Работа газа и пара при расширении двигатель внутреннего сгорания

Обновлено: 26.03.2024

Б8.Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

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.

Надо отметить, что первую самодвижущуюся тележку удалось сделать во Франции в 1770 году. Эта тележка с укрепленным на ней паровым двигателем перемещалась приблизительно со скоростью около шести километров в час и была предназначена для перевозки тяжелых орудий, т.е. для военных целей. Надо сказать, что первая поездка этого сооружения оказалась некоторым образом неудачной. Дело все в том, что с разгону эта тележка наехала на стену, своротила угол дома и стену. После чего было решено, чтобы обязательно сопровождали эту тележку посторонние люди. Кстати, можно заметить, что слово «шофер» – французское и на сегодняшний язык можно перевести это слово как «истопник», т.е. «кочегар», другого слова не подберешь. Так что шофер – это у нас кочегар. Можно отметить тот факт, что человек, который ухаживал за этой машиной, он и был, в общем, по сути истопником, потому что машина была, в общем, паровая и топилась дровами.

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.

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания - ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Используемые технологии: здоровьесбережения, информационно-коммуникационные, развития критического мышления, развития исследовательских навыков, групповые.

Цели: познакомить учащихся тепловыми двигателями; рассказать о принципе работы двигателя внутреннего сгорания; показать практическое применение двигателя внутреннего сгорания.

Формируемые УУД: предметные: научиться применить закон сохранения и превращения энергии для объяснения работы тепловых двигателей; объяснять принцип работы двигателя внутреннего сгорания; использовать полученные знания в повседневной жизни; метапредметные: выражать с достаточной полнотой и точностью свои мысли, слушать и вступать в диалог, участвовать в коллективном обсуждении проблем; осознавать себя как движущую силу своего научения, свою способность к преодолению препятствий и самокоррекции; объяснять физические процессы, связи и отношения; личностные: формирование целостного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки и общественной практики; развитие творческих и интеллектуальных способностей учащихся; формирование ценностных отношений к авторам открытий и изобретений.

Приборы и материалы: действующая модель двигателя внутреннего сгорания, пробирка с пробкой, спиртовка, вода, штатив с держателем, электронное приложение к учебнику.

I. Организационный этап

(Учитель и ученики приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие, учитель объявляет отметки за выполнение лабораторной работы.)

II. Проверка домашнего задания

(Три ученика записывают на доске решение домашних задач.)

III. Изучение нового материала

Все физические явления и законы 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 — это устройство, которое служит для преобразования одного вида энергии в другой.

Демонстрация 1. Работа пара при расширении. Нагреем небольшое количество воды в закрытой пробкой пробирке над спиртовкой до температуры кипения. Через некоторое время пар, скопившийся под пробкой, вытолкнет ее наружу.

(При отсутствии оборудования учитель демонстрирует учащимся анимационный ролик 43 “Работа пара при расширении” из электронного приложения к учебнику.)

(После демонстрации опыта ученики самостоятельно отвечают на вопросы.)

— Почему пробка выскакивает из пробирки?

— Какие превращения энергии при этом происходят?

— Можно ли утверждать, что в этом опыте совершается механическая работа? Если да, то какое тело ее совершает и за счет чего?

Если в рассмотренном опыте заменить пробку и пробирку на плотно прилегающий поршень и цилиндр, внутри которого этот поршень может двигаться, и зациклить процесс, то получится простейший тепловой двигатель, изобретенный в конце XVII в. Джеймсом Уаттом.

Тепловые двигатели — машины, которые преобразуют внутреннюю энергию в механическую 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, а затем преобразуют ее в механическую работу. 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.

(Ученики вместе с учителем проверяют свои предположения и оформляют в тетради краткий конспект (что такое тепловые двигатели, их виды, в чем принцип их работы).)

— Познакомимся с одним из самых распространенных видов теплового двигателя — двигателем внутреннего сгорания.

