ПРИНЦИП ДІЇ ТЕПЛОВИХ ДВИГУНІВ. ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ, ПОВ’ЯЗАНІ З ВИКОРИСТАННЯМ ТЕПЛОВИХ ДВИГУНІВ
“ПРИНЦИП ДІЇ ТЕПЛОВИХ ДВИГУНІВ. ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ, ПОВ’ЯЗАНІ З ВИКОРИСТАННЯМ ТЕПЛОВИХ ДВИГУНІВ”
Урок-інтерв’ю
Мета. Поглибити знання учнів про фізичні принципи роботи теплових шипунів, їхнє господарське застосування та екологічні проблеми, що виникають у зв’язку із забрудненням навколишнього середовища тепловими двигунами; ознайомити учнів із досягненнями науки і техніки у справі удосконалення теплових двигунів; сприяти економічному й екологічному вихованню учнів.
Тип уроку. Урок узагальнення та систематизації
Обладнання. Таблиці про теплові двигуни, діафільм “Теплові машини”, діапроектор, моделі двигуна внутрішнього згоряння і парової турбіни, таблички із назвами посад “представників заводу”, Конституція України.
Методичні поради. На час проведення уроку кабінет фізики “перетворюється” у конференц-зал. На подіумі – крісла для промовців. Дещо збоку – місце для “кореспондентів газет” та ведучого. Перед місцями, які займатимуть промовці, розмістити таблички з назвами “виробничих посад”.
До уроку слід готуватися заздалегідь. Таблиця для систематизації характеристик
Хід уроку
I. Мотивація навчальної діяльності. Актуалізація опорних знань
Вступне слово вчителя. Ми завершуємо вивчення розділу “Термодинаміка”. Сьогодні навчальний матеріал розглядатимемо не тільки з точки зору фізики і техніки, але і завдань щодо охорони природи. Ми живемо за Конституцією України.
(Учні відкривають Конституцію, зачитують уголос статті 16 і 66.)
Без теплових двигунів сучасна цивілізація немислима. Без них ми не мали б у значній кількості електроенергії і були б позбавлені майже всіх видів транспорту.
До теплових двигунів відносять парову машину, двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), парову і газову турбіни, реактивний двигун. В усіх цих двигунах енергія палива переходить в енергію газу (або пари). Розширюючись, газ виконує роботу і при цьому охолоджується, частина його внутрішньої енергії перетворюється в механічну енергію. Принципова схема теплового двигуна подана на рисунку (мал. 3). Хто бажає пригадати нам принцип дії теплового двигуна?
Мал. 3.
Учень (користуючись схемою). Робоче тіло двигуна, яким, як правило, є газ або пара, одержує кількість теплоти Q1 під час згоряння палива. При розширенні під час нагрівання робоче тіло виконує роботу А’ і передає холодильнику (атмосфері або спеціальному холодильному пристрою) кількість теплоти Q2, яка менша від Q1. Щоб теплова машина працювала, акти розширення повинні періодично повторюватися, тобто система має повертатися у вихідний стан. А для цього потрібно виконати роботу, яка повинна бути меншою, ніж робота при розширенні робочого тіла. Ця умова виконується завдяки наявності холодильника.
II. Поглиблення та засвоєння нових знань
Учитель. Науково-технічна революція докорінно змінила значення науки у житті суспільства. Наука стала продуктивною силою. Нині, і так буде в майбутньому, виробництво потрібних людям матеріальних благ безпосередньо залежить від досягнень науки, що неминуче веде людство до перебудови та до вдосконалення усіх сфер виробництва.
Мета нашого сьогоднішнього уроку – з наукової точки зору розглянути роботу теплових двигунів та шляхи підвищення їхнього коефіцієнта корисної дії. Урок ми проведемо у формі інтерв’ю. Допомагатиме мені у цьому ведучий (називає прізвище учня) – кореспондент місцевої газети.
Ведучий. Шановні добродії, у нашому місті здано в експлуатацію завод, що випускатиме автомобільні двигуни. Про роботу заводу, його успіхи і досягнення своїх читачів хоче проінформувати кореспондент газети “Форд” зі США. Можливо, у такий спосіб йому вдасться збільшити число зарубіжних інвесторів, що доволі важливо для подальшої розбудови заводу. Він візьме інтерв’ю у директора заводу, головного інженера, заступника головного інженера, хіміка-технолога, провідного конструктора, еколога, завідувача заводського музею історії розвитку теплових машин, завідувача відділу перспективних розробок. Отож, розпочинаємо роботу.
Кореспондент. Газету, яку я представляю, цікавить принцип роботи теплових двигунів, що випускаються на місцевому заводі, та перспективи розвитку заводу. Але спочатку я хотів би звернутися до завідувача музею. До Вас, шановний пане, таке запитання: “Чи не могли б ви дати мені маленьку історичну довідку? Де і коли з’явилися перші теплові двигуни, перші автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння?”
Історик. Смілива думка – змусити пару приводити в рух механізми – “вродилася дуже давно. Ще у II ст. до н. є. старогрецький вчений Герон Олександрійський створив модель парової машини, яка могла бути прообразом мирової турбіни. Проте винахід Герона не знайшов застосування і залишився просто іграшкою. Минуло 15 століть. Під час нового розквіту науки і культури великий італійський вчений, інженер та художник Леонардо да Вінчі задумався над тим, як можна використати внутрішню енергію пари. У його рукописах ми знаходимо декілька малюнків із зображенням циліндра і поршня. І приблизно через 100 років після Леонардо да Вінчі інший італієць – Джовамі Бранка – уявив собі двигун, у якому використовувалась б енергія пари по-іншому. Це було колесо з лопастями, у яке силою вдаряв струмінь пари, завдяки чому колесо оберталося. Це був прообраз парової турбіни. Теплові двигуни виникли на початку XVIII століття в період бурхливого розвитку текстильної та металургійної промисловості. Парову установку побудували англійці Ньюкомен і Коулі в 1712 році, а у 1784 році в Англії Уатт одержав патент на універсальний паровий двигун, впровадження якого мало неабиякий пилив на розвиток промисловості та транспорту.
Двигун внутрішнього згоряння винайдено порівняно недавно. Перший двигун внутрішнього згоряння побудував француз Етьєн Ленуар у 1860 році. Ще 416 винаходів претендували на патент. Однак його видали майже одночасно в 1885-1886 роках німецьким механікам Г отлібу Даймлеру та Карлу Бенцу, які винайшли бензинові двигуни внутрішнього згоряння, які і почали використовувати в перших автомобілях. Цікаво, що винахідники так і не познайомилися, хоч і жили недалеко один від одного і працювали над однієї проблемою. Але створені ними фірми в 20-х роках XX століття злились у відому сьогодні автомобільну компанію “Даймлер-Бенц”. Ось їхні перші автомобілі (епіпроекція фотографій).
Кореспондент. Дуже вам вдячний. Тепер мені хотілося б звернутися до головного інженера. Чи не могли б ви пояснити принцип роботи ДВЗ, який випускає ваш завод?
Головний інженер. ДВЗ – це двигун, у якому хімічна енергія палива, що згоряє в циліндрі, перетворюється у механічну роботу. Ми випускаємо чотиритактний двигун внутрішнього згоряння. Один робочий цикл двигуна включає у себе 4 ходи поршня або, як кажуть, чотири такти.
Кореспондент. Зрозуміло.
Головний інженер. У нас є діафільм, який допоможе вам краще зрозуміти” роботу нашого двигуна. Робочий цикл можна подати у вигляді діаграми. Протягом першого такту (1-2) відкрито впускний клапан, відбувається засмоктування пальної суміші. Другий такт (2-3) – обидва клапани закриті, поршень стискає пальну суміш – стискання. У кінці стискання за допомогою електричної іскри запалюється пальна суміш і відбувається швидке її згоряння – тиск газів стрибком (3-4) підвищується і починається третій такт (4-5) – робочий хід (клапани, як і раніше, закриті). У кінці його (точка 5) відкривається випускний клапан, тиск різко падає (5-6), і під тиском, трохи більшим за атмосферний, відпрацьовані гази виштовхуються у навколишнє середовище, відбувається четвертий такт (6-7) – випуск. Цикл завершено, закривається випускний клапан, відкривається впускний, і починається новий цикл. (мал. 1)
Кореспондент. Дякую вам, тепер усе зрозуміло. Зараз у світі проблема з пальним. Його потрібно економити. Як розв’язується ця проблема у вашому двигуні?
