Конспект уроку

1. 107
Урок 28/13
ТЕМА. Теплові двигуни. Принцип дії теплових двигунів.
ККД теплового двигуна
Мета уроку: ознайомити з поняттям теплового двигуна та галузями
їх застосування; вивчити будову та принцип дії двигуна внутрішнього
згоряння.
Тип уроку: засвоєння нових знань.
Обладнання: модель двигуна внутрішнього згоряння.
ХІД УРОКУ
I. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ
 У скільки разів теплота згоряння водню більша, ніж теплота
згоряння природного газу?
 У скільки разів зменшується потреба у паливі, коли теплова
електростанція переходить з вугілля на природний газ?
 Чому у вибухових зарядах не використовують бензин або гас,
хоча вони виділяють набагато більше тепла під час згоряння,
ніж порох?
II. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Теплові машини було створено на початку XVIII ст., у період
бурхливого розвитку текстильної та металургійної галузей про-
мисловості.
 Теплова машина — це пристрій, у якому внутрішня енергія, що вивіль-
няється під час згоряння палива, перетворюється у механічну роботу
(енергію).
Серед теплових двигунів найбільш поширені двигуни внутріш-
нього згоряння, реактивні двигуни, парові і газові турбіни, холо-
дильні машини. Складові частини будь-якого теплового двигуна
це: нагрівник — робоче тіло — холодильник.
ККД теплового двигуна:
η = =
−A
Q
Q Q
Q1
1 2
1
.
Для теплового двигуна, робочим тілом якого є ідеальний газ,
у цьому інтервалі температур ККД буде максимальним, якщо ро-
бочий цикл такого двигуна (цикл Карно) утворено з двох ізотерм
(нагрівання та охолодження) та двох адіабат.

2. 108 Уроки фізики. 8 клас. Розділ 1. Теплові явища
Максимальний ККД теплового двигуна: η =
−T T
T
1 2
1
.
Щоб підвищити ККД теплового двигуна, потрібно підвищити
температуру нагрівника T1 і знизити температуру холодильни-
ка T2.
Коефіцієнт корисної дії сучасних парових машин і турбін ста-
новить 6–30%, автомобільних і авіаційних двигунів внутрішнього
згоряння — 30–40%. Це означає, що з кожної тони палива 600–
700 кг витрачається даремно.
Тепловий двигун працює зазвичай за прямим циклом. Спочат-
ку робоче тіло отримує тепло Q1 від нагрівника, виконує роботу
і віддає тепло Q2 холодильнику, одночасно повертаючись у вихід-
ний стан.
Холодильна машина слугує для підтримання в робочій камері
температури, нижчої від температури навколишнього середовища.
 Двигун внутрішнього згоряння — теплова машина, у якій хімічна
енергія палива, що згоряє в робочій зоні, перетворюється в механічну
роботу.
Поряд із електричним двигуном двигун внутрішнього згорян-
ня є одним із найбільш поширених типів двигунів. Найчастіше
його використовують у транспортних засобах: автомобілях, мото-
циклах, поїздах, морському транспорті тощо.
Двигуни внутрішнього згоряння застосовують також в ав-
тономних електричних генераторах для виробництва електро-
енергії.
Перший поршневий ДВЗ був створений 1860 р. французьким
інженером Е. Ленуаром. Перевага такого двигуна над іншими те-
пловими двигунами полягає в тому, що він має порівняно малі
розміри та масу. Це дало змогу використовувати його на транспор-
ті (автомобіль, трактор, тепловоз), в авіації, на кораблях (дизель-
електрохід, катер, підводний човен).
ДВЗ працюють на рідкому паливі (бензині, гасі, нафті) або на
горючому газі.
Складові ДВЗ:
 впускний клапан;
 випускний клапан;
 поршень;
 шатун;
 колінчастий вал;
 свічка.

3. 109Тема 1.2. Теплові явища (2 частина)
Крайні положення поршня у циліндрі називають мертвими
точками. Відстань, яку проходить поршень, рухаючись між верх-
ньою і нижньою мертвими точками, називають ходом поршня.
Один робочий цикл у двигуні відбувається за 4 такти (ходи
поршня), які дістали назву:
 впуск робочої суміші;
 стискання;
 робочий хід;
 випуск відпрацьованих газів.
Тому такі двигуни дістали назву чотиритактних.
 Парова турбіна — паровий двигун безперервної дії, що перетворює
теплову енергію в енергію обертання ротора.
Він потрібен для перетворення теплової енергії водяної пари
в механічну роботу. Парова турбіна використовує не потенціальну
енергію, а кінетичну енергію пари.
Парові турбіни є тепловими двигунами великої потужності, їх
використовують на теплових та атомних електростанціях.
Газова турбіна — це тепловий двигун безперервної дії, на ло-
патках якого енергія стисненого і нагрітого газу перетворюється
в механічну роботу на валу.
На відміну від парових, у газових турбінах робоча частина
обертається під тиском гарячої газової суміші, яка утворюється
в самій турбіні. Для цього в газовій турбіні передбачено камеру
згоряння. Сучасні газові турбіни розвивають потужність близько
150 МВт. На основі таких турбін розробляють газотурбінні двигу-
ни, які застосовують, наприклад, у літаках.
Реактивний двигун. У камері згоряння такого двигуна внаслідок
взаємодії рідкого або твердого ракетного палива та окиснювача (як
паливо можуть використовувати зріджений водень, а як окисню-
вач — кисень) утворюється суміш високого тиску та температури,
яка з високою швидкістю витікає із сопла. Реактивна сила, яка діє
на сопло, рухає двигун у напрямку, протилежному напрямку ви-
тікання газової суміші. Реактивні двигуни використовують у ра-
кетах та реактивних літаках.
Забруднення навколишнього середовища — один із основних
недоліків теплових машин. Це забруднення можна класифікувати
на хімічне, фізичне, теплове та шумове. Значну частку шкідли-
вих викидів в атмосферу становлять відпрацьовані гази двигунів
внутрішнього згоряння. Особливо сильно забруднюють атмосферу
реактивні двигуни літаків і ракет. Деякі види теплових двигунів
викидають в атмосферу речовини, що зумовлюють зменшення

4. 110 Уроки фізики. 8 клас. Розділ 1. Теплові явища
товщини озонового шару, який захищає все живе на Землі від уль-
трафіолетового випромінювання Сонця.
Робота теплових двигунів супроводжується шумами, які нега-
тивно впливають на стан нервової системи.
III. ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
 Який принцип дії теплової машини? Які обов’язкові складові
вона має?
 Чому дорівнює ККД теплової машини? Чи може він бути біль-
шим за 1?
 Коли автомобіль витрачає більше пального: коли їде з зупин-
ками, чи без них?
 Чи можна термос тимчасово використовувати як холодильник?
 Чи можна вважати кулемет тепловою машиною?
 Чому в паровій турбіні температура відпрацьованої пари ниж-
ча, ніж температура пари, що надходить на лопаті турбіни?
 Що таке тепловий двигун? Які види теплових двигунів ви зна-
єте?
 Який двигун називають двигуном внутрішнього згоряння?
Вкажіть його складові.
IV. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ
1 [26]: вивчити §§ 16, 17.
2 [6]: розв’язати задачі.
1.165. Стиснутий у циліндрі газ піднімає важкий поршень. Як
змінюється при цьому внутрішня енергія і температура газу?
1.166. Де вища температура продуктів згоряння: у циліндрі
двигуна внутрішнього згоряння чи у вихлопній трубі? Чому?
1.167. Які переваги має турбіна перед поршневим тепловим
двигуном? Розгляньте зміни внутрішньої енергії пари при роботі
парової турбіни і поясніть їх.
1.168. Які перетворення енергії відбуваються під час пострілу
з рушниці?
1.169. Чому поршень роблять з легкого матеріалу з гарною те-
плопровідністю і невеликим тепловим розширенням?
1.170. Чому висота підйому літаків, двигуни яких працюють на
суміші пального і повітря, обмежена?