В 1860 г. француз Этьен Ленуар построил устройство, в котором горючее сжигалось внутри самого устройства, а не снаружи, как это было у паровой машины. Спустя 18 лет немецкий изобретатель Август Отто создал двигатель внутреннего сгорания, который работал по четырехтактной схеме: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск отработанных газов. Именно модификации этого двигателя и получили наибольшее распространение. Бензиновый двигатель построил в 1886 г. немецкий инженер Готлиб Вильгельм Даймлер. Горючая смесь (смесь бензина и воздуха) образовывалась при помощи устройства, которое называлось карбюратором.

Демонстрация 2. Модель двигателя внутреннего сгорания.

(Учитель демонстрирует учащимся анимационный ролик 44 “Работа двигателя внутреннего сгорания” из электронного приложения к учебнику.)

Поршень выводится из двух крайних точек, которые называются “мертвыми точками”. Для этого предусмотрено массивное маховое колесо, которое насажено на вал двигателя. Важно понять назначение каждого такта в полном цикле работы.

Первый такт — впуск. Открывается впускной клапан, поршень движется вниз, рабочая смесь занимает весь объем цилиндра.

Второй такт — сжатие. Клапаны закрыты. Поршень движется, рабочая смесь сжимается, и при минимальной температуре рабочей смеси происходит воспламенение от искры.

Третий такт — рабочий ход. При сгорании рабочей смеси давление газов составляет 5—7 МПа, а температура — 1500—2200 °С. Поршень под действием газов движется вниз, температура газа уменьшается. Именно на этом этапе происходит преобразование части внутренней энергии в механическую. Это и называется рабочий ход.

Четвертый такт — выпуск. Поршень начинает двигаться вверх, открывается выпускной клапан, и отработанные газы выходят в окружающую среду.

За счет системы зажигания в четырехцилиндровом двигателе в каждом такте один из цилиндров реализует рабочий ход. Это позволяет коленчатому валу подводить энергию часто и равномерно. В современных машинах коленчатый вал может совершать от 3000 до 8000 оборотов в минуту.

Кроме двигателя внутреннего сгорания, который работает по четырехтактной схеме, существуют и двухтактные двигатели, но они не нашли широкого применения.

Немецкий инженер Рудольф Дизель в 1897 г. изобрел двигатель, в котором сжимали воздух, и в момент максимального сжатия в камеру сгорания при помощи форсунки делали впрыск топлива. Далее раскаленные газы перемещали поршень, и происходило преобразование внутренней энергии в механическую. Такой двигатель не имел карбюратора, был достаточно экономичным и надежным.

КПД дизельных двигателей достигает 35—44%, тогда как у двигателей внутреннего сгорания он не превышает 25—32%. Дизельные двигатели нашли широкое применение в тракторах, большегрузных машинах, на кораблях, передвижных электростанциях.

Если говорить о развитии автомобилей, то начиная с 1886 г., когда Даймлер создал первый автомобиль с бензиновым двигателем, более чем за столетний этап человечество успело многого достичь. Большая роль в развитии автомобилестроения принадлежит Генри Форду, который в начале XX в. начал выпускать автомобили на конвейере.

В России первые автомобили начали строить в начале XX в. В настоящее время легковые автомобили выпускают в Тольятти, Набережных Челнах, Нижнем Новгороде, Ижевске и др.

Интересно, что первые автомобили развивали скорость не более 25 км/ч, в то время как современные автомобили могут развивать скорость до 200—350 км/ч, а отдельные спортивные модели с газотурбинными двигателями разгоняются до 900 км/ч. Рекорд скорости держится уже почти 20 лет, он принадлежит ракетному автомобилю “Thrust SSC”, который развил скорость 1227,986 км/ч.

IV. Подведение итогов

Подводя итог урока, следует отметить, что научно-технический прогресс неуклонно совершенствует конструкцию, технические характеристики автомобилей. Однако 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, угарный газ, 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 созданию новых альтернативных источников энергии. К ним можно отнести двигатели, работающие на солнечной и электрической энергии, на энергии приливных волн и т. д. Именно это направление является наиболее перспективным.

