ККД теплового двигуна
2-й семестр
ТЕПЛОВІ ЯВИЩА
4. Кількість теплоти. Теплові машини
Урок 23/65
Тема. ККД теплового двигуна
Мета уроку: навчити учнів визначати ефективність теплових двигунів; показати шляхи підвищення ККД теплових двигунів.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
План уроку
Контроль знань | 5 хв. | 1. Який принцип роботи реактивного двигуна? 2. Який принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння? Опишіть коротко кожний із чотирьох тактів роботи двигуна, використовуючи 3. Принцип роботи парової турбіни |
Демонстрації | 5 хв. | Фрагменти відеофільму “Теплові двигуни” |
Вивчення нового матеріалу | 20 хв. | 1. Перетворення енергії при роботі теплового двигуна. 2. Коефіцієнт корисної дії |
Закріплення вивченого матеріалу | 15 хв. | 1. Контрольні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. 3. Поміркуй і відповідай |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Перетворення енергії при роботі теплового двигуна
На початку уроку у формі бесіди
Нагрівання газу відбувається завдяки спалюванню палива: на теплових електростанціях – вугілля, газу або мазуту, у ракетах – ракетного палива, у двигунах внутрішнього згоряння – бензину або дизельного палива.
Таким чином, у тепловому двигуні відбуваються такі перетворення енергії:
– при спалюванні палива його внутрішня енергія переходить у внутрішню енергію пари (газу);
– розширюючись, газ виконує роботу – при цьому внутрішня енергія газу частково перетворюється в механічну енергію.
На рисунку схематично показані перетворення енергії в тепловому двигуні.
Тут Q1 – кількість теплоти, передана робочому тілу (газу) при спалюванні палива; А – виконувана двигуном механічна робота (наприклад, з розгону автомобіля); Q2 – кількість теплоти, передана навколишньому середовищу.
З наведеної схеми видно, що при роботі теплового двигуна далеко не вся енергія, що виділилася при згорянні палива, перетворюється в механічну: значна кількість теплоти передається навколишньому середовищу. Ось чому в будь-якому тепловому двигуні є пристрій, спеціально призначений для охолодження двигуна. Без постійного охолодження двигуна він перестає працювати.
На рисунку ширина стрілок приблизно відповідає числовим значенням відповідних величин.
На початку XIX століття французький учений Саді Карно в роботі “Міркування про рушійну силу вогню й машини, здатних розвивати цю силу” довів, що тепловий двигун може працювати тільки за умови, що значна частина енергії, яка виділилася при згорянні палива, передається за допомогою теплообміну навколишньому середовищу.
2. Коефіцієнт корисної дії
У 1824 році С. Карно встановив, що теплова машина повинна складатися з нагрівника, робочого тіла, що, власне, виконує роботу й холодильника (охолоджувача).
Така машина буде виконувати роботу, якщо температура охолоджувача нижче температури нагрівника. За законом збереження енергії ця робота дорівнюватиме A = Q1 – Q2.
Ефективність теплового двигуна тим вище, чим більше робота А, виконана двигуном, за тієї ж кількості теплоти Q1, що виділилася при згорянні палива.
Коефіцієнтом корисної дії? теплового двигуна називають виражене у відсотках відношення роботи А, виконаної двигуном, до кількості теплоти Q1, що виділилася при згорянні палива:
Оскільки робота A = Q1 – Q2, то
Зважаючи на те, що передана навколишньому середовищу кількість теплоти Q2 завжди більше нуля, коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна менше 100 %. Це означає, що на механічну енергію можна перетворити тільки частину енергії, яка виділилася при згорянні палива.
Із часів появи перших теплових двигунів учені й інженери прагнули максимально збільшити їх ККД. І вони досягли значних успіхів: якщо ККД перших парових машин становив усього лише близько 1 %, а ККД паровозів – близько 5 %, то ККД сучасних двигунів внутрішнього згоряння досягає 35-40 %. Такий же приблизно ККД сучасних парових турбін на теплових електростанціях.
Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу
Які перетворення енергій відбуваються при роботі теплового двигуна?
Чи вся енергія, що виділилася при спалюванні палива, перетворюється на механічну при роботі теплового двигуна?
Чому в теплових двигунах тільки частина енергії палива перетворюється на механічну енергію?
Чому ККД теплової машини завжди менше 100 %?
Чому не можна створити “вічний двигун”?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Навчаємося розв’язувати задачі
1. Двигун потужністю 10 кВт споживає за годину 3 л бензину. Визначте ККД двигуна.
Розв’язок. Відповідно до визначення ККД 
Корисна робота AK = P – t, теплота згоряння бензину Q1 = qm1. Оскільки маса бензину m1 = ?V, то
2. Яку масу бензину витратили двигуни літака, що пролетів 500 км із середньою швидкістю 250 км/год. Середня потужність двигунів літака при ККД 25 % становить 2 МВт. Питома теплота згоряння бензину 46 МДж/кг.
Розв’язок. Відповідно до визначення ККД 
З урахуванням того, що А? = P – t й Q1 = qm1, одержуємо:
Звідси:
Перевіряємо одиниці величин:
Обчислюємо масу бензину:
Відповідь: у польоті було витрачено 1,25 т бензину.
3. Автомобіль проїхав 80 км, витратив 14 л бензину. Двигун автомобіля розвивав середню потужність 40 кВт. З якою середньою швидкістю рухався автомобіль, якщо ККД його двигуна 30 % ?
2). Поміркуй і відповідай
1. В одній паровій турбіні для здійснення корисної дії використовується 1/5 частина енергії, а в іншій – 1/3 частина. ККД якої турбіни більше? Знайдіть ККД кожної турбіни.
2. У якому випадку рідке розпилене паливо в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння має більшу внутрішню енергію: до кінця такту усмоктування чи до кінця такту стиску? Поясніть свою відповідь.
Домашнє завдання-1
1. У-1: § 28 (п. 5).
2. Сб-1:
Рів1 – № 31.7, 31.8, 31.9, 31.10, 31.11.
Рів2 – № 31.19, 31.20, 31.21,31.22, 31.23.
Рів3 – № 31.27, 31.29, 31.30, 31.31, 31.36.
Домашнє завдання-2
1. У-2: §§ 42 (п. 2).
2. Сб-2:
Рів1 – № 31.8, 31.9 31.16.
Рів2 – № 31.18, 31.19, 31.20, 31.21.
Рів3 – № 31.27, 31.28, 31.29, 31.30.
3. Д: Підготуватися до самостійної роботи № 24 “Теплові двигуни”.
Завдання для самостійної роботи № 24 “Теплові двигуни”
Початковий рівень
1. У легковому автомобілі використовують двигун внутрішнього згоряння. Виберіть правильне твердження.
А Впускний і випускний клапани двигуна внутрішнього згоряння відкриваються одночасно.
Б У двигуні внутрішнього згоряння внутрішня енергія палива перетворюється в потенціальну енергію автомобіля.
В У вихлопних газах автомобіля містяться шкідливі для навколишнього середовища речовини.
2. Виберіть правильне твердження щодо роботи парової турбіни.
А Парові турбіни використовують на літаках.
Б Парові турбіни використовують на автомобілях.
В Потужні парові турбіни застосовують на теплових електростанціях.
Середній рівень
1. Де застосовують двигуни внутрішнього згоряння? Наведіть приклади.
2. Який принцип роботи парової турбіни? Де її використовують?
Достатній рівень
1. Який ККД теплового двигуна, що виконав корисну роботу 70 кДж, якщо при повному згорянні палива виділилася енергія 200 кДж?
2. Теплова машина за один цикл одержує від нагрівника кількість теплоти 10 Дж і віддає холодильнику 6 Дж. Який ККД теплової машини?
Високий рівень
1. Двигун потужністю 18 кВт за 3 год роботи витратив 12 кг гасу. Який ККД цього двигуна?
2. Двигун витратив 6 кг гасу за 2 год. Яка потужність цього двигуна, якщо його ККД дорівнює 25 %?
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...