Работа пара и газа при расширении

1. Джеймс Уатт

УАТТ (Watt) Джеймс (1736-1819)
английский изобретатель.
Изобрел (1774-84) паровую
машину с цилиндром двойного
действия.
Применение машины Уатта
положило начало эре тепловых
двигателей.

2.

Работа газа и пара при расширении.
Двигатель внутреннего сгорания.

3.

Задача урока:
познакомиться с устройством тепловых машин
на примере двигателя внутреннего сгорания.
Цели: изучить
-виды тепловых машин;
-устройство ДВС;
-принцип работы ;
-влияние работы ДВС на окружающую среду
Тепловые двигатели – это машины, в
которых внутренняя энергия топлива
превращается в механическую
энергию.

4. Энергия топлива. С+О2=СО2+Q углерод + кислород = углекислый газ + тепло

5.

Простейший "одноразовый" тепловой
двигатель (паровая машина)
При нагревании воды в закрытой
пробкой пробирке увеличивается
количество пара, находящегося под
пробкой, и повышается его давление на
пробку. Наконец, давление пара
выталкивает пробку, при этом пар
совершает работу. Часть
первоначальной энергии пара пошло на
совершение работы по выталкиванию
пробки. Внутренняя энергия пара
превратилась в механическую энергию.
Так как пар выходит еще достаточно
горячий, то оставшуюся энергию он
отдает окружающему воздуху,
имеющему более низкую температуру.

6.

ДАВНЫМ - ДАВНО ...
Две с лишним тысячи лет тому назад, в 3
веке до нашей эры, великий греческий
1
математик и механик
Архимед построил
пушку, которая стреляла с помощью пара.
Рисунки пушки Архимеда были найдены
2
позднее в рукописях
Леонардо да Винчи.
При стрельбе один конец ствола сильно
нагревали на огне . Затем в нагретую
часть ствола наливали воду. Вода
мгновенно испарялась, и пар, расширяясь
с силой и грохотом выбрасывал ядро.
Ствол пушки представлял собой, как бы
цилиндр, по которому, как поршень,
скользило ядро.

7. Виды тепловых двигателей

Паровая машина
Газовая
и паровая турбина
Двигатель внутреннего сгорания
Реактивный двигатель

8. Паровая машина

9.

ПАРОВАЯ МАШИНА –
тепловой поршневой двигатель для
преобразования энергии водяного пара в
механическую работу.
Пар, поступая в цилиндр паровой машины,
перемещает поршень.
До конца 19 в. она была единственным
универсальным двигателем,
сыграла исключительную роль в
прогрессе промышленности и транспорта.

10. Турбореактивный двигатель

Газовая турбина может быть
использована как реактивный
двигатель.
Её реактивная сила тяги может
быть использована для
движения самолёта, теплохода
или железнодорожного состава.
Турбореактивными
двигателями оборудованы: Ил62, Ту-154, Ил-86.
Авиационный турбореактивный двигатель Д-36
предназначен для установки на самолеты Як-42,
Ан-72, Ан-74 и экранопланы "Комета-2" и "Вихрь-2".
10

11. Карбюраторный двигатель

В 1880-х гг. О. С. Костович в
России построил первый
бензиновый карбюраторный
двигатель.
В таком двигателе смешивание
топлива с воздухом происходит
вне цилиндра, в специальном
узле обогащения топлива
воздухом (карбюраторе)
ВАЗ-2120 Надежда, двигатель
бензиновый, карбюраторный.
Квадроцикл "РЫСЬ"
2-х цилиндровый, 2х тактный
карбюраторный
двигатель с водяным
охлаждением.
11

12.

Что заставляет двигаться комбайны,

13.

трактора,

14.

самолеты,

15.

16.

вертолеты,

17.

мотоциклы,

18.

19.

автомобили?

20.

21.

Сердцем машины является мотор, т.е. двигатель
внутреннего сгорания.

22.

Тепловые двигатели
+(хорошо)
-
(плохо)

23.

Двигатель внутреннего
сгорания — это устройство, в
котором химическая энергия
топлива превращается в
полезную механическую
работу.
ДВС делятся :
а)По назначению — на транспортные,
стационарные и специальные.
б)По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые
жидкие (дизельное топливо).
в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюраторые) и
внутреннее (дизельные) ДВС.
г) По способу воспламенения (искра или сжатие).
д) По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные,
оппозитные, V-образные, VR-образные и W-образные классифицируют:
двигатели.

24.

Двигатель внутреннего сгорания –
очень распространенный вид
теплового двигателя. Топливо в нем
сгорает прямо в цилиндре, внутри
самого двигателя. Отсюда и
происходит название этого двигателя.
В цилиндре такого двигателя
периодически происходит сгорание
горючей смеси, состоящей из паров
бензина и воздуха. Температура
газообразных продуктов сгорания
достигает 1600 – 1800 0С.

25.

Давление на поршень при этом резко возрастает.
Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с
ним и коленчатый вал, совершая при этом
механическую работу.
Крайние положения поршня в цилиндре называют
мертвыми точками. Расстояние, проходимое
поршнем от одной мертвой точки до другой,
называют ходом поршня.
Один рабочий цикл в двигателе происходит за
четыре хода поршня, или, как говорят, за
четыре такта (впуск, сжатие, рабочий ход,
выпуск). Поэтому такие двигатели называют
четырехтактными.

26. Устройство двигателя внутреннего сгорания

1,2 – клапана
впускной и
выпускной
3 – поршень
4 – шатун
5 – коленчатый вал
6 – маховик
7 - свеча

27.

28. Принцип действия

1 такт
2 такт
3 такт
4 такт
28

29. Работа двигателя внутреннего сгорания. 1 такт. Впуск

При повороте вала двигателя в
начале первого такта поршень
движется вниз. Объем над
поршнем увеличивается.
Вследствие этого в цилиндре
создается разрежение. В это
время открывается клапан 1 и в
цилиндр входит горючая
смесь. К концу первого такта
цилиндр заполняется горючей
смесью, а клапан 1
закрывается.

30. Работа двигателя внутреннего сгорания. 2 такт. Сжатие

При дальнейшем повороте
вала поршень движется
вверх (второй такт) и
сжимает горючую смесь. В
конце второго такта, когда
поршень дойдет до крайнего
верхнего положения, сжатая
горючая смесь
воспламеняется (от
электрической искры) и
быстро сгорает.

31. Работа двигателя внутреннего сгорания. 3 такт. Рабочий ход.

Образующиеся при сгорании газы
давят на поршень и толкают его
вниз. Под действием
расширяющихся нагретых газов
(третий такт) двигатель
совершает работу, поэтому этот
такт называют рабочим ходом.
Движение поршня передается
шатуну, а через него коленчатому
валу с маховиком. Получив
сильный толчок, маховик затем
продолжает вращаться по
инерции и перемещает
скрепленный с ним поршень при
последующих тактах. Второй и
третий такты происходят при
закрытых клапанах.

32. Работа двигателя внутреннего сгорания. 4 такт. Выпуск.

В конце третьего такта
открывается клапан 2, и через
него продукты сгорания
выходят из цилиндра в
атмосферу. Выпуск продуктов
сгорания продолжается и в
течение четвертого такта,
когда поршень движется вверх.
В конце четвертого такта
клапан 2 закрывается.

33.

Схема работы
четырёхтактного
двигателя.
1. впуск
2. Сжатие
3. рабочий ход
4. Выпуск

34.

ЗАГРЯЗНИТЕЛИ
ОКАЗЫВАЕМЫЕ ДЕЙСТВИЯ
Углекислый газ
Увеличенное его содержание в
атмосфере приводит к повышению
температуры.
Окись углерода
Нарушить тепловой баланс верхних
слоёв атмосферы;ослабляет мыслительные способности человека;
замедляет рефлексы, вызывает
сонливость.
Оксиды азота
Образуют смог. Увеличивают
восприимчивость человека к вирусным заболеваниям.
Свинец
Добавляется в бензин. Влияет на
кровеносную, нервную и мочеполовую системы, откладывается в
костях и других тканях.
Нефть
Приводит к пагубным экологическим последствиям, вызывает гибель
планктона, рыб, морских птиц и
млекопитающих.

35. Как уменьшить загрязнение окружающей среды?

Т.к. автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении
атмосферы в городах, то проблема их усовершенствования
представляет одну из наиболее актуальных научно-технических задач.
Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды –
использование в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых
двигателей дизели в топливо которых не добавляют соединения
свинца.
Перспективными являются разработки и испытания автомобилей, в
которых вместо бензиновых двигателей применяют электродвигатели,
питающиеся от аккумуляторов и солнечный батарей или двигатели,
использующие в качестве топлива водород.
35

36. Электромобиль и солнцемобиль

37. Стоянка велосипедов в Германии

38. Лесные насаждения

39. Езда на лошадях

40. «Хорошо» и «плохо» тепловых двигателей

+
При сжигании топлива используется кислород из атмосферы,
вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно
уменьшается
Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу
углекислого газа. Молекулы оксида углерода поглощают
инфракрасное излучение, что приводит к изменению
прозрачности атмосферы. Что может привести к «парниковому
эффекту».
Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильные
двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2-3 млн. т
свинца. (Соединения свинца добавляют в автомобильный
бензин для предотвращения детонации топлива в двигателе,
приводящей к снижению мощности двигателя и его быстрому
износу. )
300 токсических веществ загрязняют атмосферу, щум,
ограниченная мощность.
40

41. «Хорошо» и «плохо» тепловых двигателей

Автономность- ездить
длительное время без
пополнения горючего.
При сжигании топлива используется кислород из
атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в
воздухе постепенно уменьшается
Быстрый пуск в любых
условиях.
Сжигание топлива сопровождается выделением в
атмосферу углекислого газа. Молекулы оксида
углерода поглощают инфракрасное излучение, что
приводит к изменению прозрачности атмосферы. Что
может привести к «парниковому эффекту».
Цивилизация общества .
Преобразование ручного
труда . Улучшение быта
людей.
Кроме оксида углерода и соединений азота,
автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в
атмосферу 2-3 млн. т свинца. (Соединения свинца
добавляют в автомобильный бензин для
предотвращения детонации топлива в двигателе,
приводящей к снижению мощности двигателя и его
быстрому износу. )
Разведка и покорение
космоса . Освоение и
исследование морских
глубин.
300 токсических веществ загрязняют атмосферу, шум,
ограниченная мощность.
Большая смертность в автомобильных авариях.
41

42.

Кто же изобрел это чудо техники?
Первый по настоящему работоспособный Двигатель
Внутреннего Сгорания (ДВС) появился в Германии в 1878
году. Но история создания ДВС уходит своими корнями во
Францию.
В 1860 году французский изобретатель Этвен Ленуар
изобрёл
первый двигатель внутреннего сгорания. Но этот агрегат
был несовершенен, с низким КПД и не мог быть применён
на практике. На помощь пришёл другой французкий
изобретатель Бо де Роша, который в 1862 году предложил
использовать в этом двигателе четырехтактный цикл:
1. всасывание
2. сжатие
3. горение и расширение
4. выхлоп

43.

44.

Именно эта схема и
была использована
немецким изобретателем Николаусом
Отто, построившим в
1878 г. первый
четырехтактный
двигатель
внутреннего
сгорания, КПД
которого достигал
22%.

45.

Первым автомобилем с четырёхтактным ДВС
был трёхколёсный экипаж Карла Бенца,
построенный в 1885 году.
Годом позже (1886 г) появился вариант Готлиба Даймера.
Оба изобретателя работали независимо друг от друга.
В 1926 году они объединились, создав фирму Deimler-Benz
AG.

46. История автомобилей.

Первый автомобиль
Г.Форда (1892г.)

47. История автомобилей.

Первый русский
автомобиль с
двигателем
внутреннего
сгорания
построенный
Е. А. Яковлевым,
П. А. Фрезе (1896г.)

48. История автомобилей.

Легковые
электромобили
И. В. Романова
(1899г.)

49. История автомобилей.

Электрический
омнибус
И. В. Романова
(1899г.)

50. История автомобилей.

Электрический
омнибус «Дукс»
(1901г.)

51. История автомобилей.

Первый
русский
автомобиль
«Руссо – Балт»
(1908г.)

52. Синквейн 1.Двигатель. 2.Тепловой, четырехтактный. 3.Преобразует, вращает, загрязняет. 4.ДВС преобразует внутреннюю энергию

топлива в механическую работу.
5.Чюдо техники.

53. Работа двигателя

Такты
Названия
Температура и
давление
Впускной
клапан
Выпускной
клапан
Поршень
Свеча
1 такт
2 такт
3 такт
4 такт

54. Работа двигателя

Такты
Названия
Температура и
давление
Впускной
клапан
Выпускной
клапан
Поршень
Свеча
1 такт
впуск
2 такт
сжатие
3 такт
Рабочий ход
4 такт
выпуск

55. Работа двигателя

Такты
1 такт
Названия
впуск
Температура и
давление
-
Впускной
клапан
Выпускной
клапан
Поршень
Свеча
2 такт
сжатие
t=1600º - 2200ºС
3 такт
4 такт
Рабочий ход
Р= 3-6 МПа
выпуск
-

56. Работа двигателя

Такты
1 такт
Названия
впуск
Температура и
давление
-
Впускной
клапан
Выпускной
клапан
Поршень
Свеча
открыт
2 такт
сжатие
3 такт
4 такт
Рабочий ход
выпуск
t=1600º - 2200ºС
Р= 3-6 МПа
-
закрыт
закрыт
закрыт

57. Работа двигателя

Такты
1 такт
Названия
впуск
Температура и
давление
-
2 такт
сжатие
3 такт
4 такт
Рабочий ход
выпуск
t=1600º - 2200ºС
Р= 3-6 МПа
-
Впускной
клапан
открыт
закрыт
закрыт
закрыт
Выпускной
клапан
закрыт
закрыт
закрыт
открыт
Поршень
Свеча

58. Работа двигателя

Такты
1 такт
Названия
впуск
Температура и
давление
-
2 такт
сжатие
3 такт
4 такт
Рабочий ход
выпуск
t=1600º - 2200ºС
Р= 3-6 МПа
-
Впускной
клапан
открыт
закрыт
закрыт
закрыт
Выпускной
клапан
закрыт
закрыт
закрыт
открыт
Поршень
движется вниз
движется вверх
движется вниз
движется вверх
Свеча

59. Работа двигателя

Такты
1 такт
2 такт
3 такт
4 такт
Названия
впуск
сжатие
Рабочий ход
выпуск
Температура и
давление
-
t=1600º - 2200ºС
Р= 3-6 МПа
-
Впускной
клапан
открыт
закрыт
закрыт
закрыт
Выпускной
клапан
закрыт
закрыт
закрыт
открыт
Поршень
движется вниз
движется вверх
движется вниз
движется вверх
Свеча
-
-
дает искру
-

60.

Домашнее задание: § 21-22.
Источники:
1.«Физика» 8 класс, авторы
А.В. Перышкин, Е.М. Гутник.
Издательство «Дрофа» 2012 г.
2.Составить синквейн ,кластер,
кроссворд.
3.Закончить работу над таблицей №3
4. http://www.all-fizika.com/

61. Урок 2. Паровая турбина. КПД.

62. Паровые турбины

Свежий пар
Сопла барабана
Диск с системой
лопаток
Отработанный пар
Паровая турбина установлена на
Тюменской ТЭЦ-1
Первая паровая турбина, нашедшая
практическое применение, была изготовлена
Г. Лавалем в 1889 г.
Её мощность была меньше 4 кВт при частоте
вращения 500 об/с.
При создании паровой турбины Лаваль решил
две проблемы:
Внутренняя энергия пара в максимальной
степени превращалась в кинетическую
энергию струи, вырывающейся из сопла.
Кинетическая энергия струи в максимальной
степени передавалась лопаткам ротора
турбины.
К.П.Д. современных паровых турбин достигает
40%, поэтому электрические генераторы всех
тепловых и атомных электростанций приводятся
в действие паровыми турбинами.
Паротурбинные двигатели нашли широкое
применение на водном транспорте и в авиации.
62

63.

ПАРОВАЯ ТУРБИНА
преобразует тепловую энергию водяного пара в
механическую работу. Поток водяного пара поступает
через направляющие аппараты на лопатки,
закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на
них, приводит ротор во вращение.
В отличие от поршневой паровой машины, паровая
турбина использует не потенциальную, а
кинетическую энергию пара,
электрические генераторы всех тепловых и атомных
электростанций приводятся в действие паровыми
турбинами.
Паротурбинные двигатели нашли широкое применение
на водном транспорте и в авиации.

64. Паровая турбина

65. Газовые турбины

2
1
3
4
1- воздушный компрессор
2 – камеры сгорания
3 – газовая турбина
4 – выпускное сопло
Транспортный самолёт
Ан -124 «Руслан»
Разработка турбин внутреннего
сгорания сдерживалась
отсутствием материалов,
способных длительное время
работать при высоких
температурах и больших
механических нагрузках.
Цикл работы газовой турбины
аналогичен циклу поршневого
ДВС, но в турбине циклы
происходят одновременно в
разных участках.
КПД газотурбинных установок
достигает 25 -30%.
Турбовинтовые двигатели
имеют Ил-18, Ан-22, Ан-124,
«Руслан».
65

66. Ракетные двигатели

Реактивные двигатели, не
использующие для своей работы
окружающую среду, называют
ракетными двигателями.
Выход струи газа через сопло
приводит к возникновению
реактивной силы.
Мощность первой ступени ракетыносителя «Восток» с ЖРД
достигала 15 ГВт.
В 1987 г. прошла успешные
испытания универсальная ракетаноситель «Энергия», способная
выводить на орбиту более 100 т
полезного груза.
Многоразовый ракетнокосмический комплекс «ЭнергияБуран»
Старт ракетыносителя «Союз»
66

67. Коэффициент полезного действия

(кпд) - характеристика эффективности теплового
двигателя, определяется отношением полезно
использованной энергии к суммарному количеству
энергии, переданному системе.

68. КПД тепловых двигателей

Турбовинтовой двигатель
самолёта – 30%
Карбюраторный
двигатель внутреннего
сгорания – 25-30%
Дизель (стационарный) – 34-44%
Дизель трактора и
машины– 28-30%
Паровая турбина на мощных
электростанциях -40%
68

69. Эффективность работы двигателей