Учебные занятия

Тепловые машины в нашей жизни

Цели урока: • проанализировать тепловые машины с точки зрения их положительного и отрицательного воздействия на человека и окружающую среду • развивать интерес к цифровому представлению информации • содействовать воспитанию экологического сознания.

Обсуждаемые вопросы: • создание тепловых двигателей, общий принцип действия • положительная роль тепловых машин • отрицательная роль тепловых машин • какими транспортными средствами лучше всего пользоваться с экологической точки зрения и почему? • как ваши знания по электричеству могут помочь в решении проблемы? • что можно и нужно сделать, чтобы сохранить нашу природу?

Конкурс: придумать прибор, выявляющий какое-либо загрязнение окружающей среды, охарактеризовать его (по плану: тип загрязнения, принцип действия, устройство) и по возможности представить модель прибора.

Подготовка к уроку. Организуются группы экспертов – историков, физиков, экологов, которые готовят сообщения с использованием учебного пособия [1], учебников [2], [3] и, в частности [4], материалов из Интернета.

Ход урока

В кабинете физики за столами с табличками «Эксперт-историк», «Эксперт-физик», «Эксперт-эколог» сидят подготовившиеся учащиеся.

Учитель физики. Слово «экология» вам знакомо: вы часто его слышите, встречаете в газетах, книгах. В переводе с греческого оно означает «наука о доме, жилище». Поэтому не случайно этим словом называют ныне науку об отношениях растительных и животных организмов, в том числе человека, с окружающей средой – тем домом, в котором живёт человечество. Чтобы жить в нём без страха за своё будущее, за своё здоровье, радоваться красоте природы, нужно беречь этот дом, иначе вообще можно погибнуть.

Человек – часть природы, и её разрушение грозит ему множеством бед. Одна из проблем – тепловые машины. Мы рассмотрим положительную и отрицательную роль тепловых машин в жизни человека, попытаемся наметить выход из сложившейся экологической обстановки.

Эксперт-историк 1. Я расскажу об истории создания тепловых машин [4]. В 1698 г. англичанин Томас Севери изобрёл паровой насос для откачки воды из шахт. А в 1705 г., познакомившись с работами Папена, слесарь Томас Ньюкомен получил патент на изобретённую им тепловую машину. Она была первой машиной, которая с успехом применялась для подъёма воды из шахт. Принцип её работы был таким: пар из котла выходил в цилиндр и поднимал его до самого верха. Затем под поршень цилиндра пускали воду, пар конденсировался, давление понижалось и атмосферное давление опускало поршень вниз. Однако машина была крайне громоздкой и требовала огромного количества угля. Поэтому её можно было использовать только для откачки воды на шахтах. Понадобилось более 50 лет, прежде чем появился первый паровой двигатель непрерывного действия. Его создал наш соотечественник Иван Иванович Ползунов (в 1766 г.), русский механик. В первом из двух проектов Ползунова была разработана (впервые в мире) универсальная двухцилиндровая паровая машина непрерывного действия с рабочим валом, во втором конструкция была переработана и несколько упрощена применительно к конкретной задаче – приведению в движение воздуходувных мехов плавильных печей. При этом вторая машина была в 10 раз больше и в 15 раз мощнее первой. По расчётам исследователей, её мощность составляла от 30 до 40 л. с. Второй проект был воплощён самим Ползуновым, отдавшим этой работе все силы. Машина была выполнена целиком из метала (впервые в мире) и, хотя проработала всего два месяца, даже за такой короткий срок не только окупила все затраты, но и принесла немалый доход. Была пущена в Барнауле, с её помощью было расплавлено 9000 пудов серебряной руды.

Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. В 1784 г. ему пришла идея выводить пар из цилиндра, соединив в надлежащий момент цилиндр с пустым резервуаром, куда пар устремлялся бы сам. Так был изобретён конденсатор. Также Уатт внёс в свою машину такие усовершенствования, как центробежный регулятор ввода пара, золотник, паровая рубашка вокруг цилиндра, индикатор давления.

