ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ *
Урок № 6
Тема. Роль теплових двигунів у народному господарстві. Екологічні проблеми, пов’язані з їх використанням
Мета: поглибити знання учнів про фізичні принципи роботи теплових двигунів, їхнє господарське застосування, ознайомити учнів із досягненнями науки і техніки у справі вдосконалення теплових двигунів; розвивати комунікативні компетенції, вміння аналізувати, робити висновки; формувати свідоме ставлення до охорони навколишнього середовища, виховувати зацікавленість учнів фізикою,
Тип уроку: урок узагальнення та систематизації знань.
Форма проведення: урок-семінар.
Обладнання: картки з написами: історики, екологи, портрети фізиків.
ХІД УРОКУ
I. Вступне слово вчителя
– Без теплових двигунів сучасна цивілізація немислима. Ми не мали б достатньої кількості енергії і були б позбавлені майже всіх видів транспорту. Тому узагальнимо знання про основні принципи роботи теплових машин, з’ясуємо їхній вплив на навколишнє середовище.
Минулого уроку ви отримали перелік питань, над якими працювали самостійно. Сьогодні кожний
Давайте пригадаємо, де і коли з’явилися перші теплові машини.
II. Виступи груп
Історик. 1696 року англійський інженер Томас Севері (1650-1715) винайшов паровий насос для підіймання води. Він застосовувався для відкачування води в олов’яних шахтах. Його робота була заснована на охолодженні розігрітої пари, що, стискаючись, створювала вакуум, який засмоктував у трубу воду із шахти.
1707 року насос Севері був встановлений у Літньому саду в Петербурзі. Англійський механік Томас Ньюкомен (1663-1729) створив 1705 року парову машину для відкачування води із шахт. 1712 року, використавши ідеї Папена і Севері, Ньюкомен побудував машину, яка застосовувалася на шахтах Англії до середини XVIII ст.
Перші практично діючі універсальні машини були створені російським винахідником І. Ползуновим (1766 р.) та англійцем Д. Уаттом (1774 р.)
Парова машина Ползунова мала висоту 11м, об’єм котла 7 м3, висоту циліндрів 2,8 м, потужність 29 кВт. Ця машина тривалий час працювала на одному з гірничо-видобувних заводів Росії.
Історик. 1765 року Дж. Ватт сконструював, а пізніше удосконалив паровий двигун принципово нового типу. Його машина могла не тільки відкачувати воду, але і надавати руху верстатам, кораблям й екіпажам. До 1784 року створення універсального парового двигуна було фактично закінчене, і він став основним засобом одержання енергії в промисловому виробництві. Протягом 1769-1770 років французький винахідник Ніколя Жозеф Кюньо (1725-1804) сконструював паровий візок – попередник автомобіля. Він дотепер зберігається в Музеї мистецтв і ремесел у Парижі.
Американець Роберт Фултон (1765-1815) провів 1807 року побудований ним колісний пароплав “Клермонт” по річці Гудзон. 25 липня 1814 року локомотив англійського винахідника Джорджа Стефенсона (1781-1848) протяг по вузькоколійці 30 т вантажу у 8 вагонах зі швидкістю 6,4 км/год. 1823 року Стефенсон заснував перший паровозобудівний завод. 1825 року почала діяти перша залізниця від Стоктона до Дарлінгтона, а 1830 року – залізнична лінія громадського користування між промисловими центрами Ліверпулем і Манчестером. Джеймс Несміт (1808-1890) створив 1839 року надзвичайно потужний паровий молот, що зробив справжній переворот у металургійному виробництві. Він же розробив кілька нових металообробних верстатів.
Так почався розквіт індустрії і залізниць – спочатку у Великій Британії, а потім в інших країнах світу.
Учитель. Давайте пригадаємо принцип роботи теплової машини.
Механік. Тепловими двигунами називають машини, у яких внутрішня енергія перетворюється в механічну енергію.
Є кілька видів теплових двигунів: парова машина, двигуни внутрішнього згоряння, парова й газова турбіни, реактивний двигун. У всіх цих двигунах енергія палива спочатку перетворюється в енергію газу (пари). Розширюючись, газ (пара) виконує роботу і при цьому охолоджується, частина його внутрішньої енергії перетворюється в механічну. Отже, теплова машина має нагрівник, робоче тіло і холодильник. Це було встановлено в 1824 р. французьким ученим Саді Карно. Принцип дії такої машини можна зобразити схемою (рис. 1).
Рис. 1
Крім того, Карно встановив, що двигун повинен працювати за замкнутим циклом і найвигіднішим є цикл, який складається з двох ізотермічних і двох адіабатичних процесів. Він дістав назву циклу Карно і його можна зобразити графічно (рис. 2).
Рис. 2
З графіка видно, що робоче тіло виконує корисну роботу, яка чисельно дорівнює площі, описаній циклом, тобто площі 1 – 2 – 3 – 4 – 1.
Закон збереження й перетворення енергії для циклу Карно полягає в тому, що енергія, отримана робочим тілом від навколишнього середовища, дорівнює енергії, переданій ним навколишньому середовищу. Роботу теплові двигуни виконують завдяки різниці тисків газу на поверхнях поршнів або лопаток турбіни. Ця різниця тисків створюється за допомогою різниці температур. Таким є принцип роботи теплових двигунів.
Механік. Одним із найпоширеніших видів теплової машини є двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), який нині використовується в різних транспортних засобах. Пригадаймо будову такого двигуна: основним елементом є циліндр із поршнем, усередині якого згоряє паливо.
Рис. 3
Циліндр має два клапани – впускний і випускний. Крім того, робота двигуна забезпечується наявністю свічки, шатунного механізму і колінчастого вала, з’єднаного з колесами автомобіля. Працює двигун в чотири такти (рис. 3): І такт – впуск пальної суміші; II такт – стиск, у кінці його паливо запалюється іскрою від свічки; III такт – робочий хід, під час цього такту гази, утворені від згоряння палива, виконують роботу, штовхаючи поршень униз; IV такт – випуск, коли відпрацьовані й охолоджені гази виходять назовні. Графік замкненого циклу, який характеризує зміни стану газу під час роботи цього двигуна, зображено на рис. 4.
Рис. 4
Корисна робота за один цикл приблизно дорівнює площі фігури 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 2. Поширення таких двигунів зумовлене тим, що вони мають малу масу, компактні, вирізняються порівняно високим ККД (теоретично до 80 %, а практично – лише 30 %). Недоліками є те, що вони працюють на дорогому паливі, складні за конструкцією, мають дуже велику швидкість обертання вала двигуна, їхні вихлопні гази забруднюють атмосферу.
Еколог. Для підвищення ефективності згоряння у двигунах бензину (збільшення його октанового числа) в нього додають різні речовини, переважно етилову рідину, до складу якої входить плюмбум тетраетил, що відіграє роль антидетонатора (близько 70 % сполук свинцю викидається в повітря, коли працюють двигуни). Наявність у крові навіть незначної кількості свинцю призводить до тяжких захворювань, зниження інтелекту, перезбудження, розвитку агресивності, неуважності, глухоти, безпліддя, затримки росту, порушення вестибулярного апарата тощо.
Ще однією проблемою є викиди карбон (II) оксиду. Можна уявити обсяг шкоди від СО, якщо лише один автомобіль за добу викидає в повітря близько 3,65 кг карбон (II) оксиду (парк автомобілів перевищує 500 млн, а щільність потоків машин, наприклад, на автомагістралях Києва досягає 50-100 тис. автомобілів на добу з викидом щогодини 1800-9000 кг СО в повітря!).
Токсичність СО для людини полягає в тому, що, потрапляючи в кров, він позбавляє еритроцити (червоні кров’яні тільця) здатності транспортувати кисень, унаслідок чого настає кисневе голодування, задуха, запаморочення й навіть смерть. Крім того, ДВЗ вносять свою частку і в теплове забруднення атмосфери, температура повітря в місті, де є велика кількість автомобілів, завжди на 3-5 °С вища від температури за містом.
Історик. У 1896-1897 pp. німецьким інженером Р. Дизелем був запропонований двигун, який мав вищий ККД, ніж був у попередніх. У 1899 р. дизельний двигун був пристосований до роботи на важкому рідкому паливі, що спричинило його подальше широке використання.
Учитель. Які відмінності між дизельним і карбюраторним ДВЗ?
Механік. Дизельні двигуни не поступаються щодо поширення карбюраторним двигунам. Будова їх майже однакова: циліндр, поршень, впускний і випускний клапани, шатун, колінчастий вал, маховик і відсутня свічка.
Це пов’язано з тим, що паливо загоряється не від іскри, а від високої температури, яка створюється над поршнем унаслідок різкого стискання повітря. У це розжарене повітря вприскується паливо, і воно згоряє, утворюючи робочу суміш. Цей двигун є чотиритактовим, діаграма його роботи зображена на рис. 5.
Рис. 5
Корисна робота двигуна дорівнює площі фігури 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 2. Такі двигуни працюють на дешевих сортах палива, їхній ККД становить близько 40 %. Основним недоліком є те, що їх робота дуже пов’язана з температурою навколишнього середовища (за низьких температур вони не можуть працювати).
Еколог. Значний прогрес у дизелебудуванні зробив ці двигуни “чистішими”, ніж бензинові; їх уже успішно використовують на легкових автомобілях.
У вихлопних газах дизелів майже не міститься отруйного карбон оксиду, оскільки дизельне пальне не містить плюмбум тетраетилу. Тобто дизелі забруднюють навколишнє середовище значно менше, ніж карбюраторні двигуни.
Історик. Наступними тепловими двигунами, які ми розглянемо, будуть парові і газові турбіни. Оскільки такі машини використовують в основному на електростанціях (теплових і атомних), то часом їх упровадження в техніку слід вважати другу половину 30-х років XX ст., хоча перші невеликі проекти таких агрегатів робилися ще у 80-ті роки XIX ст. Конструктором першої промислової газової турбіни слід вважати В. М. Маховського.
У 1883 році шведський інженер Г. Давань запропонував першу конструкцію одноступеневої парової турбіни, а в 1884-1885 pp. англієць Ч. Парсон сконструював першу багатоступеневу турбіну. Ч. Парсон у 1899 р. використав її на ГЕС в Ельберфельді (Німеччина).
Механік. В основу дії турбін покладено обертання колеса з лопатями під тиском водяної пари чи газу. Тому головною робочою частиною турбіни є ротор – закріплений на валу диск із лопатками по його ободу. Пара від парового котла спрямовується спеціальними каналами (соплами) на лопаті ротора. У соплах пара розширюється, тиск її знижується, але зростає швидкість витікання, тобто внутрішня енергія пари перетворюється в кінетичну енергію струмени.
Парові турбіни бувають двох типів: турбіни активної дії, обертання роторів яких відбувається в результаті удару струмини в лопаті, і турбіни реактивної дії, в яких лопаті розміщені так, що пара, вириваючись із щілини між ними, створює реактивну тягу. До переваг парової турбіни слід віднести швидкохідність, значну потужність і велику питому потужність. ККД парових турбін досягає 25 %. Його можна підвищити, якщо турбіна має кілька ступенів тиску, що складаються із сопел і робочих лопаток, які чергуються. Швидкість пари в такій турбіні зменшується на робочій лопаті, а потім (після проходження через сопло) знову збільшується внаслідок зменшення тиску. Таким чином, від ступеня до ступеня тиск пари послідовно зменшується, і вона багаторазово виконує роботу. У сучасних турбінах кількість ступенів досягає 30.
Недоліком турбін є інерційність, неможливість регулювання швидкості обертання, відсутність зворотного ходу.
Еколог. Застосування парових турбін на електростанціях потребує відведення великих площ під ставки, в яких охолоджується відпрацьована пара. Зі збільшенням потужностей електростанцій різко зростає потреба у воді, крім того, в результаті охолодження пари велика кількість теплоти виділяється в навколишнє середовище, що призводить, знову ж таки, до теплового збудження і підвищення температури Землі.
Історик. До теплових машин належать реактивні двигуни. Теорія таких двигунів відтворена в працях Е. К. Ціолковського, які написані на початку XX ст., а впровадження їх пов’язане з іменем іншого українського винахідника – С. П. Корольова. Зокрема, під його керівництвом були створені перші реактивні двигуни, які застосовувалися на літаках (1942), а пізніше (1957) було запущено перший космічний супутник і перший пілотований космічний корабель (1961). Який же принцип дії реактивних двигунів?
Механік. Теплові двигуни, які використовують реактивну тягу витікання газів, називають реактивними. Принцип їхньої дії полягає в тому, що паливо, згоряючи, перетворюється на газ, який із великою швидкістю витікає із сопел двигуна, змушуючи рухатися літальний апарат у протилежному напрямі. Розглянемо кілька типів таких двигунів.
Одним із найпростіших за конструкцією є прямоточний повітряно-реактивний двигун. Це труба, у яку зустрічний потік нагнітає повітря, а рідке паливо вприскується в неї і підпалюється. Розжарені гази вилітають із труби з великою швидкістю, надаючи їй реактивної тяги. Недоліком цього двигуна є те, що для створення тяги він повинен рухатися відносно повітря, тобто самостійно він злетіти не може. Найбільша швидкість становить 6000 – 7000 км/год.
Якщо в реактивному двигуні є турбіна й компресор, то такий двигун називають турбокомпресорним. Під час роботи такого двигуна повітря через забірник потрапляє в компресор, де стискається і подається в камеру згоряння, куди вприскується паливо. Тут воно підпалюється, продукти згоряння проходять через турбіну, яка обертає компресор, і витікають через сопло, створюючи реактивну тягу.
Залежно від розподілу потужностей ці двигуни діляться на турбореактивні і турбогвинтові. Перші більшу частину потужності затрачають на реактивну тягу, а другі – на обертання газової турбіни.
Перевагами цих двигунів є те, що вони мають велику потужність, яка забезпечує великі швидкості, необхідні для підняття в космос. Недоліки – великі габарити, малий ККД, а також шкода, якої вони завдають середовищу.
Еколог. Оскільки в реактивних двигунах також згоряє паливо, то вони, як і всі теплові двигуни, забруднюють навколишнє середовище шкідливими речовинами, які виділяються під час згоряння. Це двооксид вуглецю (СO2), чадний газ (СО), сірчисті сполуки, нітроген оксиди та інші. Якщо під час роботи автомобільних двигунів маси цих речовин становили кілограми, то тепер – це тонни і центнери. Крім того, висотні польоти літаків, запуски космічних ракет, польоти військових балістичних ракет негативно впливають на озоновий шар атмосфери, руйнуючи його. Підраховано, що сто запусків поспіль космічного човника “Спейс-Шаттл” могли б майже повністю зруйнувати захисний озоновий шар атмосфери Землі, Учитель. Якими ж повинні бути двигуни майбутнього? Механік. Більшість спеціалістів вважає, що це мають бути водневі двигуни, тобто такі, в яких водень вступатиме в реакцію з киснем, в результаті чого утворюватиметься вода. Розробки, які ведуться в цьому напрямі, дають багато різних конструкцій подібних двигунів: від таких, де баки заправляються відповідними газами, до машин, де пальним є цукровий сироп. А ще є конструкції, де паливом є олія, спирт і навіть біологічні відходи. Але поки що всі ці двигуни існують лише у вигляді експериментальних зразків, яким ще далеко до впровадження у промислове виробництво. Проте навіть ці розробки дають надію на те, що в майбутньому ми матимемо екологічно набагато “чистіші” машини, ніж сучасні. І хоча створити теплову машину, яка зовсім не забруднювала б навколишнє середовище, нам ще не вдається, але прагнути цього ми будемо.
III. Домашнє завдання
Виконати домашню контрольну роботу
Варіант 1
1. Тиск газу під поршнем становить 490 кПа. Яку роботу виконує газ, якщо його за сталого тиску нагрівають до температури, удвічі більшої від початкової? Початковий об’єм газу 10 л.
2. Пара надходить у турбіну за температурою 500 °С, а виходить за температури 30 °С. Вважаючи турбіну ідеальною тепловою машиною, обчисліть її ККД.
3. Чи охолоне повітря в кімнаті, якщо тримати відчиненими дверцята увімкненого у мережу холодильника?
Варіант 2
1. На скільки змінюється внутрішня енергія 200г гелію у разі збільшення температури на 20 К?
2. Температура нагрівника ідеальної машини 117 °С, а холодильника – 27 °С. Кількість теплоти, що її дістає машина від нагрівника за 1 с, дорівнює 60 кДж. Обчислити ККД машини, кількість теплоти яку забирає холодильник за 1 с, і потужність машини.
3. Коли ККД теплового двигуна вищий: у холод чи спеку?
Додаток 1
Парова машина І. Ползунова
Джеймс Уатт удосконалив паровий насос Ньюкомена, підвищивши ефективність його роботи. Його парові машини, виготовлені 1775 року, працювали на багатьох заводах Великобританії
Додаток 2
Основні характеристики карбюраторного та дизельного двигунів
Деякі дані про двигун | Карбюраторний двигун | Дизельний двигун |
Робоче тіло | Продукти згоряння бензину | Продукти згоряння дизельного палива |
Паливо | Бензин | Дизельне паливо |
Тиск у циліндрі | 6-105 Па | 1,5-106-3,5-106 Па |
Температура стиснутого повітря | 360-400 °С | 500-700 °С |
Температура продуктів згоряння | 1800 °С | 1900 °С |
ККД | 20-25 % (до 35 %) | 30-38 % (до 45%) |
Використання | У легких мобільних машинах порівняно невеликої потужності (легкові автомобілі, мотоцикли тощо) | У вантажних автомобілях великої потужності, тракторах, тягачах, тепловозах, на стаціонарних установках ТЕС |
Історія створення | Уперше запатентований у 1860 р. французом Ленуаром; у 1878 р. побудований двигун з ККД = 2 % (німецький винахідник Отто та інженер Ланген) | Створений у 1893 р. німецьким інженером Р. Дизелем |
Додаток 3
Схема будови реактивного двигуна
(1 votes, average: 5,00 out of 5)