Работа газа и пара при расширении двигатель внутреннего сгорания
Презентация на тему: " Работа газа и пара при расширении. ДВС (двигатель внутреннего сгорания) Урок 17-7." — Транскрипт:
1 Работа газа и пара при расширении. ДВС (двигатель внутреннего сгорания) Урок 17-7
2 Большая часть двигателей на Земле – это тепловые двигатели, т.е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую Виды тепловых двигателей: -паровая машина -двигатель внутреннего сгорания -паровая и газовая турбины -реактивный двигатель
3 Тепловые двигатели Джеймс Уатт модель паровой машины Уатта Двигатель внутреннего сгорания Модель машины Уатта
4 В тепловых двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара). Расширяясь, газ совершает работу и при этом охлаждается, часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.
5 Двигатель внутреннего сгорания -идея создания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) родилась еще в XVII в. и принадлежит французскому изобретателю Дени Папену. -французский изобретатель Ленуар применил для зажигания газовой смеси в цилиндре двигателя электрическую искру. В 1860 г.Ленуар взял патент на свой двигатель. -немецкий механик- самоучка Николай Отто в 1878 г. Создал первый двигатель, работающий по четырехтактному циклу и имеющий КПД 22 %.(двигатель работал на газе) -инженер Г.Даймлер в 1885 г получил патент на бензиновый двигатель и построил первый автомобиль г.немецкий инженер Р.Дизель получил патент на двигатель, в котором топливо воспламенялся за счет сильного сжатия воздуха.
6 ДВС работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе. Температура газообразных продуктов сгорания внутри цилиндра достигает – С Один рабочий цикл в ДВС происходит за четыре хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. (впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска) Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.
Энергия бывает потенциальная, кинетическая – энергия движения. Существует еще один вид энергии, который называется внутренняя энергия. Внутренняя энергия любого тела, характеризуется температурой, она может изменяться, и может быть запасена в таком веществе, как топливо. Топливо может быть разным: жидким, твердым, газообразным, но тем не менее мы должны с вами понимать, что при сжигании топлива выделяется тепло. В нашей жизни используется достаточно большое количество машин и эти машины используют различные виды энергии. Машина – это устройство, которое преобразует один вид энергии в другой.
Рассмотрим некоторый опыт. Если взять пробирку, налить туда немного воды, заткнуть ее пробкой, а потом эту пробирку нагревать, то, как вы знаете через некоторое время пар, образовавшийся в этой пробирке от закипающей жидкости, вытолкнет пробку наружу. Что же произошло? Произошло, что мы с вами называем работой пара. То есть пар получил энергию от сожженного топлива при нагревании и, расширяясь, совершил полезную работу. Если вместо пробирки взять металлический цилиндр, а вместо пробки расположить поршень, то получится простейший двигатель. Этот двигатель называется тепловым.
Итак, тепловым двигателем называется устройство, которое преобразует внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Для нас с вами механическая работа очень важна, именно эта работа определяет движение транспорта, перевозку грузов, подъем этих грузов и многое, многое другое. У машины другого назначения нет – она только занимается тем, что преобразует одну энергию в другую. Энергию преобразует в работу.
Впервые создал знаменитую паровую машину Герон Александрийский – инженер-изобретатель, жил он в I, по некоторым данным, во IIвеке нашей уже эры. Эта машина заключается в следующем: в сосуд с отверстиями наливалась вода и помещалась над огнем. Вода закипала, через отверстия с большой скоростью вырывался пар, и сама эта часть, подвешенная над огнем, начинала вращаться. Это и был прообраз первой тепловой машины.
Первый тепловой двигатель, о котором мы можем с вами говорить, уже действительно тот, который использовался в работе, это не была демонстрация превращения внутренней энергии в механическую работу, был построен в 1768 году в Англии знаменитым инженером Джеймсом Уаттом. В честь Уатта была названа потом единица мощности, вы об этом знаете. Ватт – это и есть фамилия этого человека. Итак, в 1768 году впервые был построен двигатель, который мы называем с вами паровым. Там использовалась энергия расширяющегося пара, которая превращалась в механическую работу.
В 1803 году появился первый паровоз в Англии, но широкого применения не получил. Дело все в том, что именно в этом транспорте увидели конкуренцию все, кто занимался в то время перевозками. Тем не менее прогресс остановить нельзя, и в дальнейшем уже не паровые двигатели, а были изобретены так называемые двигатели внутреннего сгорания, т.е. дело все в том, что если есть двигатель внутреннего сгорания, то есть, конечно, и двигатель внешнего сгорания. Вот двигателем внешнего сгорания как раз и является паровая машина, где топка, где сжигается топливо, находится вне парового котла, т.е. как бы прямо на топке укрепляется паровой котел с водой, вода кипит, образуется пар, и дальше уже этот пар, расширяясь, совершает работу. Вот это – двигатель, можно сказать, внешнего сгорания.
А двигатель внутреннего сгорания – это двигатель, где сгорание происходит внутри самого двигателя. Такой двигатель был изобретен в конце XVII века во Франции, и первый опыт этого двигателя был достаточно успешным. В результате этот двигатель уже стали использовать на различных видах транспорта. В 1860 году французский инженер Ленуар изобрел и построил двигатель внутреннего сгорания. В этот двигатель поступала смесь светильного газа и воздуха, сгорала внутри двигателя и тем самым обеспечивала его работу.
В дальнейшем усовершенствовал этот двигатель немецкий инженер Отто. Вот этот двигатель Ленуара-Отто очень долгое время существовал. Его использовали на различных транспортных средствах. Следом за двигателем Ленуара-Отто пришел немецкий инженер Даймлер, которому удалось создать бензиновый двигатель. Вот откуда начинается история немецкого автопрома. На сегодняшний день двигатель называется двигателем внутреннего сгорания и после многих усовершенствований представляет собой уже, достаточно обоснованное устройство, в котором находится достаточно много деталей, и одно из таких частей, мы с вами рассмотрим.
Главная часть любого двигателя внутреннего сгорания – это цилиндр. В этом цилиндре располагается поршень. Дальше есть шатун, который соединяется с коленвалом. Также в этом двигателе предусмотрены два клапана(впускной клапан, через который поступает топливо и выпускной клапан). И есть, конечно же, свеча зажигания.
Итак, как же работает такой двигатель? Такой двигатель называется четырехтактным. Потому что вся работа двигателя совершается как бы в четыре такта. Обращаю ваше внимание, что движение поршня происходит верх и вниз и во всех этих движениях рассматриваются определенные действия. Давайте с вами посмотрим какие. Итак, работа двигателя заключается в следующем. Верхняя точка, в которой располагается поршень, называется мертвой точкой, верхней мертвой точкой. Внизу такая же точка называется нижней мертвой точкой, т.е. весь ход поршня от одной точки до другой называется ходом, как мы уже с вами говорили. Итак, что же происходит? В первый такт открывается один клапан, и через него происходит впуск. Дальше сжимается, в этот момент срабатывает свеча зажигания, топливо сгорает, и толкает поршень вниз. По инерции маховое колесо срабатывает, прокручивает дальше. Следующий шаг: открывается другой клапан и через него выбрасывается отработанное топлив. Итак: впуск, работа, выпуск, впуск, работа, выпуск, т.е. таким образом совершается работа двигателя внутреннего сгорания.
Обращаю ваше внимание на то, что быстрота, с которой происходит движение, достаточно высока. За одну минуту, например, может происходить три тысячи таких вот движений, оборотов, говорят, семь тысяч оборотов. В некоторых случаях до 15 тысяч оборотов в минуту, т.е. достаточно быстрое движение двигателя внутреннего сгорания.
Б. 9 ПАРОВАЯ ТУРБИНА
- один из видов тепловых двигателей, в которых высокотемпературный водяной пар или другой газ вращают вал без помощи поршня. Струи пара, вырываясь из сопел, давят на лопатки турбины, вращая её.
Одной из первых турбин была паровая турбина, созданная в конце 19 века шведским инженером Лавалем. Она нашла широкое применение благодаря новой прогрессивной конструкции сопла.
907. Газ, расширяясь, охлаждается. Почему?
Потому что газ совершает работу, тем самым теряя внутреннюю энергию.
908. Когда внутренняя энергия газа в цилиндре двигателя внутреннего сгорания больше: после проскакивания искры или к концу рабочего хода?
Внутренняя энергия больше в моменты после проскакивания искры. В момент детонации и сгорания топлива в ДВС высвобождается та энергия, за счет которой работает ДВС. К концу рабочего хода вся энергия сгорания топлива переходит в механическую энергию вращения коленвала.
909. Какое количество теплоты выделилось при торможении до полной остановки грузовика массой 6,27 т, вначале ехавшего со скоростью 57,6 км/ч?
910. Какая работа совершена внешними силами при обработке железной заготовки массой 300 г, если она нагрелась на 200 °С?
911. На токарном станке обтачивается деталь со скоростью 1,5 м/с. Сила сопротивления равна 8370 Н. Какое количество теплоты выделится в данном процессе за пять минут?
912. Считая, что вся энергия идет на полезную работу, найдите, какое количество энергии в час необходимо тепловому двигателю мощностью 735 Вт?
913. Приняв, что вся тепловая энергия угля обращается в полезную работу, рассчитайте, какого количества каменного угля в час достаточно для машины мощностью 733 Вт?
914. Нагреватель за некоторое время отдает тепловому двигателю количество теплоты, равное 150 кДж, а холодильник за это же время получает от теплового двигателя количество теплоты, равное 100 кДж. Определите полезную работу двигателя за это время.
915. Нагреватель за некоторое время отдает тепловому двигателю количество теплоты, равное 120 кДж. Тепловой двигатель совершает при этом полезную работу 30 кДж.
Определите КПД теплового двигателя.
916. Тепловой двигатель получает от нагревателя количество теплоты, равное 600 кДж. Какую полезную работу совершит тепловой двигатель, если его КПД равен 30% ?
917. Нагреватель отдает тепловому двигателю за 30 мин количество теплоты, равное 460 МДж, а тепловой двигатель отдает количество теплоты, равное 280 МДж. Определите полезную мощность двигателя.
918. Паровой молот мощностью 367 кВт получает от нагревателя в час количество теплоты, равное 6720 МДж. Какое количество теплоты в час получает холодильник?
919. Нагреватель отдает тепловому двигателю количество теплоты, равное 20 кДж. За то же время тепловой двигатель отдает холодильнику количество теплоты, равное 15 кДж. Найдите работу, совершенную тепловым двигателем, и его КПД.
920. Какое количество теплоты получил тепловой двигатель за 1 ч, если его полезная мощность равна 2 кВт, а КПД равен 12% ?
921. Полезная мощность механизма 800 Вт, КПД равен 12%. Какое количество теплоты получает механизм в час?
922. Мопед, едущий со скоростью 20 км/ч, за 100 км пути расходует 1 кг бензина. КПД его двигателя равен 22%. Какова полезная мощность двигателя?
923. Определите КПД двигателя внутреннего сгорания мощностью 36,6 кВт, который сжигает в течение одного часа 10 кг нефти.
924. Каков КПД мотора мощностью 3660 Вт, который за час расходует 1,5 кг бензина?
925. Мощность паровой машины 366,5 кВт, КПД равен 20%. Сколько сгорает каменного угля в топке паровой машины за час?
926. Сколько бензина расходует в час мотор мощностью 18 300 Вт с КПД 30% ?
927. Сколько надо в час бензина для двигателя мощностью 29,4 кВт, если коэффициент полезного действия двигателя 33% ?
928. Паровая машина мощностью 220 кВт имеет КПД 15%. Сколько каменного угля сгорает в ее топке за 8 ч?
929. Нагреватель за час отдает тепловому двигателю количество теплоты, равное 25,2 МДж. Каков КПД двигателя, если его мощность 1,47 кВт?
930. Современные паровые механизмы расходуют 12,57 МДж в час на 735 Вт. Вычислите КПД таких механизмов.
931. Нагреватель в течение часа отдает паровому молоту на каждые 735 Вт его механической мощности количество теплоты, равное 21,4 МДж. Вычислите КПД молота и сравните его с КПД механизмов из предыдущей задачи.
932. Тепловой двигатель мощностью 1500 кВт имеет КПД 30%. Определите количество теплоты, получаемое двигателем в течение часа.
933. Какое количество теплоты получает в течение часа двигатель Дизеля мощностью 147 кВт и с КПД, равным 34% ?
934. Тепловой двигатель мощностью 1 кВт имеет КПД 25%. Какое количество теплоты в час он получает?
935. Сколько каменного угля в час расходуется тепловым двигателем с КПД, равным 30%, и мощностью 750 Вт?
936. Мощность двигателей океанского лайнера 29,4 МВт, а их КПД равен 25%. Какое количество нефти израсходует лайнер за 5 суток?
937. Бензиновый двигатель мощностью 3660 Вт имеет КПД, равный 30%. На сколько времени работы хватит стакана (200 г) бензина для этого двигателя?
938. Мощность дизельного двигателя 367 кВт, КПД 30%. На сколько суток непрерывной работы хватит запаса нефти 60 т такому двигателю?
До конца XVII – начала XVIII веков человек не построил никаких двигателей, кроме ветряного и водяного. Созданием новых двигателей люди в те времена не занимались потому, что все хозяйство держалось на рабах, а позже в средние века – на крепостных, которые выполняли почти всю работу, необходимую для жизни общества.
Но вот в городах начали зарождаться новые ремесленные цеха, а позднее более крупные производства – мануфактуры, где труд был разделен на отдельные операции – несложные операции. Поскольку простую операцию может выполнить машина, появляются различные виды машин. Для изготовления машин требуется много металла, а для его выплавки – угля. Уголь нужно добывать из глубоких шахт, и перед людьми встали вопросы: как приводить в движение машины; чем откачивать воду из шахт; чем заменить труд лошадей, перевозивших уголь на большие расстояния; как избавиться от зависимости движения кораблей от ветра и др. Люди поняли, что надо создать такой двигатель, который мог бы выполнять любую работу, не будучи связан с водой, не зависящий от погоды, способный приводить в действие самые разнообразные механизмы. Новый двигатель должен был иметь малые размеры, вес, работать от источника энергии, который находился бы тут же на машине. И человек построил такой двигатель, точнее, двигатели. Это были тепловые двигатели (на доске появляется тема урока). Первый тепловой двигатель был изобретен Джеймсом Уаттом в конце VII века.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
В тепловых двигателях внутренняя энергия рабочего тела (им является пар или газ) превращается в механическую энергию. Для того чтобы пар или газ совершили работу, их надо нагреть до высокой температуры. Расширяясь, они совершают работу.
Опыт. Выталкивание паром пробки из пробирки.
Устройства, в которых внутренняя энергия пара или газа (рабочего тела) превращается в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.
Обратите внимание на то, что пар выходит еще горячий, хотя часть энергии он израсходовал на совершение работы. Ту часть энергии, которую пар сохранил, выходя из пробирки, он отдает воздуху, имеющему более низкую температуру. В физике любое тело, которому отработанный газ или пар отдают оставшуюся у них после совершения работы энергию, называют холодильником.
Рассмотрим схему теплового двигателя .
Энергия топливаэнергия газа (пара) газ расширяетсягаз совершает работу (газ охлаждается) часть его внутренней энергии кинетическая энергия
Для характеристики работоспособности двигателей вводят понятие коэффициента полезного действия. С этим понятием вы были уже знакомы в курсе физики 7-го класса. Впервые ввел в науку и технику понятие коэффициента полезного действия двигателя французский инженер Сади Карно.
.
Леонардо да Винчи
Работа в группах по изучению тепловых двигателей (3 ряда) с последующим обсуждением в классе и заполнением таблицы.
Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.
Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами, электромоторами и атомными реакторами, КПД которых выше.
Схема паровой машины: 1 — поршень; 2 — шатун; 3 — коленчатый вал; 4 — маховик.
Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины они могут использовать практически любой вид топлива — от дров до урана.
Две с половиной тысячи лет назад, т.е. в III веке до нашей эры греческий ученый математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Ее описания были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого Леонардо да Винчи. Как она стреляла? Один конец ствола сильно нагревали на огне, затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Сам Леонардо да Винчи задумывался над тем, как использовать внутреннюю энергию пара. На одном из его рисунков изображен цилиндр с поршнем. В нем находится вода, которая подогревается. В результате нагрева пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, ищет выход и толкает поршень. Во время движения вверх поршень совершает работу. Чтобы поршень возвратился назад, цилиндр обливали холодной водой – пар конденсировался и тяжелый поршень опускался вниз. Это был первый паровой двигатель, но он не получил распространения.
Попытки построить паровые двигатели предпринимались многими изобретателями, но самой удачной была машина, построенная англичанином Т.Ньюкоменом в 1711 году.
В конце XVIII в. в России на Алтае работал гениальный русский изобретатель Иван Ползунов. Он значительно усовершенствовал паровую машину. Ему принадлежит честь создания проекта первого универсального парового двигателя – паровой машины – она приводила в действие воздуходувные меха, нагнетающие воздух в плавильные печи. Но она проработала 43 часа и встала навсегда (котел дал течь, кожа, которой были обтянуты поршни, истерлась). Об этой машине вскоре забыли. Восстановить свое детище Иван Ползунов не мог, так как машина была пущена в работу уже после смерти изобретателя (1765г.). Он умер в возрасте 38 лет.
Создателем универсального парового двигателя, который получил большое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. Он построил двигатель, который годился для любой машины и их стали ставить на машины, корабли, паровозы. Но к.п.д. паровой машины не превышали 15-20%.
Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом: стационарные машины, паровой молот, транспортные машины
Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них: пароход, сухопутные транспортные средства (паровой автомобиль, паровоз, локомобиль, паровой трактор, паровой экскаватор, и даже паровой самолёт).
В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.
Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия.
Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 - 42 %.
Паровую машину из-за ее низкого к.п.д. к середине XIX века начинают вытеснять двигатели внутреннего сгорания. Прообразом первого двигателя внутреннего сгорания могут служить такие виды оружия как пушка, ружья, используемые с давних времен. В их ствол засыпали порох, клали ядро или патрон и поджигали порох. Пушка или ружье стреляли. Еще в конце XVII – начале XVIII в. Дени Папен придумал устройство, в котором под поршень цилиндра надо было насыпать порох и поджечь его. Образовавшиеся газы должны были, расширяясь поднять поршень. Затем цилиндр нужно было облить водой и поршень должен был опуститься вниз под действием собственной силы тяжести. Такова была идея, но при первом же испытании машина была разрушена взрывом. На создание новой машины у изобретателя не было денег. Это был прообраз современного двигателя внутреннего сгорания. Первый двигатель внутреннего сгорания пригодный к использованию был изобретен французским изобретателем Ленуаром. Его двигатель был похож на паровую машину, но в цилиндр поступал не пар, а горючая смесь, поджигаемая свечой.
Но к.п.д. двигателя Ленуара был всего 3-5%. Немецкий механик – самоучка Николай Отто в 1878 году создал первый двигатель, работавший по четырехтактному циклу и имеющий к.п.д.22%.
Двигатель состоит из цилиндра, в котором, перемешается поршень, соединенный посредством шатуна, с коленчатым валом. На валу укреплен тяжелый маховик, предназначенный для уменьшения неравномерности вращения вала.
В верхней части цилиндра имеется клапаны, которые открываются и закрываются механически при помощи распределительного вала, свеча.
Сгорание топлива происходит внутри двигателя. Двигатель работает на жидком топливе. Повторяющийся рабочий цикл двигателя состоит из четырех процессов (тактов):
 |  |
 |  |
В автомобилях чаще используют четырехцилиндровые ДВС, которые обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.
Как бензиновый ДВС, так и дизель выбрасывают в атмосферу весьма горячие газы (около 500—600 °С). Это снижает их КПД: у бензиновых двигателей он равен 20—25%, у дизеля — 30—36%.
При всех достоинствах ДВС, широкое их применение заметно влияет на экологическое состояние, особенно в крупных городах, поэтому работы по улучшению экологичности ДВС ведутся непрерывно
В 1629 году итальянец Бранка создал проект колеса с лопатками. Оно должно было вращаться, если струя пара с силой ударяет по лопаткам колеса. Это был первый проект паровой турбины, которая впоследствии получила название активной турбины.
Схема простейшей турбины изображена на рисунке
На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закрепелены лопатки 2. Около лопаток раположены трубы – сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.
В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последователньо проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть совей энергии. Постепенно находят все более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.
Но турбостроение по существу началось только с конца XIX в., когда стала ощущаться нужда в быстроходном двигателе. В 1883 году шведский инженер Лаваль получил патент на активную паровую турбину. У первых паровых турбин был существенный недостаток: из-за огромной скорости струи пара скорость вращения турбины была излишне велика. Уменьшить скорость вращения турбины смогли, укрепив на диске не один ряд лопаток, а больше и применив несколько ступеней давления.
Паровая турбина имеет ряд достоинств: ее к.п.д. достигает 40%, если велики давление и температура пара; вал паровой машины вращается плавно и равномерно; турбина занимает мало места; вода, получаемая при конденсации отработанного пара, очень чиста, что весьма важно для питания паровых котлов.
В настоящее время паровые турбины являются почти единственным тепловым двигателем на мощных тепловых электростанциях, служат основным двигателем на крупных судах, турбины средних размеров и даже небольших мощностей применяют для привода насосов, воздуходувок и пр. Газовые турбины устанавливаются на мощных грузовых машинах типа БелАЗ.
Поршень, шатун, коленчатый вал, маховик
Два клапана (горючая смесь поступает в цилиндр через впускной клапан, отработанные газы выходят через выпускной клапан)
диск, по ободу которого закрепелены лопатки
трубы – сопла, в которые поступает пар 3 из котла
2 такт – СЖАТИЕ, воспламенение и сгорание горючей смеси)
3 такт – РАБОЧИЙ ХОД (нагретые газы расширяются, движение поршня)
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды
При сжигании топлива образуются оксиды азота (в угольных котлах на 1м 3 дыма — несколько грамм, в газовых — до 5г). За год только в России в воздух выбрасывается 2 млн. т. NOх. Попав в атмосферу и растворяясь в дождевой воде, они становятся азотной кислотой. Реагируя с содержащимися в воздухе разнообразными примесями, они образуют токсичные соединения, которые выпадают на поверхность воды и суши (а также на наши головы) с кислотными дождями.
Кроме того, при работе двигателей внутреннего сгорания в атмосферу выбрасываются свинец и другие вредные вещества.
Решение проблем, возникающих при работе тепловых двигателей, ученые и конструкторы видят в увеличении КПД тепловых двигателей, в создании условий для наиболее полного сгорания топлива, в улавливании и переработке углекислого газа и окислов азота, в замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические.
Обучающая – изучить понятие тепловых двигателей, добиться понимания учащимися назначения отдельных элементов ДВС, изучить принцип работы четырехтактного ДВС.
Воспитательная – стимулирование познавательной активности при обсуждении работы двигателя, используя компьютер; содействовать патриотическому воспитанию, напомнив о роли русских изобретателей в истории.
Развивающая – систематизировать знания учащихся по изученному материалу темы “Тепловые явления”, анализ экологической опасности ДВС.
Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, презентация, модель ДВС, таблица.
Организационный момент.
Цель: подготовка учащихся к активному восприятию материала, заинтересованность учащихся.
Сегодня мы с вами продолжим изучать тепловые явления.
Прежде чем приступить к изучению нового материала, давайте вспомним, что вы изучали ранее.
В 7 классе мы изучали различные виды энергии, в частности, рассматривали потенциальную энергию и кинетическую энергию. Далее, в 8 классе был изучен ещё один вид энергии – внутренняя энергия.
C кажите, пожалуйста, обладаете ли вы внутренней энергией? Откуда она в вас берется? На что вы ее расходуете?
Актуализация знаний.
Цель: проверить уровень знаний, провести подготовку к изучению нового материала.
Если раньше мы говорили об изменении внутренней энергии путем теплообмена, то теперь более подробно рассмотрим вопрос об изменении внутренней энергии посредством совершения работы и о практическом использовании этого явления в тепловых двигателях.
Использовать внутреннюю энергию – это значит совершать за счет ее полезную работу.
Внутренняя энергия любого тела может быть запасена в таком веществе, как топливо. Топливо может быть разным: жидким, твердым, газообразным, но самая главная его особенность – при сжигании топлива выделяется тепло.
Вначале рассмотрим следующий простой опыт. Возьмём пробирку, нальём туда немного воды и заткнём её пробкой. Затем начнём эту пробирку нагревать. Через некоторое время пар, образовавшийся в этой пробирке от закипающей жидкости, вытолкнет пробку наружу (рис.). Что же произошло?
· За счет чего выскочила пробка?
Откройте учебник на стр. 63 и в третьем абзаце найдите ответ на вопрос.
Ответ: За счет давления пара.
Ответ: Энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу – выталкивает пробку.
Если теперь вместо пробирки взять металлический цилиндр, а вместо пробки – поршень, то получится простейший тепловой двигатель.
Можно ли сказать, что пробирка с кипящей в ней водой и вылетающей пробкой, цилиндр с поршнем являются моделью теплового двигателя? Как вы думаете, где данное явление используется в технике?
Ответ: Да. Используется в работе тепловых двигателей. Вы правы.
В нашей жизни используется достаточно большое количество машин, и эти машины используют различные виды энергии. Общей чертой всех машин является то, что это устройство, которое преобразует один вид энергии в другой.
Тепловой двигатель – это устройство, которое преобразует внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Виды тепловых двигателей записать с учебника в тетрадь стр64
Значение механической работы в жизни человека переоценить тяжело: эта работа определяет движение транспорта, перевозку и подъём грузов и многое другое. Задача любой машины – преобразовать энергию в эту работу.
Рассмотрим подробнее историю создания первых машин. Человек давно задумывался о том, как построить соответствующие машины. Презентация
Первым таким человеком (по дошедшим до нас сведениям) был Герон Александрийский, инженер-изобретатель, который жил в I (по некоторым данным, во II) нашей эры.
Он первым создал свою знаменитую паровую машину, которая называется тепловой машиной Герона.
Принцип действия этой машины заключался в следующем: в сосуд с отверстиями наливалась вода и помещалась над огнем. Вода закипала, через отверстия с большой скоростью вырывался пар, и часть, подвешенная над огнем, начинала вращаться. Это и был прообраз первой тепловой машины.
Первый тепловой двигатель, который использовался в работе (а не был демонстрацией превращения внутренней энергии в механическую работу), был построен в 1768 году в Англии знаменитым инженером Джеймсом Уаттом (Рис. 4) (в честь Уатта потом была названа единица мощности).
Правда, существует версия, что на два года раньше Уатта в 1766 году на Барнаульском заводе была изготовлена первая паровая машина в России. Изобретателем этой машины был Иван Ползунов.
Сегодня на уроке мы с вами поговорим о тепловых двигателях, об их устройстве и принципе работы. Мальчишки в своей жизни уже, наверно, не раз ходили с папами в гараж. Но я думаю, что и девочкам знания о ТД будут полезны, так как сейчас все больше женщин садится за руль автомобиля.
III этап. Изучение новой темы
Цель: реализуются обучающие задачи урока, идёт активизация мыслительной и самостоятельной деятельности учащихся, воспитывается чувство уверенности в высказывании своего мнения.
Тепловой двигатель – это устройство, совершающее работу за счет тепловой энергии.
Тепловая машина – это тепловой двигатель, работающий циклично.
ДВС – очень распространенный вид ТД. ДВС работают на жидком топливе или горючем газе.
Какие виды жидкого топлива вы знаете?
Где сгорает топливо в этом двигателе?
Само название ДВС говорит о том, что топливо сгорает внутри самого двигателя - прямо в цилиндре. ДВС работают на жидком топливе (бензин, керосин) или на горючем газе.
ДВС – это двигатель, топливо в котором сгорает внутри самого двигателя.
Рассмотрим устройство ДВС на макете.
(вместе с учащимися рассматриваем интерактивную модель ДВС)
1 – впускной клапан
2 – выпускной клапан
5 – коленчатый вал
Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 3, соединенный при помощи шатуна 4 с коленчатым валом 5. На валу укреплен тяжелый маховик для уменьшения неравномерности вращения вала. В верхней части цилиндра имеются два клапана 1 и 2, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 1 поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 6, а через клапан 2 выпускаются отработавшие газы. В таких двигателях постоянно происходит сгорание горючей смеси (пары бензина и воздуха). При сгорании этой смеси образуются газы, температура которых порядка 1600-1800 0 С.
Рассмотрим принцип работы ДВС на модели.
Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками.
Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называется ходом поршня. Один рабочий цикл в двигателе происходит за 4 хода поршня или такта. Поэтому такие двигатели называются четырёхтактными. Рассмотрим более подробно каждый такт.
Учащиеся: пытаются сами объяснить работу двигателя в каждом такте.
Затем учитель ещё раз останавливается на этом, объясняя подробнее с использованием таблицы.
Учитель:
1такт - впуск: при повороте вала поршень опускается вниз. Объём над поршнем увеличивается, в цилиндре создается разрежение, клапан 1 открывается и в цилиндр входит горючая смесь. В конце такта цилиндр заполняется горючей смесью и клапан 1 закрывается.
2 такт - сжатие: при дальнейшем повороте вала поршень начинает двигаться вверх и сжимает горючую смесь, когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь возгорается от электрической искры и быстро сгорает.
3 такт - рабочий ход: образующиеся при сгорании смеси газы давят на поршень и он движется вниз. В этом случае двигатель совершает работу. Этот такт называется рабочим ходом.
Во 2 и 3 тактах оба клапана закрыты.
4 такт - в конце 3 такта клапан 2 открывается и через него продукты сгорания выходят в атмосферу. В течение такта поршень движется вверх. В конце такта клапан 2 закрывается.
Итак, цикл двигателя состоит из 4 тактов. Давайте вспомним их ещё раз.
Учащиеся: ещё раз называют названия тактов, затем их записывают в тетрадях. Записи тут же проверяются.
Первичное закрепление
Цель: отработка, базовых знаний, выполнение заданий по образцу
Вызвать учащегося и на модели продемонстрировать устройство и такты ДВС.
Цель: изучить вредное воздействие ТД на окружающую среду, анализ экологической опасности ДВС.
Р.Рождественский дал очень точный и емкий образ нынешней действительности:
Пирсы и перроны,
Леса без птиц и земли без воды…
Все меньше - окружающей природы,
Все больше – окружающей среды.
И в этом списке сплошь и рядом дорогущие спортивные суперкары и лимузины. Именно они являются главными врагами чистого воздуха (компанию им составил огромный Hummer H2).
Если сейчас в среднем обычные легковушки выбрасывают в атмосферу 120-150 г/км вредных веществ, то у лидера списка Bugatti Veyron этот показатель намного больше. Его 1001-сильный мотор выкидывает на каждый пройденный километр сразу 571 г!
На втором месте идет Lamborghini Murcielago (495 г/км),
Мозговой штурм (контроль и коррекция)
Цели : контроль за усвоением знаний, умений и навыков.
Домашнее задание.
Цель: подготовка учащихся на выполнение домашнего задания, развитие интереса к изучению физики.
· §§ 21, 22
· Какие экологические проблемы породили тепловые двигатели? Каковы пути их решения? (К чему приводит загрязнение почвы СО? СО2? Свинцом? Сажей? NO 2 ?)
Учащиеся: записывают в дневники.
X этап. Подведение итогов.
Цель: воспитание интереса изучения физики.
Учитель: Хочется отметить, что научно-технический прогресс неуклонно совершенствует конструкции, технические характеристики автомобилей. Важным на современном этапе является создание новых экономичных и экологически чистых машин. Это - машины нового века, новых технологий. Это – машины будущего. Может быть кто-то из вас и будет изобретателем этих машин. Желаю вам в этом удачи.
Стихотворение Н. Аникина:
Если мы вредим природе,
Мы вредим самим себе.
С юных лет должны ребята
Все живое охранять.
Чтоб за страшную ошибку
На природу не пенять.
Лозунг жив еще в народе,
Повторяй его везде
Продлеваешь жизнь природе –
Продлеваешь жизнь себе.
Читайте также: