Презентация, доклад урока по физике на тему термодинамика в технических профессиях

законы, лежащие в основе их работы

Альтернативные двигатели
Автомобиль на пороге 21 века
Таблица
Задачи-вопросы
Двигатели нетрадиционных схем

на физических принципах работы тепловых двигателей.
Решить экспериментальную и познавательные задачи, развивать логическое мышление, умение применять знания по основам термодинамики в своей профессии.
Повышение уровня мотивации учащихся к изучению теоретических основ профессии «Сварщик», показать эвристическую роль теории.

с голосовым сопровождением.

измерения в СИ.

Запишите формулу изменения внутренней энергии и укажите единицу ее измерения в СИ.

ее измерения в СИ.

Запишите формулу для расчета работы, совершенной над системой, и укажите единицу ее измерения в СИ.

КПД тепловой машины.

количества теплоты, необходимого для нагрева топлива, и укажите единицу его измерения в СИ.

СИ.
Формула изменения внутренней энергии и единица ее измерения в СИ.
Формула для расчета работы, совершенной системой, и единица ее измерения в СИ.
Формула для расчета работы, совершенной над системой, и единица ее измерения в СИ.
Формула для расчета КПД идеальной машины.
Формула для расчета КПД тепловой машины.
Первый закон термодинамики.
Условие адиабатного процесса.
Первый закон термодинамики для адиабатного процесса.
Формула для расчета количества теплоты, необходимого для нагрева топлива, и единица его измерения в СИ.

Александрийского – Греция

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ НАСОСЫ (1630 – 1698 гг.)
1661 г. – устройство для поднятия воды из глубоких колодцев посредством огня – Эдуард Сомерсет – английский государственный деятель
1698 г. – камерный нагнетательно-всасывающий насос – Томас Севери – английский механик

ПОРШНЕВЫЕ МАШИНЫ (1698 – 1772 гг.)
1680 г. – паровой котел – Дени Папен – французский физик
1705 г. – пароатмосферная водоподъемная машина – Томас Ньюкомен – английский изобретатель

гг. – паровая воздуходувная машина – Иван Иванович Ползунов – русский теплотехник
1774 – 1784 гг. – универсальная паровая машина – Джеймс Уатт – английский изобретатель

ГАЗОВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ (1816 – 1878 гг.)
1816 г. – «машина, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха» – Роберт Стирлинг – шотландский пастор
1837 г. – «калорический двигатель» – Джодж Кейли – английский учёный и изобретатель
1852 г. – Джон Эриксон – шведский техник
1878 г. – четырехтактный двигатель – Николаус Отто – немецкий конструктор и предприниматель

– двухтактный двигатель внутреннего сгорания – Дуглас Кларк
1892 г. – двигатель Горнсби-Акройд, работавший на нефти – фирма «Горнсби и сыновья»
1896 г. – «калоризатор» машиностроительный завод братьев Бромлей в Москве

БЕНЗИНОВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ (1884 – 1893 гг.)
1884 г. – первый бензиновый двигатель – Игнатий Стефанович Костович – моряк русского флота
1883 г. – первый автомобильный двигатель – Юлиус Даймлер – немецкий инженер
1893 г. – распыливающий карбюратор – Донат Банки и Янош Чонка – венгерские изобретатели

гг.)
1888 г. – двигатель с воспламенением впрыскиваемого тяжелого топлива от запального шара – Джемс Харгревс – английский техник
1897 г. – двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия – Рудольф Дизель – немецкий инженер
1909 г. – быстроходный дизель, работающий по смешанному циклу – Сабате – французский инженер
1911 г. – объединение турбины и компрессора в один агрегат – турбокомпрессор – Август Рато - французский конструктор

РОТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ (1629 – 1940 гг.)
паровые турбины
газовые турбины

двигатель внутреннего сгорания (двигатель Ванкеля) – Ф. Ванкель – немецкий инженер

ДВИГАТЕЛИ НЕТРАДИЦИОННЫХ СХЕМ
осмотические
памяти формы
магнитные

ТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДВС (1969 – 1999 гг.)
турбонаддув
адиабатный двигатель

ВЕК XXI

н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил, который предназначался как игрушка.
Устройство представляло собой полый шар. В вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками, а под ним был установлен сосуд, частично заполненной водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, выделявшийся пар поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара.
Отрезок времени от создания эолипила до устройств, превращающих силу огня в полезную работу, очень велик.

два вертикальных рабочих цилиндра. Пар поступал под поршни этих цилиндров из общего котла через распределительный кран по очереди. Давление пара поднимало поршень, а после достижения последним наивысшей точки в цилиндр впрыскивалась вода, пар конденсировался и поршень под действием атмосферного давления опускался, совершая рабочий ход. Насосные цилиндры были установлены параллельно рабочим, их поршни соединялись с поршнями рабочих цилиндров через качалку-коромысло. Когда один из поршней поднимался, другой опускался, и наоборот. Соотношение плеч коромысла определяло соотношение ходов поршней. Как правило, ходы были равны. Впервые применен поршень в цилиндре. Осуществлен замкнутый цикл. Сделано разделения функций насоса и двигателя. Изобретно автоматическое парораспределение.

в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае И. И. Ползуновым.
Он первым понял, что можно заставить паровую машину приводить в движение не только насос, но и кузнечные мехи. Рабочие части его машины передавали движение валу отбора мощности.
Два поршня связывались с главным валом при помощи цепей.
В ней впервые передача от двух попеременно действующих поршней осуществлена не к балансиру, а к шкивам при помощи цепей.
Рабочие части его машины передавали движение валу отбора мощности.

Уатт.
Он вынес процесс конденсации за пределы цилиндра. Полезная работа совершалась под действием давления пара.
Паровая машина - предок всех современных двигателей. В течение многих лет, несмотря на большой вес и невысокий кпд, она являлась единственным устройством для преобразования теплоты в работу.
Создание паровых машин привело к возникновению новой производственной базы, а опыт и знания, накопленные в процессе их разработки и эксплуатации , позволили впоследствии получить более совершенные двигатели.
Именно в процессе разработки паровых машин были познаны и изучены основные законы преобразования тепла в работу и многие другие законы природы.

20 0C

t2 = 100 0C

с = 4200 Дж/(кг . 0С)

λ = 2,9 . 107 Дж/кг

Экспериментальное определение потерь энергии и КПД паровой машины

Q потерь - ?
η - ?

Решение:

0,00166 кг

48 140 Дж

1 680 Дж

46 460 Дж

~ 0,0037%

или горючий газ

Устройство:

свеча

клапан для выпуска отработанных газов

клапан для впуска горючей смеси

цилиндр

шатун

или горючий газ

Схема работы:

1 такт
ВПУСК

2 такт
СЖАТИЕ (воспламенение)

3 такт
РАБОЧИЙ ХОД

4 такт
ВЫПУСК

поршень

поршень

поршень

поршень

или горючий газ

Схема работы:

1 такт
ВПУСК

2 такт
СЖАТИЕ (воспламенение)

3 такт
РАБОЧИЙ ХОД

4 такт
ВЫПУСК

поршень

поршень

поршень

поршень

в 1957 году.
Достоинства:
более простая конструкция (требует на 35..40% меньше деталей, чем обычный двигатель);
почти в 2 раза меньший вес при одинаковой мощности;
более компактный;
практически без вибраций.
Недостатки:
малый ресурс из-за плохих материалов уплотнения;
больше расход топлива;
не простое вращательное движение (сам Ванкель был недоволен планетарной концепцией и до конца жизни искал более простой вариант).

ход «рабочий».
Ротор двигателя, напоминающий треугольник, вращается через планетарную передачу, попеременно увеличивающий и уменьшающий объем камеры между ротором и стенками (статором).
Принцип действия роторно-поршневого двигателя Ванкеля ясен из анимированного рисунка
За рубежом некоторые фирмы оснащали серийный машины роторно-поршневым двигателем.
У нас ВАЗ выпускает двигатели Ванкеля мощностью 40 л.с. и оснащает им некоторые модели "девяток".
Роторно-поршневые двигатели весьма перспективны для малой авиации.
Необходимые мощности - 20..40 л.с.

приводится в журнале "Демиург" №1 за 1998 г.
В этом двигателе ДВС камеры сжатия, сгорания и расширения рабочей смеси разнесены в пространстве, а процессы сжатия, сгорания и расширения совмещены во времени, что по идее должно обеспечить непрерывность сжигания рабочей смеси и, соответственно, повысить удельную мощность ДВС.
По расчетам автора, масса двигателя мощностью 20 кВт не превысит 4 кг. Это на уровне лучших ТРД, при этом расход топливной смеси ориентировочно 57 г/сек.

журнале "Двигатель".
В предложенной конструкции процесс сжатия смеси (воздуха или смеси воздуха и топлива) и сгорания происходит в подобии турбины, выполненной из элементов со сложной вогнутой конической сферовинтовой поверхностью. В такой турбине небольшие замкнутые объемы перемещаются вдоль оси двигателя слева направо. В левой части при перемещении этих объемов они уменьшаются (происходит сжатие топливной смеси), в центре топливо поджигается, и дальше движется направо по расширяющимся объемам.
Преимущество такого двигателя в том, что в сжимающихся/расширяющихся изолированных объема можно "снять" больше энергии с топлива, чем в случае "удара" сильной струи раскаленного газа в обычную турбину. Кроме того, доступна меньшая частота оборотов вала, а следовательно, уменьшаются потери на редукторе (по сравнению с ТРД, где турбина может вращаться с частотой вплоть до 100000 об/мин и более, а на выходе необходимо 500...3000 об/мин).

отсутствие трения скольжения;
теоретически неограниченную степень сжатия компрессора и, соответственно, степень расширения турбины;
широкий рабочий диапазон оборотов двигателя;
возможность работы при высокой частоте вращения;
простоту конструкции;
отсутствие несбалансированных масс и низкий уровень шума;
небольшие массу и габариты;
возможность работы на любых видах жидких и газообразных топлив;
возможность введения в зону горения реагентов для улучшения характеристик;
высокая удельная мощность и коэффициент полезного действия шестикамерного двигателя в пределах 60…70 %.
Недостатком является сложность технологии изготовления элементов (из-за материала и требуемой точности).

пятый житель планеты!
Автомобиль – угроза экологии планеты!

Перейти к документу

за счет чего создается избыточное осмотическое давление
В Великобритании выдан патент № 1343891 на осмотический двигатель, довольно сложный, однако пригодный, по мнению изобретателей, для применения на автомобилях.
Российский инженер П. Роговик предложил очень простой тихоходный осмотический двигатель небольшой мощности, основанный на разбухании материалов при увлажнении.

Двигатели, использующие эффект осмоса

Кольцо из этого материала изобретатель зажал между двумя валками, погруженными в воду до уровней осей. Части кольца, находящиеся ниже уровня, расширяются от набухания и давят на валки, приводят их во вращение. Вместе с валками медленно крутится и кольцо. Его разбухшие части постепенно поднимаются вверх, а сухие опускаются, впитывают воду, разбухают и давят на валки, продолжая их вращать.
Части кольца, вышедшие из воды, высыхают, и цикл продолжается.

у сплава нитинола.
Сваренный из никеля и титана, он обладает необычным свойством: запоминать форму, которую ему придают в нагретом состоянии. Можно, например, полоску из этого сплава закрутить в спираль - попеременно нагреваемая и охлаждаемая, она то станет снова полоской, то обратно закрутится, и так бесчисленное количество раз.
Американским инженерам удалось, используя это свойство, построить двигатель. Его основа - колесо с изогнутыми спицами, которые в горячем состоянии были прямыми. Когда такую спицу погружают в ванну с теплой водой, она выпрямляется и толкает колесо. Тотчас же спица попадает в холодную воду и изгибается, а на ее место в теплую ванну приходит новая изогнутая спица.
Для работы двигателя достаточно перепада температур всего в 23°.

Двигатели, использующие эффект памяти формы

для изменения магнитных свойств металлов. Благодаря этому также можно получить механическую работу.
Иллюстрация тому - двигатель, предложенный изобретателем А. Г. Пресняковым.
Он предельно прост, состоит из обода со спицами - и только. Обод сделан из ферромагнитного сплава, который теряет свои магнитные свойства при +65 °С. (Сегодня уже известны сплавы, где эта потеря происходит при более низких температурах.) Достаточно близко к ободу установить сильный постоянный магнит и даже не нагревать, а только освещать какой-либо участок обода до потери им магнитных свойств, как магнит станет притягивать соседние участки обода, заставляя его проворачиваться.

Двигатели, использующие эффект изменения магнитных свойств металлов

Не следует думать, что такой двигатель очень слабосилен. Солнечный водоподъемник, построенный Пресняковым, в пустыне качал до 800л воды в час.
Изготовил Пресняков и тележку, которая катится на свет сильной электролампы.
Такую модель может в принципе построить и любой юный конструктор.

время езды?

Ответ. Покрышки нагреваются за счет работы силы трения, имеющей место при движении колес по полотну дороги, а также из-за работы сил, деформирующих покрышки при качении.

остановок или с остановками?

Ответ. При остановке кинетическая энергия автомобиля превращается во внутреннюю энергию тормозных колодок, шин и других узлов. Чтобы после остановки приобрести необходимую скорость, а значит, и кинетическую энергию, в двигателе должно быть израсходовано некоторое количество горючего. Следовательно, при езде с остановками автомобилю требуется больше горючего.

или горячая (1000С)?

Ответ. Быстрее будет охлаждать металл горячая вода, так как при температуре 1000С она испаряется, для чего ей нужна энергия, которая будет отбираться у металла; каждый килограмм горячей воды испаряясь возьмет у металла 2260кДж, а килограмм холодной воды, нагреваясь на 10С, - всего 4,19кДж.

а трактора МТЗ-80 - 0,238кг/кВт.ч. Сравните КПД двигателей. Теплота сгорания топлива равна 43.106Дж/кг. Ваше мнение: почему трактор МТЗ-80, несмотря на более высокую цену, пользуется большим спросом у покупателей, чем Т-40М?

Ответ. 1кВт.ч – это работа, совершаемая в единицу времени. Для того, чтобы совершить одинаковую работу, трактору Т-40М необходим больший расход топлива, чем трактору МТЗ-80. Поэтому у трактора МТЗ-80 КПД более высокий, следовательно, он более экономичен: меньше затрат на топливо, меньше выброс отработанных газов, вредных веществ, меньшее количество теплоты уходит в окружающую среду.