Текст - кейс к уроку в 10 классе (профильный уровень) по теме 'Тепловые машины. КПД тепловых машин. Тепловые машины и охрана окружающей среды'

Тема: Тепловые машины

Цель: Проследить исторический путь развития тепловых машин, их КПД, принципа работы для закрепления и расширения темы «Тепловые процессы». Ознакомление учащихся с выдающимися учёными в этой области.

Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами недостаточно. Необходимо за счёт энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу.

Большая часть двигателе на планете - это тепловые двигатели, т.е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Распространение и роль тепловых машин в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте чрезвычайно велики, а в энергетике они являются основным видом двигателей.

А теперь давайте окунёмся в историю и попытаемся рассмотреть самые знаменательные даты в развитии тепловых машин с древности и по наши дни.

I. Говорят ещё две с лишним тысячи лет назад, в III в. до н. э., великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и её описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского учёного, инженера и художника Леонардо да Винчи.

Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.

II. Примерно тремя столетиями позже в Александрии - культурном и богатом городе на Африканском побережье Средиземного моря - жил и работал выдающийся учёный Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал разные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. Его сочинения ценны тем, что в них даётся описание не только собственных изобретений, но и многих других из того времени.

В сочинениях Герона есть описание прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он представляет собой полый железный шар, закреплённый так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар и через изогнутые трубки вырывается наружу. При этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Это прообраз реактивных двигателей.

Это изобретение не нашло себе применения и осталось лишь забавной игрушкой.

III. Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и культуры, наступившего после мрачного периода средних веков, Леонардо да Винчи задумывается над тем, как можно было бы использовать внутреннюю энергию пара. В его рукописи мы находим несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи полагал, что образовавшийся в результате нагрева пар, расширяясь и увеличиваясь в объёме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения поршень мог бы совершать работу.

IV. Примерно через 100 с лишним лет (начало ХVII в.) другой итальянец, Джиованни Бранка, описал двигатель, в котором использовалась энергия пара в другом виде. Это было колесо с лопатками, в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. Таким образом, по существу, была изобретена паровая турбина.

Струя пара из парового котла 1 через неподвижную трубку (сопло) 2 направлялась на лопасти колеса 3, заставляя его быстро вращаться.

Хотя на первый взгляд кажется, что турбина проще паровой машины, на самом деле она гораздо сложнее. Конструирование, постройка и обслуживание представляет собой сложную задачу, т.к. турбина требует более точного изготовления отдельных частей, центрирования вращающихся деталей, применения высокопрочных, жаростойких материалов, способных выдерживать высокие температуры и большие динамические напряжения. Именно поэтому турбину стали использовать лишь в 80-х г.г. прошлого века.

V. Дени Папен был человеком необычной судьбы. Он родился во Франции в семье врача и сам стал врачом, получив прекрасное медицинское образование. Но тяга к технике переборола врача. О решет посвятить себя интереснейшей и важнейшей в то время области техники - созданию тепловой машины.

В 1690 г. изобретатель парового котла Дени Папен построил первую поршневую машину, которая, хотя и не получила практического применения, явилась прообразом последующих паровых машин. Она состояла из цилиндра 1 с движущимся в нём поршнем 2. На дно цилиндра наливали воду, поршень опускали вниз, причём воздух из-под поршня выходил через отверстие в поршне, закрываемое потом штифтом 3. Цилиндр подогревали. Образовавшийся пар поднимал поршень, который в верхнем положении закрепляли чекой 4. Цилиндр обливали холодной водой, пар конденсировался, в цилиндре образовывалось разрежённое пространство. Чеку вынимали, поршень под давлением атмосферного воздуха опускался вниз, поднимая при этом груз 5, привязанный к бечёвке, перекинутой через блоки. Таким образом, цилиндр служил и котлом, и конденсатором пара, что обусловило неработоспособность механизма.

VI. А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Об этом догадался в 1698 г. англичанин Томас Севери. В этой машине изобретатель впервые применил отдельный паровой котёл. Установка состояла из резервуара 1, который служил насосом, парового котла 2, водосборника 3 и резервуара 4.Пар из котла 2 через открытый кран 5 поступал в камеру 1 и вытеснял из неё воду через нагнетательный клапан 6 в в резервуар 4. Затем кран 5 закрывался и камера 1 поливалась холодной водой из резервуара 8. Благодаря этому пар в камере 1 конденсировался и в ней образовывалось разрежение. Тогда под действием атмосферного давления вода из камеры 3 через клапан 7 (при закрытом 6) поступала в резервуар 1. Затем цикл повторялся.

Машина Севери применялась для откачки воды из шахт, но была очень неэкономична (КПД 0,5%).

VII. Паровые машины начали своё шествие по земле. Казалось, что до создания универсального парового двигателя оставалось совсем немного. Нужно было только добиться, чтобы паровая машина могла приводить в действие не только механизмы прерывистого действия (например, водяные насосы), но и такие машины, как станки, у которых вал вращается непрерывно.

Однако понадобилось ещё 50 лет, чтобы универсальный двигатель был наконец построен. Произошло это не в Англии - стране, где наиболее бурно развивалась промышленность и много изобретателе трудились над созданием парового двигателя, а в отсталой крепостной России, на одной из отдалённых её окраин - Алтае.

В это время На Алтае работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов (1728 - 1766 г.г.).Ему-то и принадлежит честь создания проекта первого универсального парового двигателя.

Иван Ползунов учился в Екатеринбурге в горнозаводской школе. Эту школу создал Василий Татищев - питомец Петра I и первый начальник учреждённой на Урале Горной канцелярии. В школе обучали математике, началам механики, черчению, горному делу и набирали туда трудолюбивых мальчиков, хорошо окончивших начальную «словесную» школу. Иван Ползунов попал в горнозаводскую школу 10 лет от роду. В 1742 г. после окончания школы он стал учеником механика Горной канцелярии (ему было всего 14 лет) и началась его трудовая жизнь.

В 20 лет Ползунова направляют на самостоятельную работу в Барнаул. Здесь находились принадлежавшие царской казне рудники и несколько заводов, выплавляющих серебро.

На Барнаульском плавильном заводе Ползунов и построил свою «огнедействующую» машину (1766 г.) Изобретение это было делом всей его жизни, и можно сказать, что оно стоило ему жизни. «Механикус» Ползунов, такое звание пожаловала ему императрица Екатерина, подорвав своё здоровье тяжёлой работой, не дожил недели до пуска своего детища (ему было всего 38 лет).

Машина имела два цилиндра 1 с поршнями 2, соединёнными цепями с балансирами 3, которые приводили в действие мехи 4, которые накачивали воздух в плавильные печи. Поршни работали попеременно: когда в правом цилиндре под действием впрыскиваемой в него воды пар конденсировался и поршень опускался, в левый цилиндр поступал пар из котла 5, благодаря чему поршень в этом цилиндре поднимался; затем левый поршень опускался, а правый поднимался и т.д.

Парораспределительный кран 6, через который пар попадал в цилиндры, и водораспределительный кран 7, через который в них поступала холодная вода из бака 8, действовали автоматически с помощью особого зубчатого механизма.

Это была машина непрерывного действия. Главной её особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз (за счёт двух цилиндров вместо одного, как раньше).Постройка машины была закончена в августе 1766 г. Она имела высоту 11 м, ёмкость котла 7 м³, высоту цилиндров 2,8 м, мощность 29 кВт. Весной 1766 г. ученики Ползунова, спустя неделю после смерти своего учителя, испытали машину. Она работала в течение 43 суток и приводила в движение мехи трёх плавильных печей. Потом котёл дал течь; кожа, которой были обтянуты поршни, чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и поршнем, истёрлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался. Вскоре о Ползунове забыли, что не было исключением в царской России.

VIII. Усовершенствование паровой машины.

В 1784 г. получил патент на универсальную тепловую машину английский изобретатель Джеймс Уатт. Благодаря своим достоинствам машина Уатта сыграла громадную роль в развитии техники. Она получила самое широкое распространение и на протяжении ХIХ в. была главным видом двигателя в промышленности, а также в сухопутном и водном транспорте.

Поступательное движение поршня машины с помощью балансира и кривошипно-шатунного механизма превращалось во вращательное движение вала машины. Пар конденсировался не в цилиндре, а в особой камере - конденсаторе, цилиндр был с двойными стенками («рубашка»), что сразу снизило потери энергии и расход топлива в 2,5-3 раза. КПД 2-3%. В настоящее время КПД составляет 18-20%.

Кривошипно-шатунный механизм: поршень 1, балансир 2, шатун 3, кривошип 4, вал колеса 5 (от него движение передаётся любому станку).

Эти усовершенствования превратили паровой насос в универсальный паровой двигатель.

IХ. Паровая турбина. (доклад)

Х. ДВС. (доклад)

ХI. Газовая турбина. (доклад)

ХII. Компрессионный холодильник. (доклад)

Применение тепловых двигателей

• Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях ТЭС электрического тока, где они приводят в движение роторы генераторов. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на ТЭС.

• Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях.

• На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

• На железнодорожном транспорте до середины ХХ в.основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы.

• 5)На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания ДВС, так и мощные турбины для крупных судов.

• В авиации на лёгких самолётах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах - турбовинтовые и реактивные двигатели. Реактивные двигатели используются на космических ракетах.

Без тепловых двигателе современная цивилизация немыслима.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Неуклонный рост энергетических мощностей - всё большое распространение укрощённого огня - приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставивым 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. Растёт выброс в атмосферу микроскопических частиц - сажи, пепла, измельчённого топлива, что приводит к увеличению «парникового эффекта», обусловленного повышением 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 растёт, а очистка отработанных газов затруднена.

Всё это ставит ряд серьёзных проблем перед обществом.

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 её на производстве и в быту.