Важным на современном этапе является создание новых экономичных и экологически чистых машин. Это машины нового века, новых технологий. 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.

(Ученики оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала, подчеркнув в анкете нужное слово.)

1. На уроке я работал (активно/пассивно).

2. Своей работой на уроке я (доволен /не доволен).

3. Урок мне показался (интересным/скучным).

4. За урок я (не устал/устал).

5. Мое настроение (улучшилось/ухудшилось/не изменилось).

6. Материала урока мне (полезен/бесполезен).

7. Домашнее задание мне кажется (легким/трудным).

1. § 21, 22 учебника, вопросы к параграфам.

2. Сборник задач В.И. Лукашика, Е.В. Ивановой: № 1126, 1130, 1131, 1133-1135.

3. Подготовить доклад (по желанию). Примерные темы докладов: “Изобретение автомобиля и паровоза”, “Развитие железнодорожного транспорта в России”, “Применение тепловых машин в промышленности”.

Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

Работа газа и пара при расширении двигатель внутреннего сгорания

Физика 8 класс. РАБОТА ГАЗА И ПАРА ПРИ РАСШИРЕНИИ

Пар или газ, расширяясь, может совершить работу.
При этом внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию.
Устройства, в которых внутренняя энергия пара или газа (рабочего тела) превращается в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Существуют различные виды тепловых двигателей:

Простейший "одноразовый" тепловой двигатель (паровая машина).

При нагревании воды в закрытой пробкой пробирке увеличивается количество пара, находящегося под пробкой, и повышается его давление на пробку. Наконец, давление пара выталкивает пробку, при этом пар совершает работу. Часть первоначальной энергии пара пошло на совершение работы по выталкиванию пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в механическую энергию. Так как пар выходит еще достаточно горячий, то оставшуюся энергию он отдает окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру.

Две с лишним тысячи лет тому назад, в 3 веке до нашей эры , великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунки пушки Архимеда были найдены позднее в рукописях Леонардо да Винчи.
При стрельбе один конец ствола сильно нагревали на огне . Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась , и пар, расширяясь с силой и грохотом выбрасывал ядро. Ствол пушки представлял собой, как бы цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.

В настоящее время подавляющее большинство работающих на Земле двигателей - тепловые.

ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ!

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
( четырехтактный )

Двигатель состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень.

Сгорание топлива происходит внутри двигателя.
Двигатель работает на жидком топливе.
Повторяющийся рабочий цикл двигателя состоит из четырех процессов (тактов):
а) впуск, б) сжатие, в) рабочий ход , г) выпуск.
(только во время рабочего хода происходит поворот вала)

Презентация на тему: Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

№ слайда 1 Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

№ слайда 2 КАК ВЫ ПОНИМАЕТЕ ТЕРМИН «ЭНЕРГИЯ»? энергия – это физическая величина, характериз

КАК ВЫ ПОНИМАЕТЕ ТЕРМИН «ЭНЕРГИЯ»? энергия – это физическая величина, характеризующая способность тел совершать работу

№ слайда 3 КАКИЕ ВИДЫ ЭНЕРГИ ВЫ ЗНАЕТЕ?

КАКИЕ ВИДЫ ЭНЕРГИ ВЫ ЗНАЕТЕ?

№ слайда 4 ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ энергия ниоткуда не возникает и никуда не

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает, она лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому.

№ слайда 5 РАБОТА ГАЗА и ПАРА при РАСШИРЕНИИ Пар или газ, расширяясь, может совершить р

РАБОТА ГАЗА и ПАРА при РАСШИРЕНИИ Пар или газ, расширяясь, может совершить работу. При этом внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию.Устройства, в которых внутренняя энергия пара или газа (рабочего тела) превращается в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

№ слайда 6 ВИДЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ:

ВИДЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ:

№ слайда 7 Две с лишним тысячи лет тому назад, в 3 веке до нашей эры, великий греческий мат

Две с лишним тысячи лет тому назад, в 3 веке до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунки пушки Архимеда были найдены позднее в рукописях Леонардо да Винчи. При стрельбе один конец ствола сильно нагревали на огне . Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась, и пар, расширяясь с силой и грохотом выбрасывал ядро. Ствол пушки представлял собой, как бы цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.