Механический транспорт появился в результате создания универсального парового двигателя. В 1803 г. в Париже на реке Сене американец Р. Фультон впервые испытал судно, движимое силой пара. А через 4 года по реке Гудзон уже ходил первый в мире колёсный пароход «Клермонт» с двигателем мощностью 20 л. с. В 1814 г. англичанин Джордж Стефенсон создал паровоз. В России отец и сын Черепановы, крепостные мастера уральского завода, тоже построили паровоз (в 1834 г.). Он вёз груз массой 32 т со скоростью 15 км/ч.

В конце XIX в. коренным образом изменился паровой двигатель. Изобретатели решили использовать не давление пара, а скорость его движения. Так, в 1884 г. англичанином Парсоном была создана первая многоступенчатая паровая машина.

Эксперт-историк 2. Я расскажу об истории создания двигателя внутреннего сгорания. На определённом этапе развития техники стало очевидно, что пользоваться теплом огня непосредственно для производства работы лучше, чем затрачивать его на получение пара, а затем использовать тепло пара. Представить себе двигатель, работающий не так, как паровая машина, было трудно. Возникло представление, что любое рабочее тело должно обладать свойствами пара и попадать в цилиндр в виде однородной массы, нагретой до определённой температуры и поддерживаемой при определённом давлении. Таким рабочим телом могли стать продукты сгорания.

Решение задачи использования продуктов сгорания заключалось в поиске соответствующего горючего. Очевидно, попыток заменить пар было немало, но история сохранила лишь некоторые, да и то в неполном объёме. Например, работы братьев Ньепсов. Идея замены дефицитного во Франции угля иным топливом витала в воздухе. Братья занимались поисками такого топлива, продукты сгорания которого можно было бы использовать в качестве рабочего тела, подобного пару. В качестве такового они применили ликоподий – семена спорового растения плауна. Этот чрезвычайно сухой, лёгкий и легковоспламеняющийся порошок использовался для эффектных вспышек во время театральных представлений. Можно считать, что первая официально зарегистрированная попытка создания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) была сделана почти одновременно с началом работ Ньепсов. На Всемирной выставке в 1893 г. в Чикаго высшей награды был удостоен образец двигателя первого русского завода керосиновых и газовых двигателей, в котором керосин подтекал к испарителю самотёком и воспламенялся с помощью металлической трубочки. Первый бензиновый двигатель был построен в России в 1884 г. моряком русского флота Костовичем для дирижабля. Импульсом для развития бензиновых двигателей послужило стремление использовать их на автомобиле. Совершенствование двигателей шло в тесном взаимодействии с совершенствованием производства.

Автором одного из самых крупных изобретений является Рудольф Дизель. По замыслу Дизеля, если воздух сжать до давления 33–35 атм и повысить вследствие этого его температуру до 500–700 °С, то топливо, вводимое туда, будет воспламеняться от соприкосновения с горячим воздухом. Конструкция дизелей претерпела существенные изменения. В 30-х гг. ХХ в. появляются мощные авиационные ДВС конструкторов А.А. Микулина и А.Д. Чаромского. Во время Великой Отечественной войны применялся авиационный дизель большой мощности АЧ-30 конструкции Чаромского.

Двигатели на лёгком топливе и дизели прочно занимают позиции практически единственного вида силовой установки для наземного транспорта и составляют существенную долю среди силовых установок водного транспорта. Конечно, современные ДВС конструктивно отличаются от самых первых образцов, но принципы преобразования теплоты в работу остались неизменными.

Эксперт-историк 3. История создания реактивных двигателей – одного из самых прогрессивных и перспективных видов тепловых машин – не так продолжительна, как история паровых турбин и ДВС. Своё начало она берёт в прошлом столетии. В разгар Первой мировой войны А.И. Тихомиров посылает прошение о предоставлении ему привилегии на разработку самодвижущихся в воде и в воздухе мин, в которых использовались ракетные двига­тели.

