ТЕПЛОВІ ДВИГУНИ Й ОХОРОНА ПРИРОДИ
“ТЕПЛОВІ ДВИГУНИ Й ОХОРОНА ПРИРОДИ”
Урок творчості
Мета. Повторити й узагальнити знання учнів; Ознайомити їх з історією винаходів теплових двигунів; здійснювати екологічне виховання учнів; стимулювати розвиток творчості, ініціативи, кмітливості; зосередити увагу на глобальній планетарній проблемі сучасної цивілізації – екології.
Тип уроку. Урок узагальнення та систематизації знань.
Обладнання. Модель двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), модель парової турбіни, таблиці будови різних теплових двигунів, плакати.
Методичні
1) Уміння висувати гіпотезу.
2) Уміння висувати незвичайні ідеї.
3) Уміння планувати й проводити експеримент.
4) Уміння аналізувати отриманий результат.
5) Уміння теоретично обгрунтувати висновки.
Для оформлення кабінету фізики використовуються плакати з висловлюваннями, які можуть бути девізом уроку:
“Охорона природи – це справа всіх і кожного, це державна справа” (Закон України “Про охорону навколишнього середовища”);
Ми господарі нашої Батьківщини,
“Винахідник не бореться проти законів природи, а використовує їх”.
У першій частині уроку можна провести розминку у вигляді бліц-вікторини “Запитання – відповіді”, які заздалегідь записані на стенді “Сьогодні на уроці” в колонці “Знай”.
Можливий і такий спосіб узагальнюючого повторення: кільком учням роздаються картки із завданнями (на 5 хв.), що включають чотири рівні навченості: 1) розрізнення; 2) запам’ятовування, відтворення, 3) розуміння та елементарні уміння і навички; 4) застосування знань у стандартних і нестандартних ситуаціях. Робота з картками оцінюється пізніше.
Після актуалізації опорних знань учитель повідомляє завдання, які розглядатимуться на уроці (вони заздалегідь написані на плакаті й вивішені на магнітній дошці).
Хід уроку
I. Актуалізація опорних знань учнів
Учитель. Наш сьогоднішній урок – заключний у розділі “Зміна агрегатних станів речовини”. Проведемо розминку.
(Запрошуються 4-5 учнів, один з яких виконує завдання, що записані на картці, біля дошки, решта – за партами.)
З іншими учнями класу протягом 5-7 хв. проводиться повторення основних питань у вигляді бліц-вікторини (питання записані заздалегідь).
1) Що таке внутрішня енергія?
2) Як можна змінити внутрішню енергію тіла?
3) Як визначити кількість теплоти, потрібну для нагрівання тіла?
4) Як визначити кількість теплоти, потрібну для зміни агрегатних станів речовини?
5) Сформулювати закон збереження й перетворення енергії.
6) Які двигуни називаються тепловими?
7) З яких основних частин складається тепловий двигун?
8) Сформулювати загальний принцип дії теплового двигуна.
9) Що є робочим тілом у паровій і газовій турбінах?
10) Що є робочим тілом у ДВЗ?
11) Як визначити ККД теплового двигуна?
Учитель. Розминку закінчено.
II. Повідомлення теми уроку і завдань, основних вимог “мозкової атаки”
Завдання
1) Розглянути можливості підвищення ККД теплового двигуна.
2) Оцінити вплив теплових машин на екологію.
3) Винайти новий (раніше невідомий) комбінований тепловий двигун.
III. “Мозкова атака”. Основний зміст повідомлень учителя й учнів, розгляд ідей, їхній аналіз, оцінювання
Учитель.
1. Яке значення має використання теплових двигунів у народному господарстві?
2. У чому проявляються негативні наслідки використання теплових двигунів?
Перший учень. Теплові машини широко використовуються у народному господарстві. Потужні парові турбіни на теплових і атомних електростанціях приводять у рух ротори генераторів електричного струму. Близько 60% усієї електроенергії в нашій країні виробляється на теплових електростанціях. Залізничними магістралями водять потяги потужні тепловози, водними шляхами – теплоходи. Мільйони автомобілів із двигунами внутрішнього згоряння перевозять вантажі й пасажирів. Поршневі, турбогвинтові та турбореактивні двигуни встановлені на літаках і гелікоптерах; за допомогою ракетних двигунів здійснюються запуски штучних супутників, космічних станцій. Двигуни внутрішнього згоряння є основою механізації виробничих процесів у сільському господарстві. їх використовують на тракторах, комбайнах, самохідних шасі, насосних станціях.
Другий учень. Одним із факторів негативного впливу теплових двигунів на природу є теплове забруднення. Досить порівняти температуру газоподібних продуктів згоряння з температурою навколишнього середовища (наприклад, у ДВЗ t = 1600 – 2500° C). Це призводить до поступового підвищення середньої температури на Землі. Нині споживана потужність двигунів становить 1010 кВт. Коли ця потужність досягне 3-1012 кВт, середня температура підвищиться на 1° С. Подальше підвищення температури може спричинити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня світового океану.
Третій учень. Другим фактором негативного впливу на природу є надмірно велике споживання кисню тепловими двигунами і викидання в атмосферу продуктів згоряння, які містять у собі шкідливі речовини.
У відпрацьованих газах міститься понад 170 різних шкідливих компонентів, наявність 160 з яких зумовлена неповним згорянням палива у двигунах. Зараз в усьому світі енергетичні установки викидають в атмосферу щорічно 200-250 млн. тонн золи і близько 60 млн. тонн оксиду сульфату (80 г). Повітря забруднюють і різні види транспорту, насамперед автомобільний. На рух автомобіля використовується лише 25 % енергії палива, а 75% “вилітає у трубу”. У вихлопних газах двигуна за нормального режиму міститься 2,7 % оксиду вуглецю. Під час зменшення швидкості руху автомобіля ця частка зростає до 3,9 %, а при повільному русі – до 6,9 %. Жителі великих міст задихаються від вихлопних газів автомобільних двигунів.
Четвертий учень. Я розповім про порушення теплового балансу на Землі внаслідок збільшення в атмосфері кількості оксиду карбону (СО2), який виділяється в процесі згоряння палива у теплових двигунах.
Карбон (IV) оксид разом із водяною парою призводять до виникнення “парникового ефекту”. Температура на поверхні Землі внаслідок “парникового ефекту” значно підвищується.
Об’ємна концентрація оксиду карбону в атмосфері нині становить 0,0314 % від усіх газів атмосфери. Є серйозні підстави побоюватися, що навіть незначне збільшення цієї концентрації різко порушить тепловий баланс Землі. А вже тепер щороку в атмосферу викидається близько 5 млрд. тонн СО2.
Учитель.
Ми атомні заложники прогресу,
Вже в нас нема ні лісу, ні небес.
Так і живемо від стресу і до стресу,
Абетку смерті маємо – АЕС.
Тема нашого уроку порушує дві глобальні проблеми людства – паливно-енергетичну й екологічну (охорона навколишнього середовища).
Актуальність природоохоронної діяльності пов’язана ще й з тим, що зараз уже недостатньо втручання у розв’язання екологічних проблем окремих груп людей і організацій. Сьогодні лише
Безпосередня участь в охороні природи кожного з нас може дати позитивні результати.
А тому варто ще раз звернути увагу на важливість розв’язання цих проблем.
Пропонується:
1. дослідити можливі шляхи підвищення екологічності теплових двигунів (ДВЗ або парової турбіни);
2. розв’язати задачу.
Задача. Скільки дизельного палива спалить двигун міжміського автобуса за 1 год., якщо він розвиває потужність 110 кВт? ККД двигуна становить 2500, питома теплота згоряння дизельного палива дорівнює 4,2-107 Дж /кг.
Відповідь: m = 38 кг. Витрата палива на цій ділянці становить приблизно 47л.
Учитель повідомляє, що середня витрата палива двигуном автобуса на 100 км шляху становить 40 л. Фахівцями встановлено, що автомобіль щороку споживає з атмосфери 4 т кисню.
Учитель. Про що свідчить знайдене число 47 л?
Аналізуючи отриману формулу, визначаємо, що при заданій потужності й заданому часі для зменшення маси (об’єму) палива треба замінити його ефективнішим, у якого питома теплота згоряння більша, а також підвищити ККД двигуна.
Учитель. Які види палива використовують для роботи теплових двигунів?
Пропоную знайти на с. 138 підручника таблицю № 2 “Питома теплота згоряння палива”. Розгляньте дані таблиці й скажіть, як можна зменшити витрати палива під час роботи теплового двигуна?
Учні. Використати ефективніше паливо, тобто замінити його пропаном або воднем, оскільки їхня питома теплота згоряння більша:
Учень. Є автомобілі, двигуни яких працюють на газі.
Учитель. До речі, під час спалювання природного газу викидання оксидів нітрогену на 20% менше, ніж при спалюванні інших видів палива (вугілля, бензину). Доведіть, що водень енергетично ефективніший, ніж бензин або дизельне паливо.
(Якщо учням складно це зробити, доцільно поставити таке навідне запитання: “У скільки разів питома теплота згоряння водню більша від питомої теплоти згоряння бензину?”)
Учні. Приблизно втричі.
Учитель. Зробіть висновок.
Учень. Це означає, що можна втричі зменшити масу палива (водню) у ДВЗ.
Учитель. Що можна сказати про екологічний вплив цього палива?
Учні. Під час згоряння водню утворюється чиста вода, а не шкідливі для організму людини вуглекислий газ (СО2) і, особливо, чадний газ (СО).
Учитель. Отже, витрату палива можна зменшити, використовуючи високоефективне паливо.
Аналізуючи формулу 
ми встановили, що економія палива залежить також від збільшення ККД двигуна. Зверніть увагу на дані таблиці № 206 (див. “Додатки”) і скажіть, де можна зекономити енергію, щоб підвищити ККД?
Учні. У автомобільному двигуні найбільше енергії втрачається з газами – 35 % і з водою – 25 %.
Учитель. Як зменшити ці втрати?
Підказка. Для чого потрібно охолоджувати двигун?
Учні. Якщо двигун не охолоджувати, він вийде з ладу.
Учитель. Саме це і відбувається, якщо система охолодження автомобіля не працює. А з іншого боку, якщо двигун не охолодити, це призведе до зменшення ККД. Охолодити двигун – означає зменшити його внутрішню енергію. Якими способами можна зменшити енергію тіла?
Учні. Внутрішню енергію тіла можна змінити теплопередачею і виконанням роботи.
Учитель. Чи можна змінити внутрішню енергію тіла, не змінюючи його температури?
Другий учень. Можна, якщо змінюватиметься агрегатний стан речовини.
Учитель. Яким чином охолоджується автомобільний двигун?
Учні. За рахунок теплопередачі.
Учитель. А чи не можна охолодити двигун, змінюючи агрегатний стан (перетворюючи рідини на пару або виконуючи роботу)?
Перший учень. Якщо двигун охолоджувати, змінюючи агрегатний стан, двигун працюватиме при температурі кипіння рідини. Для води це 100°С. Вода буде інтенсивно випаровуватися, отже, її необхідно весь час доливати, а це означає, що потрібний радіатор.
Учитель. А якщо охолоджувати двигун і пару за рахунок виконання роботи?
Другий учень. Для цього двигун треба не охолоджувати, а, навпаки, тепло ізолювати. Тоді пару, що утворилася у водяній сорочці, можна подавати в циліндри парової машини, яка переміщатиме поршень і через систему передач обертатиме колеса автомобіля.
Учитель. Як працюють парові машини?
Третій учень. Вода у котлах кипить під високим тиском, а, отже, при температурі, вищій за 100°С. Пару подають у циліндр парової машини, де поршень переміщується за рахунок енергії пари.
Учитель. Ви сказали, що вода кипить під високим тиском. Крім того, пару додатково нагрівають до високих температур.
Учні. У тепло ізольованому двигуні температура пари становитиме тільки 100°С, тобто буде м’якою, а тому потужність парової машини буде мала.
Четвертий учень. Для підвищення потужності двигуна можна використати частину енергії, що виходить із вихлопними газами. Адже температура цих газів (таблиця у “Додатках”) становить 900- 1400°С. Тобто вихлопні гази можна використати для газової турбіни.
Учитель. Отже, ви винайшли новий комбінований тепловий двигун. Як ми його назвемо?
Учні. “Трансформер”, або “Паро-ДВЗ”.
Учитель. Підіб’ємо підсумки. Ви тепло ізолювали двигун. Це означає, що ви заощадили близько 20 % енергії, яка втрачалася з водою. Використовуючи пару і вихлопні гази як робоче тіло для парової машини і газової турбіни, ви реально збільшили ККД двигуна внутрішнього згоряння на 10-15 %.
Які переваги має автомобіль із двигуном “Трансформер порівняно з ДВЗ?
Учні. Збільшення ККД двигуна дає змогу зменшити витрати палива, а отже, і негативний вплив двигуна на природу.
IV. Узагальнення й систематизація знань
Учитель. Нам залишається узагальнити й обгрунтувати дослідження, зробити висновки. Яким чином можна зменшити негативний вплив теплових двигунів на природу?
Учні
1. Використанням високоефективного палива (заміна існуючого палива екологічно чистим).
2. Підвищенням ККД.
Учитель.
3. Крім того, треба створити сприятливі умови для згоряння палива, реконструювати старі й створити нові типи двигунів.
4. Удосконалити систему управління міським транспортом – створити умови для безупинного руху машин на дорогах, бо під час гальмування і руху з місця кількість шкідливих речовин, що викидаються в повітря, збільшується у кілька разів, а також шукати шляхи зменшення рівня шумового забруднення.
5. Підвищити ефективність використання енергії, боротися за її економію. (Урок закінчується аналізом виконання завдань уроку, оцінюванням відповідей учнів та завданням додому.)
V. Домашнє завдання
1. Винайти спосіб збільшення кількості пари та підвищення її температури в самому ДВЗ.
2. Подумати над тим, які будуть розміри і маса “Паро-ДВЗ”, оскільки з’явиться додаткова парова машина і газова турбіна.
3. Що означають вислови “економити тепло”, “берегти природу”?
4. Написати реферат “Екологічно чисті джерела енергії”.
Додатки
Температура газу в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння.
Карбюраторний ДВЗ Кінець процесу впуску – 50-80°С Кінець процесу стиску – 250-300°С Кінець процесу згоряння – 2500°С Кінець процесу розширення – 900-1400°С
Наближені енергетичні баланси процесів установок, машин, електростанцій. Двигун автомобіля (карбюраторний)
Втрати енергії з відпрацьованими газами – 35%
Втрати енергії з водою – 25%
Втрати енергії на роботу сили тертя механізмів – 10%
Втрати енергії від неповного згоряння палива – 5%
Корисна енергія – 25%
Парова машина
Втрати енергії з охолоджувальною водою – 57,2%
Втрати енергії в котлі – 24%
Втрати енергії в трубопроводах – 2%
Втрати енергії від охолодження – 1,8%
Корисна енергія – 15%
Реферат на тему “Паливні комірки як екологічно чисті джерела енергії майбутнього”
До недавнього часу людство забезпечувало свої енергетичні потреби за рахунок спалювання мінерального палива – нафтопродуктів, вугілля, природного газу. Сподіватися, що така ситуація триватиме і в майбутньому безпідставно із двох причин: 1) обмеженості мінерального палива в надрах Землі й 2) забруднення навколишнього середовища продуктами згоряння. Тому вже впродовж тривалого часу людство шукає нових джерел енергії – гідроенергії, атомної енергії, перетворення сонячної енергії тощо. Ці джерела мають як позитивні, так і негативні сторони, з огляду на екологічні наслідки їхнього використання та фінансові затрати.
Розглянемо таке нетрадиційне джерело енергії, як паливні комірки, які сьогодні ще маловідомі. Ключовими компонентами паливної комірки є: анод, до якого підводиться паливо (в даному разі водень); катод, до якого підводиться кисень; електроліт, у якому між катодом і анодом можуть рухатися лише іони, що дуже суттєво.
При цьому відбувається реакція
Тобто та сама, що й за звичайного спалювання водню.
Явище отримання електричного струму безпосередньо з палива було відкрите ще 1839 році Вільямом Гроувом. Проте способів його практичного застосування, попри інтенсивні дослідження, не було знайдено аж до 60-х рр. минулого століття, коли НАСА використала паливні комірки як джерело електроенергії на борту “Gemini” та “Apollo” під час польотів на Місяць.
ККД різних паливних комірок доволі високі – до 90% і вище (для порівняння: найефективніші сучасні тепло електрогенератори мають ККД лише 35-40%). Більше того, для деяких паливних комірок можливий ККД, близький до 100%!
У найближче десятиліття паливні комірки можуть стати альтернативними двигунам внутрішнього згоряння в автомобілях. Демонстраційні проекти використання паливних комірок замість двигунів внутрішнього згоряння вже створені в США, Канаді, Німеччині. За прогнозами, зробленими 1993 р., автомобільні двигуни на паливних комірках при їхньому масовому виробництві матимуть ту ж вартість, що й двигуни внутрішнього згоряння, але вартість обслуговування таких двигунів буде нижчою завдяки простоті експлуатації.
Підсумовуючи, можна сказати, що висока ефективність паливних комірок, їхня екологічність будуть і надалі привертати до них увагу, результатом чого стане їхнє широкомасштабне практичне застосування вже в недалекому майбутньому.
Післямова (роздуми вчителя)
Пролунав дзвінок, але урок не закінчився, він триває. Серед учнів завжди знайдуться раціоналізатори ідей. Група дітей намагалася розв’язати завдання, запропоновані на уроці. Глобальність теми уроку захопила їх. Відповідь шукали в науково-популярній літературі, у підручниках для старших класів, сміливо бралися до питань, які й досі нерозв’язані. Учні пропонували доволі цікаві, а інколи просто фантастичні проекти теплових двигунів.
Одне з найважливіших завдань сучасної школи – розвиток особистості. Ідеться не про те, щоб учні обов’язково створили проект якогось винаходу. Важливо, щоб був пошук нових, нетрадиційних методів навчання, заснованих на колективній творчості під час розв’язання проблемних задач, ділового спілкування учнів, що базується на принципах демократії, ведення діалогу, альтернативності.
Завдання уроку успішно розв’язані, хоча сам урок далекий від завершеності. Його можна продовжити в старших класах після вивчення законів термодинаміки.