№ слайда 8 Простейший "одноразовый" тепловой двигатель (паровая машина). При нагревании вод

Простейший "одноразовый" тепловой двигатель (паровая машина). При нагревании воды в закрытой пробкой пробирке увеличивается количество пара, находящегося под пробкой, и повышается его давление на пробку. Наконец, давление пара выталкивает пробку, при этом пар совершает работу. Часть первоначальной энергии пара пошло на совершение работы по выталкиванию пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в механическую энергию. Так как пар выходит еще достаточно горячий, то оставшуюся энергию он отдает окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру.

№ слайда 9
№ слайда 10 ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Двигатель состоит из цилиндра, внутри которого пе

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Двигатель состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Сгорание топлива происходит внутри двигателя. Двигатель работает на жидком топливе.

№ слайда 11 Повторяющийся рабочий цикл двигателя состоит из четырех процессов (тактов): а) в

Повторяющийся рабочий цикл двигателя состоит из четырех процессов (тактов): а) впуск, б) сжатие, в) рабочий ход, г) выпуск. (только во время рабочего хода происходит поворот вала)

№ слайда 12 Дизельный двигательВ 1892 г. немецкий инженер Р. Дизель получил патент (документ

Дизельный двигательВ 1892 г. немецкий инженер Р. Дизель получил патент (документ, подтверждающий изобретение) на двигатель, впоследствии названный его фамилией. работа двигателя Дизеля также состоит из четырех тактов: а) всасывание воздуха; б) сжатие воздуха; в) впрыск и сгорание топлива – рабочий ход поршня; г)выпуск отработавших газов. Существенное отличие: запальная свеча становится ненужной, и ее место занимает форсунка – устройство для впрыскивания топлива; обычно это низкокачественные сорта бензина.

№ слайда 13 Проведем сравнение: дизельные двигатели (проще – дизели) могут работать на менее

Проведем сравнение: дизельные двигатели (проще – дизели) могут работать на менее качественном, а, значит, на более дешевом топливе, чем карбюраторные двигатели. Дизели также способны развивать большую мощность. Кроме того, КПД дизелей достигает 35 – 40 %, что заметно выше, чем КПД карбюраторных двигателей: 25 – 30 %.

№ слайда 14 . что на автомобилях ставят глушители, а если их нет, то выпуск отработанных га

. что на автомобилях ставят глушители, а если их нет, то выпуск отработанных газов происходит с большим шумом. Дело в том, что отработанные газы при выпуске из цилиндра имеют значительно большее давление, чем атмосферный воздух.Расширяясь с большой скоростью, они создают шум. Смысл работы глушителя состоит в уменьшении скорости выхода газа из цилиндра двигателя. что высота подъема самолетов, двигатели которых работают на смеси горючего и воздуха, ограничена. Это из-за того, что на больших высотах воздух разрежен, и в нем недостаточно кислорода.

№ слайда 15 РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ горючее, а в первых ракетах это был пороховой заряд, сгорае

РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ горючее, а в первых ракетах это был пороховой заряд, сгорает в камере сгорания, и образовавшиеся газы с большой скоростью вылетают из отверстия - сопла. Вылет газов сопровождается отдачей.В результате этой отдачи возникает сила, приложенная к двигателю и направленная противоположно направлению вылета газовой струи. Развитие реактивных двигателей началось в 40-вых годах 20 века. Первое применение они нашли в военной технике:в гвардейских минометах "Катюша", в немецких ракетах ФАУ, затем в реактивных самолетах.

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

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.