Под руководством В.П. Глушко создаётся целая серия экспериментальных жидкостных ракетных двигателей – ОРМ. Первый, ОРМ-1, – с цилиндрическим соплом, водяным охлаждением и тягой до 20 кгс (1 кгс = 0,102 Н). В ОРМ-3 и ОРМ-5 двигатели охлаждались одним из компонентов топлива. В качестве окислителей использовались жидкий кислород, азотный тетроксид, азотная кислота, в качестве горючего – бензин, керосин (URL: http://ru.wikipedia.org).

В 1931 г. Ф.А. Цандер усовершенствовал свой ОР-1 – паяльную лампу, переделанную в ракетный двигатель (РД) и работавшую на воздушно-бензиновой смеси. В 1933 г. Цандер понял, что топливо для двигателей должно присутствовать уже в конструкции. Но эта идея до нашего времени так и не реализована. Реактивные двигатели на жидком топливе (ЖРД) создавались с использованием в качестве окислителя жидкого кислорода и азотной кислоты, которая в отличие от кислорода остаётся жидкой при нормальной температуре. В 1936–1937 гг. были разработаны двигатели с ручным и автоматическим пуском, регулируемой в полёте тягой, на высококипящем топливе. Они выдерживали до 50 запусков.

В.П. Глушко был разработчиком электрореактивных двигателей. Он удостоверился, что они понадобятся только на следующем этапе освоения космоса, а чтобы проникнуть в космос, потребуются жидкостные реактивные двигатели, о которых писал К.Э. Циолковский. В 1930 г. началась разработка ЖРД (цилиндрическое сопло с водяным охлаждением и тягой до 20 кгс). В марте 1933 г. бригада Цандера провела испытания ОР-2. В 1954 г. М.К. Тихонравов и С.П. Коряев предложили создать искусственный спутник Земли.

Основным показателем совершенства РД является его экономичность. РД-107 был применён в космической ракете, её удельный импульс в пустоте составлял 310 с. Многокамерность позволила уменьшить длину двигателя и массу ракеты.

Учитель физики. Теперь можно подвести итоги выступлений экспертов-историков. Какими бы ни были различными паровые машины, ДВС и реактивные двигатели, работа их сводится к преобразованию внутренней энергии в механическую при наличии рабочего тела, нагревателя и холодильника. Переходим к следующему вопросу. Слово предоставляется экспертам-физикам, которые покажут положительную роль тепловых машин.

Эксперт-физик 1. Паровые двигатели имели огромное значение до середины ХХ в., т. к. именно они были основными на железной дороге. Сегодня там большее распространение получили дизельные двигатели, т. е. ДВС. Мощные паровые турбины используются и на водном транспорте, и на всех АЭС (в последнем случае для получения пара высокой температуры используют энергию атомных ядер). Паровые турбины установлены и на ТЭЦ, которые вырабатывают более 80% энергии для страны. Именно паровые турбины приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

Эксперт-физик 2. С момента изобретения тепловые ДВС стали играть большую роль в жизни и деятельности человека. Так, они широко используются в автомобильном транспорте: их устанавливают на автомашинах, мотоциклах, мопедах, грузовых автомобилях. ДВС используют на железнодорожном транспорте, в лёгкой авиации, в бензопилах, газонокосилках, различном сельскохозяйственном оборудовании, тракторах, комбайнах. Этот вид двигателей хорош своей сравнительно высокой мощностью при относительно небольших размерах.

Эксперт-физик 3. И, наконец, перейдём к третьему типу тепловых двигателей – реактивным. Преимуществом РД перед паровыми и ДВС является высокий КПД – до 60%. Следовательно, РД целесообразно устанавливать на авиационном и космическом транспорте. Если на лёгких самолётах используются всё же поршневые двигатели, то на больших лайнерах – реактивные. Это очень выгодно, т. к. поршневый двигатель той же мощности, что и реактивный, получается слишком громоздким и массивным. Реактивные двигатели стоят на нашем «ТУ-144» и британском «Конкорде».

В космических аппаратах также используют реактивные двигатели. Они позволяют развивать высокую скорость, достаточную для того, чтобы многотонный космический корабль смог преодолеть гравитацию Земли и выйти на околоземную орбиту.

Таким образом, тепловые двигатели играют положительную роль в жизни и развитии человечества, находят широкое применение в транспорте, торговле, электроэнергетике, исследованиях космоса и планет.