Головний інженер. Економічність двигуна внутрішнього згоряння залежить від ступеня стиску робочої суміші в циліндрі перед її згорянням. Однак ; у карбюраторних двигунах пальну суміш можна стискувати до певної межі, оскільки стиск супроводжується сильним нагріванням. Наприклад, якщо тиск дорівнює 6-105 Па, то температура суміші зростає до 380-400°С. За такої температури бензин легко самозаймається. Відбувається вибух (детонація), який не лише погіршує роботу двигуна, але й може вивести двигун із ладу.
Кореспондент. Дякую. Дозвольте задати кілька запитань заступнику головного інженера. Чи не ведете ви роботу зі створення бездетонаційного двигуна?
Заступник головного інженера. Ні, не ведемо. Такі двигуни уже створені. Бездетонаційне згоряння палива вдало здійснив німецький інженер Рудольф Дизель у 1878 році. У такому двигуні стиску до 1,5-106 – 3,5-106 Па зазнає не пальна суміш, а повітря, причому його температура підвищується до 500-700°С, тобто до значення, достатнього для самозапалення рідкого пального.! Тому в дизелі немає свічки для запалення пальної суміші.
Кореспондент. Вибачте, але як подається пальне у такий двигун?
Заступник головного інженера. У стиснуте і сильно нагріте повітря впорскується за допомогою паливного насоса і форсунки дизельне паливо або солярка. Паливо загорається і горить значно довше, ніж бензин, а тому без вибуху. Утворені при цьому гази розширюються і тиснуть на поршень, викопуючи корисну роботу під час руху поршня вниз у робочому такті.
Кореспондент. А що можна сказати про ККД дизеля?
Заступник головного інженера. ККД дизеля становить близько 40%. Він вищий, ніж у карбюраторного ДВЗ.
Кореспондент. А робочий цикл дизеля такий же, як і в карбюраторного ДВЗ?
Заступник головного інженера. Ні, не цілком. У нього є свої особливості Я їх вам поясню за допомогою діаграми і діафільму. (Демонструються кадри діафільму, інженер їх коментує, відтак пояснює діаграму.) Під час ходу поршня вниз через впускний клапан у робочий циліндр засмоктується не пильне, а атмосферне повітря. На малюнку 2 цей такт зображено ізобарою 1-2. За подальшого обертання колінвала поршень під час зворотного руху вгору адіабатно стискає повітря у циліндрі, тому що впускний і випускний клапани закриті. У кінці цього такту (2-3) температура у робочому циліндрі підвищується до 500-700°С. У стиснуте й нагріте повітря вприскується за допомогою наливного насоса й форсунки дизельне пальне. Воно загорається і горить значно довше за бензин. Утворені при цьому гази тиснуть на поршень і виконують корисну роботу під час усього переміщення поршня вниз. Тиск газу піч час згоряння пального (3-4) підтримується приблизно сталим. Після закінчення згорання пального відбувається адіабатне розширення газу (4-5).
Коли відкривається випускний клапан, тиск різко падає по ізохори 56. Під час зворотного руху поршень виштовхує продукти згоряння в атмосферу за сталого тиску (6-7), трохи вищого за атмосферний. На цьому цикл завершується і розпочинається новий. Пане кореспонденте, чи все Вам зрозуміло з мого пояснення?
Кореспондент. І так, і ні. Я зрозумів, що у карбюраторного ДВЗ і дизеля є чотири такти: впуск, стиск, робочий хід і випуск. А діаграми у них різні. Чому? Що дає ця відмінність? Я цього не зрозумів.
Головний інженер. Дозвольте мені пояснити.
В усіх типів чотиритактних двигунів назви тактів однакові. Проте фізичні процеси, що відбуваються, різні. Зверніть увагу на процес збільшення тиску (пояснює на діаграмах). У карбюраторному ДВЗ він відбувається у два етапи – тиск плавно зростає по адіабаті (2-3) і більш різко зростає по ізохорі (3-4). У дизельному ДВЗ тиск зростає за умови адіабатного стискання (2-3). І процеси розширення різні: у карбюраторного ДВЗ він здійснюється по адіабаті (4-5), а у дизеля по ізобарі (3-4) та адіабаті (4-5). У результаті тиск у циліндрі дизеля вищий, ніж у ДВЗ. У дизеля 3,5-4 МПа, у карбюраторного двигуна 0,5-0,9 МПа. (мал. 2)
Кореспондент. Дякую. (Звертається до директора заводу). Чи випускає ваш завод двотактні двигуни?
Директор. Поки що – ні. Тільки розпочинаємо їхнє освоєння. Кореспондент. Чи вигідний двотактний двигун?
Конструктор. Так, вигідний. Двотактні двигуни мають менші габарити і масу. Їхній хід більш рівномірний. Для них головним є простота конструкції і мала маса, а не економічність. Але ці двигуни, як правило, малопотужні.
Кореспондент. Прокоментуйте, будь ласка, переваги дизельного двигуна над карбюраторним.
Конструктор. Дизелі працюють на паливі, яке відносно дешевше за бензин. Найбільш широко застосовується солярка в швидкісних дизелях, а суміш І мазуту із соляркою – у тихохідних. Перевагою дизелів є їхня висока економічність, ККД дорівнює 4045%. У карбюраторних двигунах ККД усього 25-30%. Дизельні двигуни широко застосовуються на всіх видах транспорту, крім літаків.
Кореспондент. Дякую. Хочу задати запитання хімікові технологу. Чи не могли б ви сказати, які види палива використовуються у ваших двигунах?
Хімік-технолог. Основне джерело енергії – бензин різних марок. Бензин є складною сумішшю легких вуглеводнів і застосовується, головним чином, у двигунах з іскровим запаленням. Дизельне паливо – це середні та важкі фракції перегонки нафти. Утворюються з неї шляхом википання за температури 270°С-400°С. Пальним для дизелів, які працюють під великим навантаженням, але у стаціонарних умовах, є суміш мазутів, розбавлених газойлевими фракціями.
Кореспондент. Дякую. На жаль, яким не було б пальне, викид відпрацьованих газів іде в навколишнє середовище. Я прощу еколога розповісти про екологічні проблеми, які виникають у зв’язку з цим.
Еколог. Двигун внутрішнього згоряння був створений, щоб покращити життя людей, але поступово це геніальне творіння кінця XIX століття перетворилось у зло, джерело небезпеки. У даний час близько 0,02% суші зайнято під дороги. Головне – автомобіль забруднює навколишнє середовище внаслідок викиду газів у атмосферу. Від цих газів гинуть квіти, дерева; над містами, де багато транспорту, часто утворюється смог – отруйний туман, який тривалий час не розсмоктується. Дуже шкідливий шум, створений автотранспортом. Він складає 80% технічних шумів, впливає на нервову систему людини, викликає психічні захворювання, скорочує на 8-12 років життя мешканців великих міст. Шум став четвертим після наркотиків, алкоголю і тютюну смертельним ворогом людини.
Кореспондент. Вибачте, але якщо ДВЗ такі шкідливі, то навіщо ваш завод їх випускає? Як запобігти шкідливим наслідкам їхньої роботи?
Еколог. Над цими проблемами працюють зараз фахівці всього світу. В усіх країнах світу із розвинутою промисловістю проводяться роботи зі зниження забруднення повітря. І ми враховуємо їхні рекомендації. На двигунах встановлюємо каталізатори, проводиться точне регулювання карбюраторів, удосконалюються глушники, переходимо на використання природного газу. Зараз іде інтенсивний пошук нового палива для ДВЗ, одержаного не на основі нафти, а на основі спиртів. Ведуться неабиякі дослідницькі роботи по створенню водневого двигуна, продуктом згоряння якого є звичайна вода. У багатьох країнах світу створюються електромобілі. На дорогах Німеччини з’явилися електроавтобуси концерну “Даймлер-Бенц”.
Кореспондент. Які заходи щодо охорони природи здійснені на вашому заводі?
Еколог. У країні введена обов’язкова державна екологічна експертиза проектів усіх нових промислових і сільськогосподарських об’єктів. Проект нашого заводу пройшов таку експертизу. У даний час ми переводимо наші двигуни на газове пальне. Зараз дорогами нашого міста й області їздять автобуси з газовими установками. Такими ж двигунами оснащені й вантажні автомобілі. Але, на жаль, поки що екологічно чистою нашу продукцію назвати не можна.
Кореспондент. Я хотів би знову звернутися до хіміка-технолога із запитанням: “Які переваги і недоліки газового пального?”
Хімік-технолог. Використання природного газу продовжує термін служби свічок запалювання на 40%; у чотири рази – моторних масел. Крім того, зменшується викид шкідливих речовин в атмосферу. Недоліком таких установок є те, що газ потрібно стискати до тиску 20-25 МПа, що вимагає установки на газонаповнювальних станціях спеціальних компресорів, а на автотранспорті – декількох стальних балонів для зберігання газу під високим тиском.
Кореспондент. Які плани покращення двигуна внутрішнього згоряння на вашому заводі?
Завідувач відділу перспективних розробок. Ми сконцентрували свою увагу на теоретичній розробці таких проблем: збільшення потужності, надійності, економічності та екологічної чистоти двигунів. Повинен сказати, що збільшення потужності двигунів тягне за собою чимало проблем: збільшення витрати пального, підвищення термо – і вібронавантажень.
Кореспондент. Які шляхи ви бачите для розв’язання цих проблем?
Завідувач відділу перспективних розробок. Деякі з них можуть бути розв’язані за допомогою керамічно-композиційних матеріалів, шляхом пошуку фахівцями-хіміками нових дешевих складових пального. Для того, щоб наші двигуни були екологічно чистішими, ми розробляємо спеціальні нейтралізатори шкідливих речовин, що викидаються двигунами.
Кореспондент. Пане директоре, чи плануєте ви розширювати виробництво двигунів на вашому заводі?
Директор. Можливо, у майбутньому, коли наш завод переросте у виробниче об’єднання з випуску теплових двигунів різного типу, ми налагодимо виробництво парових турбін та реактивних двигунів.
Кореспондент. Чи могли б ви коротко ознайомити нас із принципом дії двигунів цих типів?
(Головний інженер, використовуючи модель парової турбіни та діафільм пояснює принцип дії парової турбіни, повідомляє про ККД, переваги та недоліки у застосуванні. Заступник головного інженера, використовуючи таблиці із схемами реактивних двигунів, пояснює принцип дії, переваги та недоліки.)
Кореспондент. Останнє запитання я хочу задати директорові. Чи не могли б ви сказати, кому потрібна ваша продукція?
Директор. Теплові двигуни мають широке використання. Залізничними магістралями водять потяги потужні тепловози. Водними шляхами плавають теплоходи. Мільйони автомобілів із ДВЗ перевозять вантажі і пасажирів. ДВЗ є основою механізації виробничих процесів у сільському господарстві; їх встановлюють на тракторах, комбайнах, самохідних шасі, насосних станціях тощо.
Кореспондент. Я вельми вдячний адміністрації заводу, всім фахівцям за те, що, незважаючи на зайнятість, приділили увагу нашій газеті. Ваші відповіді дозволили мені скласти доволі цілісну картину роботи вашого заводу, бо охопили як теоретичні, так і практичні проблеми сьогодення і майбутнього.
Ведучий
Поважні тепер теплові двигуни,
Бо людям полегшують працю вони:
Орють, засівають, збирають зерно.
Без них, як без рук, все одно.
Із міста у місто нас возять не раз,
І тим економлять нам сили і час.
Внизу залишивши свій шлейф вогняний,
У простір космічний злітають вони.
В повітрі, як птахи, як риби в воді,
Хоч досить вже давні, та все ж молоді.
Потрібні всім людям усюди й завжди,
Та тільки призводять, бува, до біди.
Повітря отруйне, як спадок, для всіх –
І в тому їх шкода, великий їх гріх.
А скільки пального з’їдають щодня!..
То, може, повернемо вола і коня?
Проблеми відразу розв’яжуться всі…
Є віз дерев’яний, навіщо таксі?
Чи, може, зуміємо вихід знайти,
Щоб Землю свою й двигуни зберегти?
Кореспондент. Ще раз щиро усім дякую.
Учитель. Сподіваюся, усім було цікаво й на уроці усі збагатилися знаннями. А щоб вони були міцнішими, заповнимо таблицю.
III. Систематизація знань.
Систематизація знань проводиться у вигляді заповнення таблиці.
Назва теплового двигуна | ККД | Переваги | Недоліки | Використання та перспективи |
IV. Підсумок уроку. Домашнє завдання