Просмотр содержимого документа
«Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания»

Урок № Тема: Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания.

Цель урока:

Рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях. Объяснить учащимся устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Демонстрации:

Работа газа и пара при расширении.

Модель двигателя внутреннего сгорания.

Выполнение работы при сгорании воздушно-бензиновой смеси.

Модель паровой машины

План изложения нового материала:

Виды тепловых двигателей.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Устройство и принцип действия паровой машины

Влияние работы тепловых машин на окружающую среду.

Проверка усвоения изученного материала (фронтальный опрос).

Вопросы для проверки:

Что показывает абсолютная влажность воздуха?

Дайте определение относительной влажности воздуха и напишите формулу для ее расчета.

Какую температуру называют точкой росы?

Какие два типа гигрометров вы знаете? Каков физический принцип работы конденсационного гигрометра?

Каков принцип действия волосного гигрометра?

Как устроен психрометр? Как с помощью этого прибора определяют относительную влажность воздуха?

Повторение ранее изученного материала (подготовка к изучению нового материала).

Вопросы для повторения:

В каком случае про тело или систему взаимодействующих между собой тел говорят, что они обладают энергией?

Как связаны изменение энергии тела (или системы тел) и совершенная им работа?

Какие два вида механической энергии вы знаете?

Какую энергию называют потенциальной? Кинетической?

Приведите примеры превращения потенциальной энергии тела в кинетическую; кинетической энергии - в потенциальную.

Сформулируйте закон сохранения полной механической энергии.

Дайте определение внутренней энергии тела.

Приведите примеры превращения механической энергии тела во внутреннюю энергию.

Сформулируйте закон сохранения и превращения энергии.

Изучение нового материала

Виды тепловых двигателей

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.

Как превратить внутреннюю энергию в механическую?

В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением пара пробка выскочит и поднимется вверх. Здесь энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершил работу - поднял пробку. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки.

Заменим пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку - плотно пригнанным поршнем, который может двигаться вдоль цилиндра. Мы получим простейший тепловой двигатель, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию топлива.

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

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

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.

Типы тепловых двигателей

Реактивный двигатель

Паровая машина

Паровая и газовая турбины

Характеристики тепловых двигателей

Двигатели

Мощность, кВт

карбюраторный

3 × 10 5

12 х 10 5

3 × 10 7

КПД тепловых двигателей

( = 7% -15 %)

( = 20% - 40%)

( = 25% - 29%)

( = 30%)

( = 30% - 36%)

( = 20% - 30%)

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: - U = А,

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

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Говоря о создании нового типа тепловой машины - двигателя внутрен­него сгорания, - нужно отметить, что это явилось логическим продолжени­ем развития новых, более совершенных типов машин.

В 1860 г. француз Э. Ленуар построит устройство, в котором горючее сжигалось внутри самого устройства, а не снаружи, как это было у паровой машины. Модель была несовершенной, КПД не превышал 3%.

Спустя 18 лет немецкий изобретатель Отто создал двигатель внутренне­го сгорания, который работал по четырехтактной схеме: впуск, сжатие, ра­бочий ход, выпуск отработанных газов. Именно модификации этого двига­теля и получили наибольшее распространение.

Бензиновый двигатель построили в 1886 г. Это сделал немецкий инже­нер Даймлер. Горючая смесь (смесь бензина и воздуха) образовывалась при помощи устройства, которое называлось карбюратором.

Далее на примере модели можно рассказать об устройстве и принципе работы двигателя внутреннего сгорания.

Особое внимание следует уделить тому, как поршень выводится из двух крайних точек, которые называются «мертвыми точками». Для этого предусмотрено массивное маховое колесо, которое насажено на вал двигателя.

Важно понять назначение каждого такта в полном цикле работы.

Первый такт - впуск. Открывается впускной клапан, поршень движет­ся вниз, рабочая смесь занимает весь объем цилиндра.

