А.А.НайдинМОУ гимназия № 44. г. Новокузнецк, Кемеровская обл.Изучение теплового двигателя в основной школеВ книге «Основы методики преподавания физики» учёные-методисты пишут о том, что в основной школе «необходимо ознакомить учащихся с принципом действия и устройством двигателя внутреннего сгорания (с кратким описанием отличий между карбюраторным и дизельным двигателями), обратив особое внимание на их широкое распространение…». Однако в лучшем на мой взгляд учебнике, входящим в федеральный комплект для основной школы, подробно описано устройство и работа четырёхтактного карбюраторного двигатель внутреннего сгорания, а о принципе действия теплового двигателя учителя и ученики должны догадаться сами. При выводе формулы для КПД тепловой машины холодильник упоминается, однако его роль остаётся «за кадром». У учеников создаётся впечатление, что и без него тепловой двигатель будет работать. Потери же тепла «на холодильник» – бесполезные и их надо уменьшать. В учебнике совсем не упоминается дизельный двигатель, нет описания истории развития тепловых двигателей (с чего всё началось, и что мы сейчас имеем), нет обоснования цикличности их работы. К сожалению, многие из этих недостатков переместились и в учебники для профильной школы. На своих уроках я пытаюсь пожеланиям ученых-методистов и ученикам угодить, поэтому тему «Тепловые двигатели» излагаю иначе. Понимаю, что нарвусь на критику по поводу использования примерных PV-диаграмм при объяснении, но они просты и доступны. То, о чём было сказано правильно и один раз в основной школе, в профильных классах станет уже повторением и легко будет развито учениками.«Никто не сомневается, что теплота может быть причиной движения, что она даже обладает больше двигательной силой: паровые машины, ныне столь распространённые, являются этому очевидным доказательством».^ Никола КарноПроцесс превращения работы в тепло человек использовал ещё на заре цивилизации, а обратный – превращение тепла в работу (внутреннюю энергию топлива в механическую энергию) начал использовать лишь 300 лет назад. Как это ему удалось? Демонстрация работы пара (выброс пробки из пробирки с кипящей водой). Заменив пробирку цилиндром, а пробку – поршнем, получим простейший тепловой двигатель (опыты с прибором для демонстрации взрыва горючей смеси). Тепловой двигатель – устройство предназначенное для превращения внутренней энергии топлива в механическую энергию. Прежде всего, на модели мы познакомимся с принципом работы паровой машины. Пусть в паровом котле машины объёмом V находится N порций холодного пара (Рис. 1). Это состояние порции пара изображается на PV-диаграмме точкой ^ 1 (рис. 2), где – объём порции пара, а P1 – давление.Подогреем котёл и порция пара, получив количество теплоты ^ Q1 в нагревателе, перейдёт в состояние 2. Теперь «заставим» порцию пара работать, направив её через клапан в цилиндр с поршнем, первоначальный объём которого равен объёму порции пара V1. Поступив в цилиндр, пар совершает работу A, переходя в состояние, которое на диаграмме изображается точкой 3. Теперь порцию пара можно выпустить в атмосферу, вернуть поршень в исходное состояние и повторить аналогичный процесс со второй порцией. «Мавр сделал своё дело, мавр может уходить»! Но тогда нам необходим целый эшелон воды! Не лучше ли вернуть порцию обратно в нагреватель, для чего направить её через другой клапан в другой цилиндр с объёмом V2 и сжать её до такого давления, которое бы способствовало её возвращению в нагреватель. Но для этого необходимо в лучшем случае совершить такую же работу, которую произвёл пар при расширении. Поэтому такой двигатель не имеет перспектив, КПД его в идеальном случае равен нулю и есть смысл цикл такого двигателя назвать именем самого нерадивого ученика. Как же получить выигрыш в работе? Вот для этого и существует холодильник объёма V2, в который поступает порция пара после совершения работы. Отдав холодильнику, количество теплоты Q2, порция пара переходит в состояние 4. Теперь холодную порцию пара можно с помощью другого цилиндра с поршнем вернуть в нагреватель, для чего нам необходимо совершить меньшую работу А. Почему меньшую? Тогда полезная работа за цикл Aпол = A – A = Q1 – Q2, а КПД паровой машины Теперь можно демонстрировать и другие тепловые двигатели, например, четырёхтактный карбюраторный двигатель внутреннего сгорания, цикл работы которого близок к циклу Отто. Объяснение лучше всего вести с демонстрацией модели двигателя, а его PV-диаграмма вычерчивается на доске (Рис. 3). Во время первого такта, который получил название «впуск», горючая смесь поступает из карюратора через открытый впускной клапан в