Издревле люди пытались преобразовать энергию в механическую работу. Они преобразовывали кинетическую энергию ветра, потенциальную энергию воды и т.д. Начиная, с 18 века начали появляться машины, преобразовывающие внутреннею энергию топлива в работу. Подобные машины работали, благодаря тепловым двигателям.
Тепловой двигатель – прибор, преобразующий тепловую энергию в механическую работу, за счет расширения (чаще всего газов) от высокой температуры.
Любые тепловые двигатели имеют составные части:
- Нагревательный элемент . Тело с высокой температурой относительно окружающей среды.
- Рабочее тело. Поскольку работу обеспечивает расширение, данный элемент должен хорошо расширяться. Как правило, используется газ или пар.
- Охладитель . Тело с низкой температурой.
Рабочее тело получает тепловую энергию от нагревателя. В следствии, оно начинает расширяться и совершать работу. Чтобы система могла вновь совершить работу, её нужно вернуть в исходное состояние. Поэтому рабочее тело охлаждается, то есть излишняя тепловая энергия, как бы сбрасывается в охлаждающий элемент. И система приходит в изначальное состояние, далее процесс повторяется снова.
Вычисление КПД
Для расчета КПД, введем следующие обозначения:
Q 1 –Количество теплоты получаемое от нагревательного элемента
A’– Работа совершаемая рабочим телом
Q 2 –Количество теплоты полученной рабочим телом от охладителя
В процессе охлаждения, тело передает теплоту, поэтому Q 2 < 0.
Работа такого устройства это циклический процесс. Это означает, что после совершения полного цикла, внутренняя энергия вернется в исходное состояние. Тогда, по первому закону термодинамики, работа совершаемая рабочим телом будет равна, разности количества теплоты полученного от нагревателя и теплоты полученного от охладителя:
Q 2 – отрицательная величина, поэтому она берется по модулю
КПД выражается как отношение полезной работы к полной работе, которая выполнила система. В данном случае, полная работа будет равно количеству теплоты, которое израсходовано на нагревание рабочего тела. Вся затраченная энергия выражается через Q 1 .
Поэтому коэффициент полезного действия определяется как.
Тепловым называется двигатель, выполняющий работу за счет источника тепловой энергии.
Тепловая энергия (Q нагревателя ) от источника передается двигателю, при этом часть полученной энергии двигатель тратит на выполнение работы W , неизрасходованная энергия (Q холодильника ) отправляется в холодильник, роль которого может выполнять, например окружающий воздух. Тепловой двигатель может работать только в том случае, если температура холодильника меньше температуры нагревателя.
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя можно рассчитать по формуле: КПД = W/Q нг .
КПД=1 (100%) в том случае, если вся тепловая энергия превращается в работу. КПД=0 (0%) в том случае, если никакая тепловая энергия не превращается в работу.
КПД реального теплового двигателя лежит в промежутке от 0 до 1, чем выше КПД, тем эффективнее двигатель.
Q х /Q нг = T х /T нг КПД = 1-(Q х /Q нг) КПД = 1-(T х /T нг)
Учитывая третье начало термодинамики , которое гласит, что температуру абсолютного нуля (Т=0К) достичь невозможно, можно сказать, что невозможно разработать тепловой двигатель с КПД=1, поскольку всегда T х >0.
КПД теплового двигателя будет тем больше, чем выше температура нагревателя, и ниже температура холодильника.
Коэффициент полезного действия (КПД) - это характеристика результативности системы в отношении преобразования или передачи энергии, который определяется отношением полезно использованной энергии к суммарной энергии, полученной системой.
КПД
- величина безразмерная, обычно ее выражают в процентах: 
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя определяется по формуле: , где A = Q1Q2. КПД теплового двигателя всегда меньше 1.
Цикл Карно
- это обратимый круговой газовый процесс, который состоит из последовательно стоящих двух изотермических и двух адиабатных процессов, выполняемых с рабочим телом. 
Круговой цикл, включающий в себя две изотермы и две адиабаты, соответствует максимальному КПД.
Французский инженер Сади Карно в 1824 г. вывел формулу максимального КПД идеального теплового двигателя, где рабочее тело - это идеальный газ, цикл которого состоял из двух изотерм и двух адиабат, т. е. цикл Карно. Цикл Карно - реальный рабочий цикл теплового двигателя, свершающего работу за счет теплоты, подводимой рабочему телу в изотермическом процессе.
Формула КПД цикла Карно, т. е. максимального КПД теплового двигателя имеет вид: 
, где T1 - абсолютная температура нагревателя, Т2 - абсолютная температура холодильника.
Тепловые двигатели - это конструкции, в которых тепловая энергия превращается в механическую.
Тепловые двигатели многообразны как по конструкции, так и по назначению. К ним относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели.
Однако, несмотря на многообразие, в принципе действия различных тепловых двигателей есть общие черты. Основные компоненты каждого теплового двигателя:
- нагреватель;
- рабочее тело;
- холодильник.
Нагреватель выделяет тепловую энергию, при этом нагревает рабочее тело, которое находится в рабочей камере двигателя. Рабочим телом может быть пар или газ.
Приняв количество теплоты, газ расширяется, т.к. его давление больше внешнего давления, и двигает поршень, производя положительную работу. При этом его давление падает, а объем увеличивается.
Если сжимать газ, проходя те же состояния, но в обратном направлении, то совершим ту же по абсолютному значению, но отрицательную работу. В итоге вся работа за цикл будет равна нулю.
Для того чтобы работа теплового двигателя была отлична от нуля, работа сжатия газа должна быть меньше работы расширения.
Чтобы работа сжатия стала меньше работы расширения, необходимо, чтобы процесс сжатия проходил при меньшей температуре, для этого рабочее тело нужно охладить, поэтому в конструкцию теплового двигателя входит холодильник. Холодильнику рабочее тело отдает при соприкосновении с ним количество теплоты.
Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т 1 называют температурой нагревателя.
Роль холодильника
По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 . Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т 2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.
Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 5.15. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А" и передает холодильнику количество теплоты |Q 2 | <| Q 1 |.
Кпд теплового двигателя
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна
(5.11.1)
где Q 1 - количество теплоты, полученное от нагревателя, a Q 2 - количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А", совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
(5.11.2)
У паровой турбины нагревателем является паровой котел, а у двигателей внутреннего сгорания - сами продукты сгорания топлива.
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η < 1.
Применение тепловых двигателей
Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.
Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.
На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). Эти же двигатели устанавливаются на тракторах.
На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы получают энергию от тепловых двигателей электростанций.
На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.
В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах - турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.
Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов современного скоростного транспорта.
Класс: 10
Тип урока: Урок изучения нового материала.
Цель урока: Разъяснить принцип действия теплового двигателя.
Задачи урока:
Образовательные: познакомить учащихся с видами тепловых двигателей, развивать умение определять КПД тепловых двигателей, раскрыть роль и значение ТД в современной цивилизации; обобщить и расширить знания учащихся по экологическим проблемам.
Развивающие: развивать внимание и речь, совершенствовать навыки работы с презентацией.
Воспитательные: воспитывать у учащихся чувство ответственности перед последующими поколениями, в связи с чем, рассмотреть вопрос о влиянии тепловых двигателей на окружающую среду.
Оборудование: компьютеры для учащихся, компьютер учителя, мультимедийный проектор, тесты (в Excel), Физика 7-11 Библиотека электронных наглядных пособий. “Кирилл и Мефодий”.
Ход урока
1. Оргмомент
2. Организация внимания учащихся
Тема нашего урока: “Тепловые двигатели”. (Слайд 1)
Сегодня мы вспомним виды тепловых двигателей, рассмотрим условия их эффективной работы, поговорим о проблемах связанных с их массовым применением. (Слайд 2)
3. Актуализация опорных знаний
Прежде чем перейти к изучению нового материала предлагаю проверить как вы к этому готовы.
Фронтальный опрос:
– Дайте формулировку первого закона термодинамики. (Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количество теплоты, переданное системе. U=A+Q)
– Может ли газ нагреться или охладиться без теплообмена с окружающей средой? Как это происходит? (При адиабатических процессах.) (Слайд 3)
– Напишите первый закон термодинамики в следующих случаях: а) теплообмен между телами в калориметре; б) нагрев воды на спиртовке; в) нагрев тела при ударе. (а) А=0 , Q=0, U=0; б) А=0, U= Q; в) Q=0, U=А)
– На рисунке изображен цикл, совершаемый идеальным газом определенной массы. Изобразить этот цикл на графиках р(Т) и Т(р). На каких участках цикла газ выделяет теплоту и на каких – поглощает?
(На участках 3-4 и 2-3 газ выделяет некоторое количество теплоты, а на участках 1-2 и 4-1 теплота поглощается газом.) (Слайд 4)
4. Изучение нового материала
Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу. (Слайд 5)
Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)
Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.
Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую энергию. (Слайд 6)
Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Тепловая машина работает циклично.
Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. (Слайд 7)
КПД замкнутого цикла (Слайд 8)
Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания Q 1 >Q 2
Q 2 – количество теплоты отданное
холодильнику Q 2 A / = Q 1 – |Q 2 | – работа
совершаемая двигателем за цикл? < 1. Цикл C. Карно (Слайд 9) T 1 – температура нагревания. Т 2 – температура холодильника. На всех основных видах современного
транспорта преимущественно используются
тепловые двигатели. На железнодорожном
транспорте до середины XX в. основным двигателем
была паровая машина. Теперь же главным образом
используют тепловозы с дизельными установками и
электровозы. На водном транспорте также
использовались вначале паровые двигатели,
сейчас используются как двигатели внутреннего
сгорания, так и мощные турбины для крупных судов. Наибольшее значение имеет
использование тепловых двигателей (в основном
мощных паровых турбин) на тепловых
электростанциях, где они приводят в движение
роторы генераторов электрического тока. Около 80 %
всей электроэнергии в нашей стране
вырабатывается на тепловых электростанциях. Тепловые двигатели (паровые турбины)
устанавливают также на атомных электростанциях.Газовые турбины широко используются в ракетах,
в железнодорожном и автомобильном транспорте. На автомобилях применяют поршневые
двигатели внутреннего сгорания с внешним
образованием горючей смеси (карбюраторные
двигатели) и двигатели с образованием горючей
смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). В авиации на легких самолетах
устанавливают поршневые двигатели, а на огромных
лайнерах – турбовинтовые и реактивные
двигатели, которые также относятся к тепловым
двигателям. Реактивные двигатели применяются и
на космических ракетах. (Слайд 10) (Показ видеофрагментов работы
турбореактивного двигателя.) Рассмотрим более подробно работу
двигателя внутреннего сгорания. Просмотр
видеофрагмента. (Слайд 11) Работа четырехтактного ДВС. Тепловые двигатели и охрана
окружающей среды (Слайд 13) Неуклонный рост энергетических
мощностей – все большее распространение
укрощенного огня – приводит к тому, что
количество выделяемой теплоты становится
сопоставимым с другими компонентами теплового
баланса в атмосфере. Это не может не приводить к
повышению средней температуры на Земле.
Повышение температуры может создать угрозу
таяния ледников и катастрофического повышения
уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются
негативные последствия применения тепловых
двигателей. Растет выброс в атмосферу
микроскопических частиц – сажи, пепла,
измельченного топлива, что приводит к увеличению
“парникового эффекта”, обусловленного
повышением концентрации углекислого газа в
течение длительного промежутка времени. Это
приводит к повышению температуры атмосферы. Выбрасываемые в атмосферу токсические
продукты горения, продукты неполного сгорания
органического топлива – оказывают вредное
воздействие на флору и фауну. Особую опасность в
этом отношении представляют автомобили, число
которых угрожающе растет, а очистка отработанных
газов затруднена. Все это ставит ряд серьезных проблем
перед обществом. (Слайд 14) Необходимо повышать эффективность
сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу
вредных веществ; добиваться более полного
сгорания топлива в автомобильных двигателях, а
также увеличения эффективности использования
энергии, экономии ее на производстве и в быту. Альтернативные двигатели: Пути решения экологических проблем: Использование альтернативного
топлива. Использование альтернативных
двигателей. Оздоровление окружающей среды. Воспитание экологической культуры.
(Слайд 16) Всем вам предстоит всего лишь через
год сдавать единый государственный экзамен.
Предлагаю вам решить несколько задач из части А
демоверсии по физике за 2009 год. Задание вы
найдете на рабочих столах ваших компьютеров. С момента, когда была построена первая
паровая машина, до настоящего времени прошло
более 240 лет. За это время тепловые машины сильно
изменили содержание жизнь человека. Именно
применение этих машин позволило человечеству
шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин. Выставляет оценки за работу на уроке. Прежде чем покинуть класс просьба
заполнить таблицу. На уроке я работал активно / пассивно Своей работой на уроке я доволен / не доволен Урок для меня показался коротким / длинным За урок я не устал / устал
1 такт: впуск.
2 такт: сжатие.
3 такт: рабочий ход.
4 такт: выпуск.
Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2
клапана(впуск и выпуск), свеча.
Мертвые точки – крайнее положение поршня.
Сравним эксплуатационные характеристики
тепловых двигателей.5. Закрепление материала
6. Подведение итогов урока
7. Домашнее задание:
§ 82 (Мякишев Г.Я.),
упр. 15 (11, 12) (Слайд 17)
8. Рефлексия
Замена