Второй такт - сжатие. Клапаны закрыты. Поршень движется, рабочая смесь сжимается, и при минимальной рабочей смеси происходит воспламе­нение от искры.

Третий такт - рабочий ход. При сгорании рабочей смеси давление га­зов составляет 5-7 МПа, а температура 1500-2200°С. Поршень под дейст­вием газов движется вниз, температура газа уменьшается. Именно на этом этапе и происходит преобразование части внутренней энергии и механиче­скую. Это и называется рабочий ход.

Четвертый такт - выпуск. Поршень начинает двигаться вверх, от­крывается выпускной клапан, и отработанные газы выходят в окружающую среду.

За счет системы зажигания в четырехцилиндровом двигателе в каждом такте один из цилиндров реализует рабочий ход. Это позволяет коленчато­му валу подводить энергию часто и равномерно.

В современных машинах коленчатый вал может совершать от 3000 до 8000 оборотов в минуту.

Кроме двигателя внутреннего сгорания, который работает по четырех­тактной схеме, есть и двухтактные двигатели, но они не нашли широкого применения.

Первичное закрепление материала

Двигатели внутреннего сгорания делятся на карбюраторные и дизельные. Используются на автомобилях, самолетах, танках, моторных лодках, тракторах.

Вопросы к обсуждению:

Назовите достоинства и недостатки работы карбюраторного ДВС

(достоинства - компактность, малая масса; недостатки- 1) требует топлива высокого качества;

2) невозможность получить при его помощи малую скорость вращения при малом числе оборотов);

Каков КПД карбюраторного ДВС (ответ: КПД-20-30%);

Назовите преимущества и недостатки дизельного ДВС

(преимущества – 1) дешевые “тяжелые” сорта топлива;2) не нужна особая система зажигания;

недостатки - большой вес)

Назовите КПД дизельного двигателя (ответ: КПД - 38%).

Продолжение лекции

Немецкий инженер Р. Дизель в 1897 г. изобрел двигатель, в котором сжимали воздух и в момент максимального сжатия в камеру сгорания при помощи форсунки делали впрыск топлива. Далее, раскаленные газы пере­мещали поршень, и происходило преобразование внутренней энергии в механическую. Такой двигатель не имел карбюратора, был достаточно эко­номичным и надежным.

КПД дизельных двигателей достигает 35-44%, тогда как у двигателей внутреннего сгорания он не превышает 25-32%. Дизельные двигатели на­шли широкое применение в тракторах, большегрузных машинах, на кораб­лях, передвижных электростанциях.

Если говорить о развитии автомобилей, то, начиная с 1886 г., когда Г. Даймлер создал первый автомобиль с бензиновым двигателем, более чем за столетний этап человечество успело многого достичь. Большая роль в развитии автомобилестроения принадлежит Генри Форду, который в нача­ле XX века начал выпуск автомобилей с конвейера.

В России первые автомобили начали строить в начале XX века. В на­стоящее время крупнейшими производителями являются автомобильные заводы в Тольятти и в Набережных Челнах. На первом заводе выпускают легковые автомобили «ВАЗ», а на втором - грузовики «КамАЗ».

Интересно, что первые автомобили развивали скорость не более 25 км/ч, в то время как современные автомобили могут развивать скорость до 200-350 км/ч, а отдельные спортивные модели с газотурбинными двига­телями разгоняются до 900 км/ч. Рекорд скорости принадлежит ракетному автомобилю «Траст SSC», который развил скорость 1227,9 км/ч.

Следует отметить, что научно-технический про­гресс неуклонно совершенствует конструкцию, технические характеристи­ки автомобилей.

Объяснение устройства и принципа действия паровой машины

(с привлечением исторических сведений об авторах первых паровых машин: Томас Севери и Томас Ньюкомен - Англия; Дени Папен - Франция; Иван Иванович Ползунов - Россия)

4. Влияние работы тепловых машин на окружающую среду

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 , 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.

Важным на современном этапе является создание новых экономичных и экологически чистых машин. Это - машины нового века, новых техноло­гий. Это - машины будущего.

Домашнее задание: § 21, 22 учебника; вопросы и задания к параграфу; № 1126-1130

Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку доклады по темам:

«Изобретение автомобиля и паровоза».

«Развитие железнодорожного транспорта в России».

«Применение тепловых машин в промышленности».

«Сравнительная характеристика тепловозов и электровозов» и др.

Дополнительный материал

Perpetuum mobile (вечный двигатель)

Сегодня поиски конструкции вечного двигателя могут показаться нам забавными. Однако на протяжении 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.). Уилкинс 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 находи ген и 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.

Так что «Perpetuum mobile», 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.

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания - Перышкин А.В., 7, 8, 9 классы.

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?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

910. Какая работа совершена внешними силами при обработке железной заготовки массой 300 г, если она нагрелась на 200 °С?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

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?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

912. Считая, что вся энергия идет на полезную работу, найдите, какое количество энергии в час необходимо тепловому двигателю мощностью 735 Вт?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

913. Приняв, что вся тепловая энергия угля обращается в полезную работу, рассчитайте, какого количества каменного угля в час достаточно для машины мощностью 733 Вт?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

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.

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

Определите КПД теплового двигателя.
Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

916. Тепловой двигатель получает от нагревателя количество теплоты, равное 600 кДж. Какую полезную работу совершит тепловой двигатель, если его КПД равен 30% ?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

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.

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

918. Паровой молот мощностью 367 кВт получает от нагревателя в час количество теплоты, равное 6720 МДж. Какое количество теплоты в час получает холодильник?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

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.

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

920. Какое количество теплоты получил тепловой двигатель за 1 ч, если его полезная мощность равна 2 кВт, а КПД равен 12% ?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

921. Полезная мощность механизма 800 Вт, КПД равен 12%. Какое количество теплоты получает механизм в час?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

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?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

923. Определите КПД двигателя внутреннего сгорания мощностью 36,6 кВт, который сжигает в течение одного часа 10 кг нефти.

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

924. Каков КПД мотора мощностью 3660 Вт, который за час расходует 1,5 кг бензина?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

925. Мощность паровой машины 366,5 кВт, КПД равен 20%. Сколько сгорает каменного угля в топке паровой машины за час?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

926. Сколько бензина расходует в час мотор мощностью 18 300 Вт с КПД 30% ?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

927. Сколько надо в час бензина для двигателя мощностью 29,4 кВт, если коэффициент полезного действия двигателя 33% ?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

928. Паровая машина мощностью 220 кВт имеет КПД 15%. Сколько каменного угля сгорает в ее топке за 8 ч?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

929. Нагреватель за час отдает тепловому двигателю количество теплоты, равное 25,2 МДж. Каков КПД двигателя, если его мощность 1,47 кВт?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

930. Современные паровые механизмы расходуют 12,57 МДж в час на 735 Вт. Вычислите КПД таких механизмов.

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

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.

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

932. Тепловой двигатель мощностью 1500 кВт имеет КПД 30%. Определите количество теплоты, получаемое двигателем в течение часа.

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

933. Какое количество теплоты получает в течение часа двигатель Дизеля мощностью 147 кВт и с КПД, равным 34% ?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

934. Тепловой двигатель мощностью 1 кВт имеет КПД 25%. Какое количество теплоты в час он получает?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

935. Сколько каменного угля в час расходуется тепловым двигателем с КПД, равным 30%, и мощностью 750 Вт?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

936. Мощность двигателей океанского лайнера 29,4 МВт, а их КПД равен 25%. Какое количество нефти израсходует лайнер за 5 суток?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

937. Бензиновый двигатель мощностью 3660 Вт имеет КПД, равный 30%. На сколько времени работы хватит стакана (200 г) бензина для этого двигателя?

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

938. Мощность дизельного двигателя 367 кВт, КПД 30%. На сколько суток непрерывной работы хватит запаса нефти 60 т такому двигателю?

Читайте также: