яку роботу виконує тепловий двигун, якщо отримує від згоряння пального 100 МДж теплоти, й віддає довкіллю 70 МДж теплоти?

4. Запитання до уроку.

Запитання 24.1. Що таке тепловий двигун? Які види теплових двигунів ви знаєте?

Запитання 24.2. З яких частин складається теплова машина?

Запитання 24.3. Який двигун називають двигуном внутрішнього згоряння? Вкажіть його складові.

Запитання 24.4. За рисунком назвіть такти роботи чотиритактного ДВЗ. Як потрібно змінити послідовність розташування малюнків, щоб чергування зображених на них тактів відповідало правильній роботі двигуна?

Запитання 24.5. На яких із перелічених транспортних засобах   використовують теплові двигуни: автомобіль, автобус, трамвай, тролейбус, літак, спортивний велосипед?

Запитання 24.6. Чому пара, яка пройшла через парову турбіну, має меншу температуру, ніж пара на вході?

Запитання 24.7. У який момент робоча суміш у циліндрах двигунів внутрішнього згоряння має найбільшу внутрішню енергію: наприкінці такту “стискання” чи на початку такту “робочий хід”.

Запитання 24.8. Під час яких тактів роботи чотиритактного двигуна внутрішнього згорання відкриті два клапани? хоча б один? обидва закриті?

Запитання 24.9. За рахунок якої енергії здійснюються перші такти ДВЗ (впуск горючої суміші та її стиск) на початку роботи двигуна? в процесі його роботи?

Запитання 24.10. Що спільного в роботі ДВЗ і парової турбіни? Чим відрізняється їх будова?

5. Домашнє завдання.

Підручник:  §16-17.

Задача 24.2. Дизельний двигун отримує від згоряння пального 20 МДж теплоти й виконує роботу 7 МДж. Скільки за цей час двигун віддає тепла в довкілля?

Задача 24.3. Замалювати до робочого зошита будову і принцип дії ДВЗ (модель ДВЗ)

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

Запитання 24.1.Т. Здатність пари виконувати роботу відома здавна. Цю ідею втілив у праобразі парової турбіни у І-ІІ ст. н.е. …(В: Д)

А. Леонардо да Вінчі.

Б. Аристотель.

В. Герон Олександрійський.

Г. Ісаак Ньютон.

Д. Іван Кулібін.

Задача 24.1.С. За один цикл тепловий двигун виконав роботу 50 МДж. При цьому втрати тепла в довкілля становлять 100 МДж. Скільки тепла за цикл отримав двигун?

7. Для допитливих.

Творче завдання. Тепловий двигун. (Двигун Стірлінга)

Відео-інструкція. Двигун стірлінга своїми руками