цилиндр, при этом давление остаётся практически равным атмосферному, а объём увеличивается от V1 до V2. После этого идёт процесс сжатия горючей смеси, для чего производится внешними силами работа А, при этом объём смеси уменьшается в 6–8 раз, давление возрастает в 10 раз, а температура достигает 250–300 °С. В следующий момент времени на электроды свечи подаётся высокое напряжение, проскакивает искра, горючая смесь воспламеняется, её давление увеличивается ещё почти в 4 раза, а температура достигает 2500 °С (участок 3–4 на диаграмме). Повышение температуры и давления на этом участке произошло за счёт количества теплоты Q1, которое получила топливная смесь в результате сгорания бензина. Образовавшиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его, производя работу А, объём продуктов сгорания увеличивается до V2, давление уменьшается в 5–6 раз, а температура падает до 1000–15000 °С. Движение поршня передаётся шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик затем продолжает вращение по инерции и перемещает поршень при последующих тактах. Затем открывается выпускной клапан, давление резко уменьшается почти до атмосферного, продукты сгорания передают окружающей среде количество теплоты Q2 (участок 5–2 на диаграмме), после чего следует процесс выпуска продуктов сгорания при открытом выпускном клапане, на этом цикл завершается. Как видим, КПД такого цикла и составляет порядка 25–30%. Теперь можно обратиться и к ^ P,V-диаграмме дизельного теплового двигателя (Рис. 4). Она несколько отличается от P,V-диаграммы карбюраторного ДВС прежде всего гораздо большей степенью сжатия в 2–2,5 раза. Это и понятно, ведь сжимается не горючая смесь, а воздух. В процессе такта сжатия давление возрастает в 35–40 раз, а температура достигает 600–700 °С. На участке 3–4 через форсунку в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое сгорает и температура продуктов реакции возрастает до 2000 °С, однако давление газа мало изменяется, поскольку одновременно увеличивается объём в процессе совершения рабочего хода. После сгорания топлива двигатель продолжает процесс рабочего хода, и давление падает до 4–5 атмосфер, а температура в конце такта достигает 700–900 °С. Далее производится выпуск и цикл повторяется. КПД такого двигателя достигает 40% и для его работы может быть использовано низкосортное топливо. Сравнение HV-диаграмм двигателей позволяет найти общее в их работе и установить различия между ними, сформировать обобщённое представление о ДВС, которое, несомненно, будет развиваться в старшей школе. С другими тепловыми двигателями мы познакомимся на следующем уроке, а сегодня полезно решить несколько задач.Задачи: 1. В топке котла паровой машины расходуется 0,35 кг дизельного топлива на 1 кВт · ч вырабатываемой энергии. Каков КПД машины? 2. Найдите КПД двигателя автобуса, расходующего 60 кг бензина за 2,5 ч работы при средней мощности 70 кВт. Закрепить образ теплового двигателя и процессов, происходящих в нём, восьмиклассникам помогут вопросы такого содержания: 1. В тепловой машине пар при охлаждении отдаёт меньшее количество теплоты, чем было затрачено на его нагревание. Не противоречит ли это закону сохранения энергии? 2. Можно ли количество теплоты, которое передаётся тепловой машиной холодильнику, использовать для теплофикации? 3. Можно ли человеческий организм рассматривать как тепловой двигатель. Почему дрожат замёрзшие люди и животные? 4. Относится ли ружьё к тепловому двигателю? 5. Почему между цилиндром и поршнем двигателя внутреннего сгорания оставляют зазор? 6. Откуда получает энергию замерзающая вода, разрывая трубы? 7. Почему в дизеле не требуется зажигать рабочую смесь с помощью искры? 8. Дайте рекламу ДВС, работающему по циклу Отто (Дизеля).Творческие домашние задачи: 1. Предложите проект «ледяного двигателя», использующему работу, совершаемую водой при замерзании. 2. Предложите проект «резинового двигателя», использующему работу, совершаемую резинкой при её нагревании водой. 3. Предложите проект оптимального теплового двигателя внутреннего сгорания.Литература 1. Основы методики преподавания физики в средней школе/В.Г.Разумовский и др.; Ред. А.В.Пёрышкин. – М.: Просвещение, 1984. 2. Пёрышкин А.В. Физика. 8 кл. – М.: Дрофа, 2004. 3. Касьянов В.А. Физика. 10 кл. – М.: Дрофа, 2002. 4. Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике в средней школе. – М.: Просвещение, 1972. 5. Лукашик В.И. Сборник вопросов и задач по физике. – М.: Просвещение, 1981. 6. Буров В.А., Зворыкин Б.С., Кузьмин А.П. и др. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. – М.: Просвещение, 1972. 7. Джанколи Д. Физика. – М.: Мир, 1989.