Учитель физики. Спасибо экспертам-физикам за столь чёткую информацию. А мы продолжаем нашу работу и переходим к рассмотрению вопроса об отрицательной роли тепловых машин.

Учитель экологии. Для улучшения жизни человек изобретает не только машины. Качественно изменяется химическое воздействие человека на биосферу вследствие синтеза новых веществ, загрязнения огромных территорий. Многократ но превышается допустимая норма выработки тепла за счёт сжигания горючего.

Эксперт-эколог 1. Человек долго использовал двигатель внутреннего сгорания, не подозревая о его отрицательном воздействии на человека, животных, растения. Лишь в последнее время это отрицательное воздействие заметили и начали с ним бороться. Основными загрязнителями атмосферы являются автомашины, особенно грузовики. Количество и концентрация вредных веществ в выхлопах зависят от вида и качества топлива. В основном это углекислый и угарный газы, оксиды азота, гексен, пентен, кадмий, сернистый ангидрид, свинец, хлор и некоторые его соединения. Эти вещества отрицательно воздействуют на человека, животных, растения и вызывают глобальные изменения в биосфере. Теперь конкретно рассмотрим их воздействие.

Углекислый и угарный газы, оксиды серы, оксиды азота являются парниковыми газами, т. е. вызывают парниковый эффект, выражающийся в повышении температуры у поверхности Земли. Его механизм заключается в образовании атмосферной оболочки, которая отражает тепловые лучи, исходящие от Земли, не давая им уходить в космическое пространство. Это может привести к таянию льда в полярных областях и как следствие – к повышению уровня Мирового океана. Но надо сказать, что тепловой эффект почти компенсируется ледниковым эффектом. Последний вызывается слоем пылевых частиц, которые отражают тепловые лучи, идущие от Солнца, обратно в космос.

Оксиды серы с водой образуют серную кислоту, а оксид азота – азотную и азотистую кислоты. У человека они вызывают поражения кожи, обструктивный рахит, отёк лёгких. У животных также наблюдаются нарушения жизнедеятельности и даже гибель. Кадмий отрицательно воздействует на костную и половую системы, зубы. Свинец вызывает у грудных детей нарушения в ЦНС, костной системе, слуха, зрения.

Эксперт-эколог 2. Мы провели анализ негативного воздействия ДВС на окружающую среду. Рассмотрим частный случай – автомобиль. Один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы больше 4 т кислорода, выбрасывает с выхлопными газами около 800 кг СО и различных углеводородов. Оксид углерода, соединяясь с гемоглобином крови, мешает нести кислород в ткани организма. Оксиды азота играют большую роль в образовании продуктов превращения углеводородов в атмосферном воздухе. Из-за неполного сгорания топлива в двигателе машины часть углеводородов превращается в сажу. Свинец – один из основных загрязнителей внешней среды.

Учитель физики. Так что же, нам теперь надо отказаться от всех достижений цивилизации и ходить пешком? Конечно же, нет. Мы просто выслушаем несколько рекомендаций по решению этих проблем.

Пути решения экологических проблем

1. Сократить количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу каждым автомобилем.
2. Использовать как можно больше такие транспортные средства, которые потребляют меньше горючего и, следовательно, меньше загрязняют атмосферу.
3. Увеличить выпуск и потребление так называемых чистых автомобилей – электромобилей.
4. Использовать электродвигатели в промышленности.
5. Ограничить негативное влияние человека на природу.
6. Озеленять города.

 

Литература

1. Физика. Нестандартные занятия, внеурочные мероприятия. 7–11 классы / Сост. М.А. Петрухина. Волгоград: Учитель, 2004.
2. Пёрышкин А.В. Физика. 8 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений. М.: Просвещение, 1997.
3. Громов С.В. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений. М.: Просвещение, 1997.
4. Васильев И. Движимые паром. История паровых машин. [Электронный ресурс]. URL: http://www.3dnews.ru
5. Старые авто. [Электронный ресурс]. URL: http://blog.trud.ru