В тепловом двигателе внутренняя энергия газа или пара частично превращается в механическую энергию

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 19.09.2024

1 В тепловых двигателях
1) внутренняя энергия топлива превращается во внутреннюю энергию пара;
2) механическая энергия превращается во внутреннюю энергию;
3) внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
2 Тепловые двигатели не используют
1) в самолетах; 2) в автомобилях;
3) в холодильниках;
4) на морских судах.
3 За тактом сжатия следует
1) расширение;
2) выпуск;
3) впуск;
4) рабочий ход
4 Рабочему ходу предшествует
1) выпуск;
2) впуск;
3) расширение;
4) сжатие
5 Рабочий цикл двигателя происходит за
1) 2 такта;
2) 3 такта;
3) 4 такта;
4) 8 тактов
6 Сгорание горючей смеси в цилиндре ДВС происходит в конце такта
1) впуска;
2) сжатия;
3)расширения
7 Вал двигателя внутреннего сгорания за рабочий цикл совершает
1) 1 оборот;
2) 4 оборота;
3) 2 оборота.
8 Найти лишнее слово в перечне
1) поршень;
2) цилиндр;
3) свеча;
4) турбина;
5) шатун
9 Рабочим телом теплового двигателя может быть
1) пар;
2) вода;
3)поршень;
4) вал
10 Атмосферный воздух часто играет в тепловом двигателе роль
1) рабочего тела;
2)холодильника;
3)нагревателя
11 Причинами потерь энергии при работе теплового двигателя могут быть
1) трение между движущимися частями двигателя и теплопередача;
2)только трение между движущимися частями двигателя;
3) только теплопередача от нагретого газа (пара) к двигателю и окружающей среде
12 Равномерное вращение вала ДВС обеспечивается наличием
1) шатуна;
2) диска;
3) маховика;
4)поршня
13 Общим у турбины и ДВС является
1) отсутствие поршня; 2) наличие цилиндра; 3)наличие вала;
4) отсутствие вала
14 Найди верное утверждение:
1) КПД теплового двигателя может превышать 100%;
2) КПД теплового двигателя не может превышать 30%;
3) КПД теплового двигателя всегда меньше 100%;
4) КПД теплового двигателя может равняться 90%
15 За цикл работы идеального теплового двигателя рабочему телу от нагревателя было передано количество
теплоты 80 Дж, а холодильнику о рабочего тела – количество теплоты 60 Дж. Определите КПД теплового
двигателя?

1 - 3
2 - 2
3 - 4
4 - 4
5 - 3
6 - 2
7 - 2
8 - 4
9 - 3
10 - 2
11 -1
12 - 3
13 - 3
14 - 3
15 - 25%
Если честно, нужно просто сесть и прочитать учебник (ребенку), тогда ребенок сможет нормально написать простейший тест. Если он не в состоянии это сделать сам, то возьмите его и за ручку приведите к учебнику. Каждый день говорите, как вы его очень любите, обнимайте его и уделяйте побольше внимания.

Чайник на плите. Водяной пар. При температуре парообразования. Давление под крышкой немного больше атмосферного. Энергия потока пара невелика, конечно, но ее достаточно, чтобы не плотно закрытая крышка подпрыгивала на горловине чайника.

Паровая машина (двигатель внешнего сгорания). Паровой котел. Сгорает топливо, греет воду. На выходе - водяной пар высокого давления (0.5. 1,5 МПа, температура t≅ 250 °С. Пар подается под поршень, расширяется, выполняет работу А ,Дж поднимает поршень вверх, поршень через кривошипно-шатунный механизм прербразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движения колеса насоса, паровоза, парохода.

Паровая турбина. Современная паро-водяная турбина использует пар с параметрами до Р≅22.5 МПа, t≅560 °С (т.н. сверхкритические параметры). Пар с такими параметрми через систему сопел подается на специалные лопатки, закрепленные на колесе. Это колесо (ротор турбины) вращается с большой скоростью, и передает мощность винтам кораблей, роторам турбогенераторов. Мощность современных турбин достигает 1000 МВт на одном валу.

Паровая катапульта. Механизм, устанавливаемый на военных кораблях-авианосцах. Позволяет разгонять летательные аппараты до 30 т весом до скоростей 250. 270 км/ч, что облегчает их взлет с коротких палуб авианосцев. Пар высокого давления и температуры берется из магистралей главной энергетической установки корабля, в настоящее время "парогрейным котлом" на таких кораблях являются ядерные реакторы. Пар подается в цилиндр, котоый, двигаясь вдоль палубы, тянет за собой самолеты. Такая себе "линейная турбина".

Такая вот физика. Пар "накачивается" внутренней энергией за счет нагрева его до высоких температур (температура - мера внутренней энергии тела!), при этом приходится повышать его давление. В вышеописанных механизмах внутренняя энергия пара преобразуется в механическую (кинетическую), температура снижается, пар конденсируетс в воду.

Доступно для всех учеников 1-11 классов и дошкольников

Описание презентации по отдельным слайдам:

Да или Нет
Вопросы :
1. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетических энергий всех молекул.
2. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетической и потенциальной энергии всех молекул.
3. Работа, которая совершается при нагревании тела – это количество теплоты.
4. Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче.
5. Источник энергии топлива – соединении при его горении атомов в молекулы.
6. Закон сохранения механической энергии утверждает – кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот.
7. Закон сохранения механической энергии утверждает – при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной.
8. Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает при этом внутренняя энергия переходит в механическую.
9. Превращение внутренней энергии в механическую происходит при распиливании бревна, т.к. при этом пила нагревается.
10. Один из основных законов природы - закон сохранения и превращения энергии устанавливает постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому.

Да или Нет
Вопросы :
1. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетических энергий всех молекул. (нет)
2. Внутренняя энергия – это энергия частиц тела. Она состоит из кинетической и потенциальной энергии всех молекул. (да)
3. Работа, которая совершается при нагревании тела – это количество теплоты. (нет)
4. Количество теплоты – это энергия, которую тело получает или отдает при теплопередаче. (да)
5. Источник энергии топлива – соединении при его горении атомов в молекулы. (да)
6. Закон сохранения механической энергии утверждает – кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот. (нет)
7. Закон сохранения механической энергии утверждает – при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной. (да)
8. Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает при этом внутренняя энергия переходит в механическую. (да)
9. Превращение внутренней энергии в механическую происходит при распиливании бревна, т.к. при этом пила нагревается. (нет)
10. Один из основных законов природы - закон сохранения и превращения энергии устанавливает постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому. (да)

Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели

Цели урока:
Изучить:
Физические основы работы тепловых машин;
Устройство и принцип действия двигателя внутреннего сгорания, паровой машины;
Познакомиться с историей появления тепловых машин.

Обсудим
Изменяется ли внутренняя энергия газа в трубке?
За счет чего происходит изменение энергии?
Как изменяется внутренняя энергия газа?
Почему вы так думаете?.
Можно ли сказать, что расширяясь газ совершает работу?
Какие превращения энергии мы наблюдаем?

Внутренняя энергия топлива при его сгорании преобразуется во внутреннюю энергию высокотемпературного газа, которая при расширении газа частично превращается в механическую энергию пробки
Тепловой двигатель – это машина, в которой внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию

История изобретения тепловых машин
С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 г. построил первую паровую машину, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно изменили содержание человеческого труда.

Изобретение паровой машины имело исключительно большое значение для перехода к машинному производству, сделало возможным изобретение парохода(1807), и паровоза (1814).

Изобретение паровой турбины позволило резко увеличить мощности электростанций. В настоящее время паровая турбина—основной первичный двигатель на тепловых и атомных электростанциях.

Домашнее задание:
§ 21, вопросы в конце параграфа.
Какие экологические проблемы породили тепловые двигатели? Каковы пути их решения?

1.Тепловыми двигателями называют машины, в которых…

В. Внутренняя энергия превращается в механическую энергию
А. Кинетическая энергия превращается в потенциальную
Б. Механическая энергия превращается во внутреннюю энергию

2. В каком из перечисленных ниже транспортных средств используется ДВС?
А. Паровоз
Б. Автомобиль
В. Трамвай
Г. Троллейбус

3. Какой тепловой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?
А. Который имеет внутреннюю камеру сгорания топлива.
Б. У которого топливо сгорает внутри рабочего цилиндра двигателя.
В. Для которого используется жидкое топливо, вводимое непосредственно в двигатель.

4. Из последовательности каких 4-х тактов состоит каждый цикл работы двигателя внутреннего сгорания?
А. Сжатия, выпуска, рабочего хода, впуска
Б. Рабочего хода, впуска, сжатия, выпуска.
В. Впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска.

5. Зачем для работы двигателя внутреннего сгорания нужен маховик на его валу?

А. Чтобы, получив энергию во время рабочего хода и вращаясь затем по инерции, маховик поворачивал вал двигателя для осуществления других тактов цикла его работы.

Б. Чтобы маховик вращал вал двигателя в интервалах времени между рабочими ходами.

В. Чтобы маховик во время рабочего хода запасал энергию, нужную для работы двигателя внутреннего сгорания?

Доступно для всех учеников 1-11 классов и дошкольников

Принцип действия теплового двигателя. КПД теплового двигателя.

Образовательные:

Создать условия для изучения устройства и принципа работы тепловой машины;

Организовать деятельность студентов по изучению и применению знаний в различных ситуациях;

Создать условия для развития у студентов умение выделять главное, умение анализировать условие задачи, ее решение и полученный результат.

Развивающие:

Формировать у студентов мотивацию к изучению физики;

Развивать умение логического мышления, полноты и аргументированности высказываний, навыки выделения интегрированной связи физики с другими науками;

Воспитательные:

Воспитывать у студентов глубокое уважение к природе, науке, друг к другу;

Привить интерес к физике и расширить кругозор студентов.

Межпредметные связи : математика, устройство автомобиля.

Тип урока : урок получения новых знаний.

Применяемые технологии: проблемное обучение, информационно – коммуникационные, здоровьесберегающие.

Материалы и оборудование : модель ДВС, компьютер, проектор, экран, презентация, тест.

Формируемые ОК : ОК1, ОК2, ОК5, ОК6.

1. Организация начала урока – 2мин

2. Актуализация знаний – 5 мин

3. Изучение нового материала – 23 мин

4. Физкультминутка: выполнение гимнастики для глаз – 2 мин

5. Закрепление – 8 мин

6. Рефлексия – 2 мин

7. Подведение итогов – 1 мин

8. Домашнее задание – 2 мин

Организация начала урока.

Проверка списочного состава обучающихся, психологический настрой.

Актуализация знаний.

Преподаватель: Прежде, чем мы перейдём к изучению нового материала, давайте вспомним основные понятия, которые помогут нам определиться с темой сегодняшнего урока. Вам поможет кроссворд, ключевое слово которого имеет непосредственное отношение к теме сегодняшнего урока.

Единица измерения энергии (джоуль).

Источник тепловой энергии (топливо).

Кинетическая, потенциальная, внутренняя (энергия).

Дерево даешь – съедает, от воды – умирает (огонь).

Единица измерения мощности (ватт).

Величина, характеризующая степень нагретости тела (температура).

Один из видов теплопередачи (излучение).

Измеряется в паскалях (давление).

Единица измерения термодинамической температуры (Кельвин).

Постановка проблемы. Проведение опыта: В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Что произойдёт? (Пробка выскочит). Почему это произошло? (Тепловая энергия перешла во внутреннюю энергию пара, а пар совершил работу).

Изучение нового материала

Внутренняя энергия представляет собой один из самых дешёвых видов энергии. Её можно получить, например, сжигая разнообразные виды топлива, чтобы затем за счёт неё совершить полезную работу. Превращение внутренней энергии в механическую очень важно для практической деятельности людей, для развития техники. Осуществляется такое превращение с помощью тепловых машин , называемых иначе тепловыми двигателями .

Тепловыми двигателями называют машины, в которых энергия топлива превращается в механическую энергию и за счёт неё совершается работа.

Существует несколько видов тепловых двигателей.

Во всех этих двигателях энергия топлива переходит в энергию газа или пара, газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Простейший тепловой двигатель представляет собой металлический цилиндр. К стенкам цилиндра плотно пригнан поршень, который может двигаться вдоль цилиндра. В нём внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию поршня. Такой двигатель был изобретён в конце XVII века и в дальнейшем усовершенствован.
В настоящее время известно множество разнообразных видов тепловых двигателей. Однако все они имеют в основе общий принцип действия.
Во всех двигателях энергия топлива сначала переходит во внутреннюю энергию газа или пара, нагретых до высокой температуры. Расширяясь, газ совершает работу против внешних сил и при этом охлаждается. При этом уменьшается его внутренняя энергия. Это означает, что часть его внутренней энергии превращается в механическую работу, например, по вращению вала турбины, движению поршня или какого-либо механизма. Оставшаяся часть внутренней энергии газа, не превращённая в механическую энергию, передаётся окружающей среде, которая играет роль охладителя и называется холодильником.
Таким образом, в конструкции всех тепловых двигателей можно выделить три основные необходимые части: нагреватель , в котором освобождается энергия топлива; рабочее тело , которым является пар или газ; холодильник , который забирает оставшееся неиспользованное количество теплоты.

Схема действия тепловых двигателей.

Из всех существующих двигателей мы рассмотрим ДВС. Как вы думаете, почему

двигатель называют ДВС?
Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя. ДВС – работает на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.
Рассмотрим модель ДВС в разрезе.

1такт - впуск : при повороте вала поршень опускается вниз. Объём над поршнем увеличивается, в цилиндре создается разрежение, впускной клапан открывается и в цилиндр входит горючая смесь. В конце такта цилиндр заполняется горючей смесью и впускной клапан закрывается.

2 такт - сжатие : при дальнейшем повороте вала поршень начинает двигаться вверх и сжимает горючую смесь, когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь возгорается от электрической искры и быстро сгорает.

3 такт - рабочий ход : образующиеся при сгорании смеси газы давят на поршень, и он движется вниз. В этом случае двигатель совершает работу. Этот такт называется рабочим ходом. Во 2 и 3 тактах оба клапана закрыты.

4 такт - выпуск : в конце 3 такта выпускной клапан открывается и через него продукты сгорания выходят в атмосферу. В течение такта поршень движется вверх. В конце такта выпускной клапан закрывается.

Итак, цикл двигателя состоит из 4 тактов. Давайте вспомним их ещё раз.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за 4 хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

Цикл двигателя:
Впуск. Сжатие. Рабочий ход. Выпуск.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение работы A' , совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η < 1 . КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T ₁ – T ₂ = 0 двигатель не может работать.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

Суть этой формулы выражена в доказанной С . Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Закрепление. Тестирование.

Вариант 1

1. КПД тепловой машины равен 20%. Это означает, что от энергии, выделившейся при полном сгорании топлива,

1) 20% идет на совершение полезной работы;

2) 80% идет на совершение полезной работы;

3) 20% преобразуется во внутреннюю энергию пара;

4) 20% преобразуется во внутреннюю энергию деталей.

2. В двигателе внутреннего сгорания

1) механическая энергия полностью превращается во внутреннюю;

2) внутренняя энергия топлива полностью превращается в механическую;

3) механическая энергия частично превращается во внутреннюю;

4) внутренняя энергия топлива частично превращается в механическую энергию.

3. Какие двигатели из перечисленных ниже называют тепловыми?

A. Двигатель внутреннего сгорания. Б. Паровая турбина.

B. Реактивный двигатель.

1) Только А. 3) Только В.

2) Только Б. 4) А, Б и В

4. В двигателе внутреннего сгорания клапаны закрыты, газы, образовавшиеся при сгорании горючей смеси, давят на поршень и толкают его. Как называется этот такт?

5. Напишите названия частей двигателя внутреннего сгорания.

Вариант 2

1. КПД двигателя внутреннего сгорания равен 40%. Это означает, что от энергии , выделившейся при полном сгорании топлива,

1) 40% идет на совершение полезной работы;

2) 60% идет на совершение полезной работы;

3) 40% преобразуется во внутреннею энергию пара;

4) 40% преобразуется во внутреннюю энергию деталей.

2. В тепловой машине.

1) механическая энергия полностью превращается во внутреннюю энергию;

2) внутренняя энергия топлива полностью превращается в механическую энергию;

3) внутренняя энергия топлива частично превращается в механическую энергию;

4) механическая энергия частично превращается во внутреннюю энергию.

3. Расширяясь, газ может совершить работу и при этом охладиться. В каком из названных ниже двигателей используется это явление?

A. Реактивный двигатель. Б. Паровая машина.

B. Двигатель внутреннего сгорания.

4) Во всех трех перечисленных двигателях.

4. В двигателе внутреннего сгорания клапаны закрыты, поршень движется, сжимая горючую смесь. Как называется этот такт?

5. Напишите названия частей двигателя внутреннего сгорания.

1 такт - я пассивно слушал (синий квадрат)

2 такт – я ничего не понял (чёрный квадрат)

3 такт – я не все понял (зелёный квадрат)

4 такт – я все понял (красный квадрат)

При выходе из кабинета оставьте один такт, который к вам подходит на своем рабочем месте.

7. Подведение итогов.

8. Домашнее задание. На ваших столах список слов. Ваша задача составить вопросы к этим словам, используя конспект, учебник по физике и сети Internet.

Слова: ДВС, газ, Бенц, клапан, кпд, Карно, Ползунов, турбина, паровоз.

Список используемых источников:

С. В. Беляев, В. В. Беляев Топлива для современных и перспективных автомобилей, учебное пособие, Петрозаводск, ПЕТРГУ, 2005 год;

Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц, составляющих данное тело. Наличие запаса энергии означает, что данное тело может совершить работу. Под работой обычно понимаются полезные для человека механические операции: перемещение грузов, вращение колес или турбин и т.д., то есть такие действия, в которых затрачивается механическая энергия. Разберемся каким образом может происходить превращение внутренней энергии в механическую.

Первый закон термодинамики

Изменение внутренней энергии тела ΔU, в результате совершенной им работы A, подчиняется первому закону термодинамики:

где Q — количество теплоты, переданное телу. Появление теплоты Q в этом уравнении связано с тем, что в качестве веществ, которые используются для превращения их внутренней энергии в механическую, обычно используются газы или водяной пар (газообразное состояния воды).

Напомним, что чем выше температура тела, тем больше его внутренняя энергия. Нагретый до высокой температуры газ (или пар), расширяясь, давит на поршень или на лопатки турбины. Таким образом происходит переход внутренней энергии в механическую. Понятно, что без дополнительного нагрева, который значительно увеличивает кинетическую энергию молекул газа, осуществить такой механизм превращения энергии вряд ли было бы возможно.

Рис. 1. Превращение внутренней энергии в механическую.

Первый закон термодинамики, представленный в виде формулы (1), есть не что иное, как частный случай общего закона сохранения энергии, который гласит, что при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую или переходит от одного тела к другому.

Тепловые машины

В данном разделе термин “машина” используется в смысле “двигатель”, то есть устройство, выполняющее работу за счет тепловой энергии. Пар в качестве рабочего вещества (тела) применяется в паровых двигателях и паровых турбинах. Другим типом тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный тип современных двигателей. ДВС работают и на жидком топливе (керосин, бензин, дизтопливо), и на горючем газе, который хранится в сжатом виде металлических баллонах.

В паровых двигателях происходит нагрев пара за счет тепла выделяемого при наружном сжигании горючего топлива (дерево, уголь, мазут, газ). Пар, расширяясь приводит в движение механические детали (поршни, турбины).

В ДВС за счет впрыска топлива внутрь рабочего цилиндра образуется горючая смесь (топлива и кислорода), которая, будучи подожженная электрической искрой, “взрывается” за счет реакции окисления и мгновенно образует газовую смесь с высокой температурой и давлением, что приводит в движение поршни ДВС.

Итак, мы видим, что в обоих случаях происходит превращение внутренней энергии газовой смеси (горячего пара или продуктов горения топлива) в механическую энергию поршней и турбин двигателей.

Рис. 2. Принцип работы парового двигателя и двигателя внутреннего сгорания.

Еще один вид тепловых двигателей называется реактивным. В этих двигателях происходит выброс с большой скоростью продуктов сгорания наружу через специальное сопло, в результате чего возникает реактивная тяга. Этот тип двигателей устанавливают на реактивных самолетах и ракетах, которые используют либо в военных целях, либо в гражданских — для вывода космических аппаратов на околоземную орбиту и за ее пределы. Понятно, что и в этом случае происходит превращение внутренней энергии топливной смеси в механическую энергию движущегося самолета или ракеты.

Рис. 3. Принцип работы реактивного двигателя.

Необходимо помнить, что максимальный коэффициент полезного действия (КПД) идеального теплового двигателя согласно закону Карно, не может превышать значение:

Дополнительные примеры

Можно привести дополнительные примеры превращения внутренней энергии в механическую:

Внутренняя энергия сжатого газа переходит в механическую энергию дроби, пули или снаряда при стрельбе из ружей и пушек. Часть энергии также переходит в механическую энергию оружия, которую ощущает охотник в виде отдачи приклада;
В кастрюле с закипевшей на плите водой давление горячего пара приподнимает крышку;
Из бутылок с газированными напитками часто вылетают пробки под давлением газов, выделившихся из жидкого напитка;
Предохранители и автоматы отключения в электрических цепях размыкают цепь с током, когда он превышает допустимое значение и разогревает предохранительный контакт, который при превышении определенной температуры от нагрева деформируется (выгибается) и размыкает цепь;
На атомных электростанциях в качестве исходного топлива используется энергия, выделяемая при делении или синтезе атомных ядер. Выделяемое при этом большое количество тепловой энергии используется для нагрева вода, с последующим образованием пара, вращающего турбину электрического генератора. На этом примере мы видим цепочку энергетических превращений: потенциальная энергия ядер сначала преобразуется во внутреннюю энергию тепловых носителей (вода, пар), затем в механическую энергию вращения турбины, которая далее превращается в электрическую энергию.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что превращение внутренней энергии в механическую происходит в тепловых двигателях за счет нагрева рабочего тела (пара или горючей смеси) и последующего расширения. Основные типы тепловых двигателей: паровые поршневые и турбинные), ДВС, реактивные.

Читайте также: