Тепловые двигатели - Изменение агрегатных состояний вещества

Цели: рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях; объяснить учащимся устройство и принцип работы паровой турбины.

Демонстрации: работа газа и пара при расширении; устройство и действие паровой турбины.

Ход урока

I. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Виды тепловых двигателей.

2. КПД тепловой машины.

3. Влияние работы тепловых машин на окружающую среду.

1. Переходя к рассмотрению основного материала, необходимо подчеркнуть, что все физические явления, законы в конечном итоге находят применение в повседневной жизни человека.

Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.

Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Таким образом, машина - устройство, которое служит для преобразования одного вида энергии в другой. Другого назначения у машин нет.

Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, генераторы преобразуют механическую в электрическую, и так далее.

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:

-ΔU = А,

где А - работа газа, -ΔU - уменьшение внутренней энергии.

2. 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. Первая паровая машина преобразовывала менее 1% от всей энергии в полезную работу.

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

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%.

3. При использовании тепловых машин остро встает вопрос загрязнения окружающей среды.

При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных выбросов. К ним можно отнести углекислый газ СО2, угарный газ СО, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов.

Поэтому очень большое внимание следует уделять развитию методов защиты окружающей среды от этих продуктов сгорания и создание новых альтернативных источников энергии. К ним можно отнести двигатели, работающие на солнечной энергии, на электрической энергии, на энергии приливных волн и так далее. Именно это направление является наиболее перспективным.

Кроме того, такие виды топлива как нефть, уголь, природный газ являются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 50-100 лет человечество столкнется с проблемой нехватки традиционных видов топлива.

С другой стороны, прогресс нашей цивилизации напрямую связан с применением различных видов тепловых машин: нет ни одной области человеческой деятельности, где бы не применялись машины.

С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 г. построил первую паровую машину, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины очень сильно изменили содержание человеческого труда. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин. Уровень развития любой страны определяется тем, какое количество различных машин приходится на душу населения.

Домашнее задание

1. § 24 учебника; вопросы и задания к параграфу.

2. Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку доклады по темам:

«Изобретение автомобиля и паровоза».

«Первые паровозы».

«Развитие железнодорожного транспорта в России».

«Применение тепловых машин в промышленности».

«Сравнительная характеристика тепловозов и электровозов» и др.

3. Сборник задач В. И. Лукашика, Е. В. Ивановой, № 1126-1130.

Дополнительный материал

Perpetuum mobile

Сегодня поиски конструкции вечного двигателя могут показаться нам забавными. Однако на протяжения многих веков человек наблюдал вокруг себя «вечные» процессы: восход и заход светил, движение облаков, течение воды... Кажется, что они не требуют никаких затрат для своего поддержания. Неудивительно, что многие изобретатели были увлечены идеей создания машины, которая работала бы сама по себе вечно, не требуя вмешательства извне.

Увы, все попытки сводил на нет неумолимый закон сохранения энергии. Правда, большинство дошедших до нас вариантов «вечного подвижного» появилось именно тогда, когда этот закон известен не был. Зато знали и использовали многое другое: например, водяное мельничное колесо, которое вращается под действием падающей на него с плотины воды.

Но разность уровней воды можно создать и другим способом. С античных времен известно такое устройство, как архимедов винт (сейчас он применяется, в частности, в мясорубках.). Архимедов винт не только улучшил античные ирригационные системы, но и породил массу проектов вечного двигателя. В общих чертах их конструкция такова: архимедов винт вращается водяным колесом и поднимает воду, которая падает и заставляет это колесо крутиться, вращать винт и поднимать следующую порцию воды...

Этот проект скрупулезно рассмотрел в середине XVII в. Джон Уилкинс (1614- 1672), епископ Честерский (подобно многим духовным лицам своего времени, он также был писателем и ученым.). Унлкинс обнаружил, что поднимаемая вода не образует значительного потока и не может вращать винт, даже если на нем укрепить несколько колес.

Предполагались и другие механизмы для подъема воды: в них пытались использовать силы поверхностного натяжения. Такие силы действуют, например, на границе раздела жидкости и твердого тела: именно они втягивают чернила в промокашку, держат на воде жучков-водомерок и заставляют поверхность налитой в стакан воды изгибаться вверх возле его стенок. Однако машина, в которой используется подъем жидкости по тонкой трубке (капилляру) или волокнистому фитилю, не может работать вечным двигателем по очень простой причине: те же силы поверхностного натяжения, поднимающие жидкость вверх, не дадут ее каплям оторваться у конца фитиля или трубки.

Еще один тип «жидкостного» вечного двигателя основан на применении закона Архимеда. В таких конструкциях используется замкнутая в кольцо веревка или цепочка из тел (как правило, шаров) легче воды, часть которой находится в жидкости, а часть - вне ее. По замыслу изобретателей, архимедова сила должна выводить эту цепочку из равновесия. Увы, такая система не может прийти в движение: ведь для того чтобы жидкость не выливалась из нее, внизу необходимо предусмотреть какое-нибудь «запирающее устройство», удерживающее воду, - например, клапан. Однако, чтобы шар прошел через клапан, потребуются затраты энергии - причем тем большие, чем выше столб воды и крупнее погружаемые в нее тела. Выталкивающей силы не хватит даже на это.

Но, пожалуй, самая «долгоживущая» идея конструкции вечных двигателей - это использование неуравновешенных грузов. В простейшем ее варианте предлагается замкнутую цепочку шаров (а лучше - цилиндров) поместить на призму.

На каждой ее грани нужно расположить неодинаковое количество шаров. Тогда цепочка должна начать скользить: на первый взгляд, 14 шаров с одной стороны и лишь 8 - с другой не могут уравновесить друг друга.

Однако в этом рассуждении есть физическая ошибка. Ее обнаружил нидерландский математик и механик Симон Стевин (1548—1620): если одна часть цепочки перетягивает другую, то шары должны двигаться все быстрее и быстрее. Значит, не прикладывая никаких усилий, их можно разогнать до бесконечной скорости - но это явно противоречит здравому смыслу. Рассуждая таким образом, Стевин пришел к выводу, с которым сейчас знаком любой школьник, умеющий решать задачи по динамике: в механике важна не сама величина силы, а ее проекция на интересующее нас направление. Поэтому два шара и способны уравновесить остальные. Кстати, идея о невозможности вечного движения помогла Стевину решить задачу, с которой не могли справиться самые выдающиеся механики античности: каким грузом можно удержать в покое тело, находящееся на наклонной к горизонту плоскости.

Так что «перпетуум мобиле», вечный двигатель, остается лишь мечтой - недостижимой, красивой и манящей. Многие ловкачи использовали привлекательность идеи вечного движения, зарабатывая деньги показом моделей «самодвижущихся» агрегатов. В действительности в каждом из них были спрятаны или часовой механизм с пружинкой, или незаметно подключенный электродвигатель, позволявшие им двигаться довольно долго - однако же, не вечно. Можно ввести в заблуждение простаков, но природу, тем не менее, не обманешь...