Необратимость термодинамических процессов в природе. Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей. Урок физики в 10-м классе

Наталья ЗЕЛЕНЕВСКАЯ,
учитель физики
ГУО «Средняя школа № 5 г. Новогрудка»,
Гродненская область

Тема: Необратимость термодинамических процессов в природе. Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действий (КПД) тепловых двигателей.

Цель: способствовать формированию представлений о необратимости процессов в природе, об устройстве и принципе работы действия теплового двигателя, умения определять коэффициент тепловых двигателей

Задачи:

– способствовать развитию основных мыслительных процессов (умения наблюдать, анализировать, сравнивать, делать выводы);
– способствовать раскрытию творческого потенциала и технического кругозора обучающихся.
– содействовать воспитанию у учащихся экологической культуры и коммуникативных умений посредством работы в группах.

Задачи для учащихся:

– иметь представление о тепловых двигателях, расчётной формуле КПД;
– уметь приводить примеры необратимости тепловых процессов;
– уметь объяснять принцип действия работы теплового двигателя;
– уметь приводить примеры использования тепловых двигателей, определять экологические проблемы, связанные с использованием ТД и пути их решения.

 Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.

Формы работы учащихся: групповая, индивидуальная, фронтальная.

Оснащение урока: проектор, оборудование для проведения экспериментов.

Оборудование для проведения опытов: пробирка, вода, пробка, спиртовка, штатив.

Презентация к уроку:
https://docs.google.com/presentation/d/1E5NIPKmTsa35ajvGlzRO4vnhge7mjgpa/edit?usp=share_link&ouid=117392227658357992449&rtpof=true&sd=true

 Ход урока

 1 Организационно-мотивационный этап

Цель этапа: создание психологической готовности класса к уроку, эмоционального образа темы.

– Добрый день. На столах у вас лежат три смайлика. Выберите тот, который соответствует вашему настроению сегодня. Я неслучайно попросила вас отразить свое настроение смайликами. Поговорка гласит: «Когда мы улыбаемся, мир улыбается вместе с нами». В этой поговорке заключен смысл фундаментального закона сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии: при любых взаимодействиях материальных объектов энергия не исчезает и не возникает из ничего, она только передаётся от одних объектов к другим или превращается из одной формы в другую.

2 Этап целеполагания

Цель этапа: вовлечение учащихся в определение темы и личных задач, которые они будут решать на уроке.

Чтобы актуализировать знания по теме, учащимся предлагается заполнить таблицу «Знаю – Не знаю»:

– Как вы видите, в ваших знаниях есть пробелы, поэтому мы продолжаем изучения закона сохранения и превращения энергии в тепловых процессах. И сегодня мы рассмотрим применение этого закона на примере тепловых двигателей.

– Тема нашего урока: «Необратимость термодинамических процессов в природе. Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действий (КПД) тепловых двигателей».

– Опираясь на тему урока и таблицу «Знаю – Не знаю», определите задачи нашего урока.

3 Операционно—познавательный этап .

Цель этапа: восприятие, запоминание и анализ учащимися основного учебного материала.

– Люди давно научились использовать изменение внутренней энергии тела, происходящее при совершении механической работы. Например, можно согреть руки, потерев ладони, или добыть огонь трением одного куска дерева о другой. Гораздо больше времени понадобилось человечеству в процессе своего развития, чтобы научиться использовать механическую работу, получаемую путём передачи телу некоторого количества теплоты. Только в 1765 году, сравнительно недавно по историческим меркам, русскому изобретателю И.И.Ползунову удалось создать первое практически полезное универсальное устройство для осуществления этой цели – паровую машину. Изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания французским инженером Э.Ленуаром в 1860 году имело исключительно большое значение. Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых внутренняя энергия сжигаемого топлива и его окислителя частично преобразуется в механическую работу.

Тепловые двигатели – устройства, в которых происходит превращение части внутренней энергии сжигаемого топлива в механическую работу.

Виды тепловых двигателей

Демонстрация опыта

– В качестве упрощенной модели теплового двигателя рассмотрим пробирку с водой, закрытую пробкой. Подведем тепло к пробирке. Давление газа при нагревании увеличивается, и газ совершает положительную работу по выталкиванию пробки. Однако в данном случае устройству свойственно одноразовое выполнение работы, поэтому такие устройства малопригодны.

Вывод: цикличность (первый принцип тепловых двигателей).

– Тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но каждый из них имеет рабочее тело (газ, пар), холодильник (атмосфера) и нагреватель

– Для возвращения поршня в исходное состояние газ необходимо сжать до первоначального объёма. При этом внешняя сила совершает работу сжатия. Но если сжатие будет происходить при такой же температуре, что и расширение газа, то работа внешних сил будет равна работе силы давления газа при его расширении. В итоге полная работа за цикл будет равна нулю.

– Поэтому (второй принцип действия тепловых двигателей) сжатие должно происходить при более низкой температуре, чем его расширение. В этом случае полная работа газа за цикл положительна и равна площади фигуры.

Первый закон термодинамики не позволяет определить, в каком направлении может происходить термодинамический процесс. Первый закон термодинамики допускает самопроизвольный переход энергии как от более нагретого тела к менее нагретому, так и наоборот. Важно только то, чтобы уменьшение внутренней энергии одного тела было равно увеличению внутренней энергии другого тела. На самом же деле самопроизвольный переход энергии от менее нагретого к более нагретому телу в природе не происходит. Например, невозможно наблюдать, чтобы при опускании холодной ложки в горячий чай ложка охлаждалась ещё больше, передавая некоторое количество теплоты горячему чаю. На самом деле всегда некоторое количество теплоты самопроизвольно переходит от горячего чая к холодной ложке, пока в системе «чай – ложка» не установится тепловое равновесие с одинаковой температурой всей системы.

Утверждение, о том, что невозможна самопроизвольная передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, высказанное в 1850 году Р.Клаузиусом, носит название второго закона термодинамики. Таким образом, второй закон термодинамики констатирует тот факт, что количество теплоты самопроизвольно может переходить только от более нагретых тел к менее нагретым. Этот научный факт и определяет единственно возможное направление самопроизвольного протекания тепловых процессов – они идут в направлении к состоянию теплового равновесия.

Для характеристики тепловых процессов используют КПД

4 Контрольно-оценочный этап

Цель этапа: самоконтроль, обнаружение учащимися своей компетентности или своих ошибок и затруднений, связанных с новым учебным материалом; оценка эффективности исполненной ими деятельности.

4.1 Физкультминутка

Цель: создать условия для проверки качества полученных знаний (самоконтроль).

– Предлагаю вам немного расслабиться. Измените свою потенциальную энергию (нужно встать с места).

Измените потенциальную энергию своей руки (необходимо поднять или опустить руку).

Измените внутреннюю энергию ладошек (потереть ладошки друг о друга).

4.2 Создание кроссенса

Цель: создать условия для обобщения и применения знаний по теме (взаимоконтроль).

– А сейчас я предлагаю вам воспользоваться информацией из учебника и составить кроссенсы на заданные темы.

Каждой группе дается набор одинаковых картинок (Приложение). Группы держат в секрете тему своего кроссенса. После того как каждая группа создаст кроссенс, остальные отгадывают его тему. Затем представитель из каждой группы должен будет расшифровать свой кроссенс.

Темы кроссенсов:

1. Примеры и преимущества использования тепловых двигателей.
2. Экологические проблемы использования тепловых двигателей.
3. Пути решения проблем использования тепловых двигателей.

4.3 Тестовое задание

Цель: выявление пробелов и недоработок в изучении темы и организация ликвидации этих пробелов и недоработок (самоконтроль).

1. КПД теплового двигателя всегда

а) Равен 50%
б) Меньше 100%
в) Больше 100%
г) Равен 100%

2. Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и

а) Аккумулятора
б) Холодильника
в) Коленчатого вала
г) Нагревателя

3. КПД теплового двигателя равен отношению

а) Затраченной работы к энергии, полученной от нагревателя
б) Энергии, полученной от нагревателя, к полезной работе
в) Полезной работы к постоянной теплового двигателя
г) Полезной работы к энергии, полученной от нагревателя

4. Тепловая машина за один цикл получает от нагревателя количество теплоты 10 Дж и отдает холодильнику 6 Дж. Каков КПД машины?

а) 60 %,
б) 40%
в) 67%

5. КПД идеального теплового двигателя 40%. Газ получил от нагревателя 5 кДж теплоты. Какое количество теплоты отдано холодильнику?

а) 2кДж 
б) 3кДж
в) 7кДж

5 Подведение итогов урока. Объяснение домашнего задания

Цель этапа: осознание учащимися результативности своей деятельности на уроке, уровня усвоения учебного материала, самооценка и оценка.

5.1 Рефлексия

– Вернемся к таблице «Знаю – Не знаю». Поставьте плюсы там, где вы хорошо разобрались с полученной информацией. Возможно, у кого-то еще остались вопросы, тогда поставьте вопросительный знак.

– Продолжите выражение «Сегодня мы на уроке мы рассмотрели …».

– Как вы думаете, достигли ли вы целей, которые были поставлены в начале урока?

– Надеюсь, что знания, полученные сегодня, помогут вам по-другому взглянуть на окружающий мир.

5.2 Домашнее задание

§ 15, контрольные вопросы на с. 104 (5 баллов); упражнение 11 (2) (6–7 баллов);
упражнение 11 (4) (8–9  баллов); подготовить сообщение на тему «Вечный двигатель: миф или реальность» (9–10 баллов).

Поделиться ссылкой: