ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ*

Урок № 6

Тема. Роль тепловых двигателей в народном хозяйстве. Экологические проблемы, связанные с их использованием

Цель: углубить знания учащихся о физические принципы работы тепловых двигателей,их хозяйственное применение, ознакомить учащихся с достижениями науки и техники в деле совершенствования тепловых двигателей; развивать коммуникативные компетенции, умение анализировать, делать выводы; формировать сознательное отношение к охране окружающей среды, воспитывать заинтересованность учеников физикой, стимулировать творческую активность учащихся.

Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний.

Форма проведения: урок-семинар.

Оборудование: карточки с надписями: историки, экологи, портреты физиков.

ХОД УРОКА

I. Вступительное слово учителя

- Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы достаточного количества энергии и были бы лишены почти всех видов транспорта. Поэтому обобщим знания о основные принципы работы тепловых машин, выясним их влияние на окружающую среду.

Прошлого урока вы получили перечень вопросов, над которыми работали самостоятельно. Сегодня каждый из вас может присоединиться к любой группе (механики, экологи, историки) и выразить свое мнение по определенной проблеме.

Давайте вспомним, где и когда появились первые тепловые машины.

II. Выступления групп

Историк. в 1696 году английский инженер Томас Севери (1650-1715) изобрел паровой насос для подъема воды. Он применялся для откачки воды в оловянных шахтах. Его работа была основана на охлаждении разогретого пара, что, сжимаясь, создавала вакуум, который втягивал в трубу воду из шахты.

1707 года насос Севери был установлен в Летнем саду в Петербурге. Английский механик Томас Ньюкомен (1663-1729) создал 1705 году паровую машину для откачки воды из шахт. 1712 года, использовав идеи Папена и Севери, Ньюкомен построил машину, которая применялась на шахтах Англии до середины XVIII в.

Первые практически действующие универсальные машины были созданы русским изобретателем И. Ползуновим (1766 г.) и англичанином Д. Уаттом (1774 г.)

Паровая машина Ползунова имела высоту 11м, объем котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт. Эта машина долгое время работала на одном из горно-добывающих заводов России.

Историк. в 1765 году Дж. Уатт сконструировал, а позже усовершенствовал паровой двигатель принципиально нового типа. Его машина могла не только откачивать воду, но и предоставлять движения станкам, кораблям и экипажам. До 1784 года создание универсального парового двигателя было фактически закончено, и он стал основным средством получения энергии в промышленном производстве. В течение 1769-1770 годов французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо (1725-1804) сконструировал паровая повозка - предок автомобиля. Он до сих пор хранится в Музее искусств и ремесел в Париже.

Американец Роберт Фултон (1765-1815) провел в 1807 году построенный им колесный пароход «Клермонт» по реке Гудзон. 25 июля 1814 года локомотив английского изобретателя Джорджа Стефенсона (1781-1848) сквозняк по узкоколейке 30 т груза в 8 вагонах со скоростью 6,4 км/ч. в 1823 году Стефенсон основал первый паровозостроительный завод. 1825 года начала действовать первая железная дорога от Стоктона до Дарлингтона, а в 1830 году - железнодорожная линия общественного пользования между промышленными центрами Ливерпулем и Манчестером. Джеймс Несміт (1808-1890) создал в 1839 году чрезвычайно мощный паровой молот, что сделал настоящий переворот в металлургическом производстве. Он же разработал несколько новых металлообрабатывающих станков.

Так начался расцвет индустрии и железных дорог - сначала в Великобритании, а затем в других странах мира.

Учитель. Давайте вспомним принцип работы тепловой машины.

Механик. Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия превращается в механическую энергию.

Есть несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива сначала превращается в энергию газа (пара). Расширяясь, газ (пар) выполняет работу и при этом охлаждается, часть его внутренней энергии превращается в механическую. Следовательно, тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело и холодильник. Это было установлено в 1824 г. французским ученым Сади Карно. Принцип действия такой машины можно изобразить схемой (рис. 1).

Рис. 1

Кроме того, Карно установил, что двигатель должен работать по замкнутому циклу и самым выгодным является цикл, состоящий из двух изотермических и двух адіабатичних процессов. Он получил название цикла Карно и его можно изобразить графически (рис. 2).

Рис. 2

Из графика видно, что рабочее тело совершает полезную работу, которая численно равна площади, описанной циклом, т.е. площади 1 - 2 - 3 - 4 - 1.

Закон сохранения и превращения энергии для цикла Карно заключается в том, что энергия, полученная рабочим телом от окружающей среды, равна энергии, переданной им окружающей среде. Работу тепловые двигатели выполняют благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопаток турбины. Эта разность давлений создается с помощью разницы температур. Таков принцип работы тепловых двигателей.

Механик. Одним из самых распространенных видов тепловой машины является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который сейчас используется в различных транспортных средствах. Вспомним строение такого двигателя: основным элементом является цилиндр с поршнем, внутри которого сгорает топливо.

Рис. 3

Цилиндр имеет два клапана - впускной и выпускной. Кроме того, работа двигателя обеспечивается наличием свечи, шатунного механизма и коленчатого вала, соединенного с колесами автомобиля. Работает двигатель в четыре такта (рис. 3): И такт - впуск горючей смеси; II такт - сжатие, в конце его топливо воспламеняется искрой от свечи; III такт - рабочий ход, во время этого такта газы, образующиеся от сгорания топлива, выполняют работу, толкая поршень вниз; IV такт - выпуск, когда отработаны и охлажденные газы выходят наружу. График замкнутого цикла, который характеризует изменения состояния газа во время работы этого двигателя, изображен на рис. 4.

Рис. 4

Полезная работа за один цикл примерно равен площади фигуры 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Распространение таких двигателей обусловлено тем, что они имеют малую массу, компактны, отличаются сравнительно высоким КПД (теоретически до 80 %, а практически - только 30 %). Недостатками является то, что они работают на дорогом топливе, сложные по конструкции, имеют очень большую скорость вращения вала двигателя, их выхлопные газы загрязняют атмосферу.

Эколог. Для повышения эффективности сгорания в двигателях бензина (увеличения его октанового числа) в него добавляют различные вещества, преимущественно этиловую жидкость, в состав которой входит свинец тетраетил, что играет роль антидетонатора (около 70 % соединений свинца выбрасывается в воздух, когда работают двигатели). Наличие в крови даже незначительного количества свинца приводит к тяжелым заболеваниям, снижение интеллекта, перевозбуждение, развития агрессивности, невнимательности, глухоты, бесплодия, задержки роста, нарушения вестибулярного аппарата и т.д.

Еще одной проблемой являются выбросы карбон (II) оксида. Можно представить объем ущерба от СО, если только один автомобиль за сутки выбрасывает в воздух около 3,65 кг карбон (II) оксида (парк автомобилей превышает 500 млн, а плотность потоков машин, например, на автомагистралях Киева достигает 50-100 тыс. автомобилей в сутки с выбросом ежечасно 1800-9000 кг СО в воздух!).

Токсичность СО для человека заключается в том, что, попадая в кровь, он лишает эритроциты (красные кровяные тельца) способности транспортировать кислород, вследствие чего наступает кислородное голодание, удушье, головокружение и даже смерть. Кроме того, ДВС вносят свою долю и в тепловое загрязнение атмосферы, температура воздуха в городе, где есть большое количество автомобилей, всегда на 3-5 °С выше от температуры за городом.

Историк. В 1896-1897 гг. немецким инженером Г. Дизелем был предложен двигатель, который имел высокий КПД, чем был в предыдущих. В 1899 г. дизельный двигатель был приспособлен к работе на тяжелом жидком топливе, что повлекло его дальнейшее широкое использование.

Учитель. Какие различия между дизельным и карбюраторным ДВС?

Механик. Дизельные двигатели не уступают по распространению карбюраторным двигателям. Строение их почти одинакова: цилиндр, поршень, впускной и выпускной клапаны, шатун, коленчатый вал, маховик и отсутствует свеча.

Это связано с тем, что топливо загорается не от искры, а от высокой температуры, которая создается над поршнем вследствие резкого сжатия воздуха. В это раскаленный воздух впрыскивается топливо, и оно сгорает, образуя рабочую смесь. Этот двигатель является чотиритактовим, диаграмма его работы изображена на рис. 5.

Рис. 5

Полезная работа двигателя равна площади фигуры 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Такие двигатели работают на дешевых сортах топлива, их КПД составляет около 40 %. Основным недостатком является то, что их работа очень связана с температурой окружающей среды (при низких температурах они не могут работать).

Эколог. Значительный прогресс в дизелебудуванні сделал эти двигатели «чище», чем бензиновые; их уже успешно используют на легковых автомобилях.

В выхлопных газах дизелей почти не содержится ядовитого карбон оксида, так как дизельное топливо не содержит свинец тетраетилу. То есть дизели загрязняют окружающую среду гораздо меньше, чем карбюраторные двигатели.

Историк. Следующими тепловыми двигателями, которые мы рассмотрим, будут паровые и газовые турбины. Поскольку такие машины используют в основном на электростанциях (тепловых и атомных), то время их внедрения в технику следует считать вторую половину 30-х годов XX ст., хотя первые небольшие проекты таких агрегатов предпринимались еще в 80-е годы XIX в. Конструктором первой промышленной газовой турбины следует считать В. М. Маховского.

В 1883 году шведский инженер Г. Дач предложил первую конструкцию одноступеневої паровой турбины, а в 1884-1885 гг. англичанин Ч. Парсон сконструировал первую многоступенчатую турбину. Ч. Парсон в 1899 г. использовал ее на ГЭС в Эльберфельде (Германия).

Механик. В основу действия турбин возложена вращения колеса с лопастями под давлением водяного пара или газа. Поэтому главной рабочей частью является ротор турбины - закрепленный на валу диск с лопатками по его ободу. Пара от парового котла направляется специальными каналами (соплами) на лопасти ротора. В соплах пар расширяется, давление его падает, но возрастает скорость истечения, т.е. внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию струмени.

Паровые турбины бывают двух типов: турбины активного действия, вращения роторов которых происходит в результате удара струмини в лопасти и турбины реактивного действия, в которых лопасти размещены так, что пара, вырываясь из щели между ними, создает реактивную тягу. К преимуществам паровой турбины следует отнести быстроходность, значительную мощность и большую удельную мощность. КПД паровых турбин достигает 25 %. Его можно повысить, если турбина имеет несколько степеней давления, состоящие из сопел и рабочих лопаток, которые чередуются. Скорость пара в такой турбине уменьшается на рабочей лопасти, а затем (после прохождения через сопло) вновь увеличивается вследствие уменьшения давления. Таким образом, от степени к степени давление пара последовательно уменьшается, и она многократно выполняет работу. В современных турбинах количество ступеней достигает 30.

Недостатком турбин является инерционность, невозможность регулирования скорости вращения, отсутствие обратного хода.

Эколог. Применение паровых турбин на электростанциях требует отвода больших площадей под пруды, в которых охлаждается отработанный пар. С увеличением мощностей электростанций резко возрастает потребность в воде, кроме того, в результате охлаждения пара большое количество теплоты выделяется в окружающую среду, что приводит, опять же, к тепловому возбуждению и повышению температуры Земли.

Историк. К тепловым машинам относятся реактивные двигатели. Теория таких двигателей воспроизведена в трудах Е. К. Циолковского, которые написаны в начале XX ст., а внедрение их связано с именем другого украинского изобретателя - С. П. Королева. В частности, под его руководством были созданы первые реактивные двигатели, применявшиеся на самолетах (1942), а позже (1957) был запущен первый космический спутник и первый пилотируемый космический корабль (1961). Какой же принцип действия реактивных двигателей?

Механик. Тепловые двигатели, которые используют реактивную тягу утечка газов, называют реактивными. Принцип их действия заключается в том, что топливо, сгорая, превращается в газ, который с большой скоростью вытекает из сопел двигателя, заставляя двигаться летательный аппарат в противоположном направлении. Рассмотрим несколько типов таких двигателей.

Одним из простейших по конструкции является прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Это труба, в которую встречный поток нагнетает воздух, а жидкое топливо впрыскивается в нее и поджигается. Раскаленные газы вылетают из трубы с большой скоростью, придавая ей реактивной тяги. Недостатком этого двигателя является то, что для создания тяги он должен двигаться относительно воздуха, то есть самостоятельно он взлететь не может. Наибольшая скорость составляет 6000 - 7000 км/ч.

Если в реактивном двигателе есть турбина и компрессор, то такой двигатель называют турбокомпресорним. Во время работы такого двигателя воздух через заборник попадает в компрессор, где сжимается и подается в камеру сгорания, куда впрыскивается топливо. Здесь оно поджигается, продукты сгорания проходят через турбину, которая вращает компрессор, и вытекают через сопло, создавая реактивную тягу.

В зависимости от распределения мощностей эти двигатели делятся на турбореактивные и турбовинтовые. Первые большую часть мощности затрачивают на реактивную тягу, а вторые - на вращения газовой турбины.

Преимуществами этих двигателей является то, что они имеют большую мощность, которая обеспечивает большие скорости, необходимые для поднятия в космос. Недостатки - большие габариты, малый КПД, а также вред, который они наносят окружающей среде.

Эколог. Поскольку в реактивных двигателях также сгорает топливо, то они, как и все тепловые двигатели, загрязняют окружающую среду вредными веществами, которые выделяются во время сгорания. Это диоксид углерода (СO2), угарный газ (СО), сернистые соединения, азот оксиды и другие. Если во время работы автомобильных двигателей массы этих веществ составляли килограммы, то теперь - это тонны и центнера. Кроме того, высотные полеты самолетов, запуски космических ракет, полеты военных баллистических ракет негативно влияют на озоновый слой атмосферы, разрушая его. Подсчитано, что сто запусков подряд космического челнока «Спейс-Шаттл» могли бы почти полностью разрушить защитный озоновый слой атмосферы Земли, Учитель. Какими же должны быть двигатели будущего? Механик. Большинство специалистов считает, что это должны быть водородные двигатели, то есть такие, в которых водород вступать в реакцию с кислородом, в результате чего будет образовываться вода. Разработки, которые ведутся в этом направлении, дают много различных конструкций подобных двигателей: от таких, где баки заправляются соответствующими газами, к машинам, где топливом является сахарный сироп. А еще есть конструкции, где топливом является масло, спирт и даже биологические отходы. Но пока что все эти двигатели существуют только в виде экспериментальных образцов, которым еще далеко до внедрения в промышленное производство. Однако даже эти разработки дают надежду на то, что в будущем мы получим экологически гораздо более «чистые» машины, чем современные. И хотя создать тепловую машину, которая совсем не загрязнял бы окружающую среду, нам еще не удается, но стремиться к этому мы будем.

III. Домашнее задание

Выполнить домашнюю контрольную работу

Вариант 1

1. Давление газа под поршнем составляет 490 кПа. Какую работу выполняет газ, если его при постоянном давлении нагревают до температуры, вдвое большей от начальной? Начальный объем газа 10 л.

2. Пар поступает в турбину при температуре 500 °С, а выходит при температуре 30 °С. Считая турбину идеальной тепловой машиной, вычислите ее КПД.

3. Или остынет воздух в комнате, если держать открытой дверцу включенного в сеть холодильника?

Вариант 2

1. На сколько изменяется внутренняя энергия 200г гелия при увеличении температуры на 20 К?

2. Температура нагревателя идеальной машины 117 °С, а холодильника 27 °С. Количество теплоты, что ее получает машина от нагревателя за 1 с, равно 60 кДж. Вычислить КПД машины, количество теплоты которую забирает холодильник за 1 с, и мощность машины.

3. Когда КПД теплового двигателя выше: в холод или жару?

Приложение 1

Паровая машина И. Ползунова

Джеймс Уатт усовершенствовал паровой насос Ньюкомена, повысив эффективность его работы. Его паровые машины, изготовленные 1775 года, работали на многих заводах Великобритании

Приложение 2

Основные характеристики карбюраторного и дизельного двигателей

Приложение 3

Схема устройства реактивного двигателя