Физика

Урок 4: Агрегатные состояния. Часть 2

Изменение агрегатных состояний. Часть 2

Что такое архитронито? «Сверхгром» или «супергром». Так переводится это интересное слово с греческого языка. Это не природное явление, а оказывается пушка. Еще Леонардо да Винчи нарисовал в своих рукописях это устройство. Откуда оно взялось и многое другое раскрыто в данном уроке.
 

План урока:

Что значит воздух влажный?

Газ и пар работают. ДВС

КПД тепловых двигателей

2000 лет первому двигателю?

Экологические проблемы использования тепловых машин

 

Что значит воздух влажный?

Для роста растений и жизни животных, теплообмена организмов и окружающей среды огромное значение имеет содержание паров воды в нижних слоях атмосферы. Какое количество пара находится в воздухе, характеризует понятие «влажность». Влажность воздуха влияет не только на живые организмы, но и определяет климат и погоду.

От насыщенности воздуха парами зависит степень влажности. Различают два вида влажности:

1opo

Здесь речь идет о насыщении воздуха парами воды. Но насыщенный пар получается при испарении любой жидкости. Вначале оторвавшихся от поверхности молекул жидкости будет больше, чем вернувшихся назад. Если сосуд закрыт, и молекулам жидкости некуда деться, кроме этого сосуда, плотность пара над жидкостью будет расти. Достаточно быстро количество молекул, покинувших жидкость и вернувшихся обратно, уравнивается. Такое состояние называют динамическим равновесием жидкости и пара. Пар в этом случае будет насыщенным.

Понятие относительной влажности помогает выяснить, насколько близко или далеко состояние водяного пара от насыщенности, что говорит о степени влажности воздуха.

В процессе охлаждения воздуха наступает момент, когда пар начнет конденсировать, появится туман и начнет оседать роса. Пар в это время будет насыщенным.

2dgd

3tocka rosiИсточник

Влажность имеет большое значение для людей, организмов животных, растений, окружающих зданий, предметов, состояния воздуха внутри помещений.

4 znachenie vlaznosti
Источник

Люди, ответственные за сохранение произведений живописи, музейных экспонатов, книг, очень внимательно относятся к влажности воздуха. Этот показатель влияет на сохранность произведений искусства и книг. Поэтому в помещениях, где они хранятся, обязательно используется прибор, измеряющий влажность воздуха – психрометр.

5 psixrometr
Психрометр 

    

Главной частью этого прибора являются два термометра. Первый, сухой, измеряет температуру окружающего воздуха. Резервуар со спиртом у второго термометра сверху покрывается влажной ватой или мягкой тряпочкой. Влага испаряется, и этот термометр показывает температуру меньшую, чем сухой. По разности температур обоих термометров в таблице справа определяется процент влажности воздуха.

Важно знать простейшие способы изменения влажности. Смешивая уличный и домашний воздух с помощью проветривания, можно повысить или понизить влагу в комнате. Выращивать комнатные растения для изменения влажности тоже правильно. Открытые сосуды с водой также повлияют на состояние воздуха.

Существуют современные устройства для увлажнения воздуха в комнатах, в больших помещениях применяются специальные системы регулирования влажности воздуха.

6 uvlaznitel
Увлажнитель воздуха  

Газ и пар работают. ДВС

Пробка, закрывающая стеклянную пробирку очень плотно, с силой выскочит из нее, если воду в этой пробирке вскипятить. В начале опыта энергия горящего спирта преобразуется во внутреннюю энергию нагревающейся воды, потом пара. Дальше пар, при нагревании расширяясь и совершая работу, выталкивает пробку из пробирки.

Получается, что внутренняя энергия горячего пара перешла в механическую, давая возможность пару совершить механическую работу. Пар за пробкой выходит из пробирки еще горячим и отдает оставшуюся энергию в окружающую среду, у которой температура немного меньше.

Если сделать некоторую замену в данном опыте, то можно получить интересный результат. Если вместо пробирки взять металлический цилиндр, а вместо пробки в цилиндр поместить поршень, получится самый простой двигатель, основанный на использовании тепла – теплодвигатель. Конечно же, поршень не должен окончательно вылетать из цилиндрической трубки, а только двигаться до крайнего положения, и после выхлопа пара возвращаться обратно.

7 probka iz probirki
Источник

 Уже давно люди стремились пустить в дело теплоту сгоревших дров, угля, торфа. Хотели использовать ее не только в отопительных целях, но и для работы. 1768 год отмечен изобретением тепловой машины англичанином Джеймсом Уаттом.

8 james watt
Источник

9pop

Топливо сжигается снаружи, а может сжигаться внутри двигателя. Тогда двигатель становится ДВС (двигателем внутреннего сгорания). Такое изобретение сделано в 1860 году французским изобретателем Э. Ленуаром. Первоначально аппарат имел запутанную конструкцию. В дальнейшем, как и другие устройства, претерпел изменения, стал более совершенным.

Среди ДВС наибольшего признания заслуживает двигатель с четырьмя тактами одного цикла работы немца Н. Отто.

10 dvs
Источник

Принцип действия одного цилиндра следующий:

11wew

Это работа одного цилиндра. Если двигатель содержит четыре цилиндра, то его работа настроена так, что во время четырех тактов хотя бы один из цилиндров совершает рабочий ход. Это повышает мощность ДВС и обеспечивается равномерное вращение маховика.

12qwq

Модель двигателя внутреннего сгорания

Появление двигателя внутреннего сгорания привело к большому скачку в усовершенствовании технологий машиностроения и автомобилестроения.

 

КПД тепловых двигателей

Применяется несколько видов двигателей, работающих с помощью выделенного тепла от сгоревшего топлива:

565

Их принципиальное отличие в конструкции и способах преобразования энергии. Объединяет все тепловые машины использование энергии сгоревшего топлива, тем самым увеличение своей внутренней энергии и затем преобразование ее в механическую. В основе работы таких двигателей лежит свойство расширяющегося газа совершать работу.

Известно, что вся внутренняя энергия целиком никогда не перейдет в работу. Частично тепло уйдет на нагрев деталей, их трение или просто в окружающую среду. Так всего 1% от полученного тепла преобразовывался в полезную работу в первом тепловом агрегате. Поэтому самой важной характеристикой двигателя выступает коэффициент полезного действия – КПД.

13

Работа всегда меньше полученного тепла и КПД ˂ 100%. Для современных тепловых устройств КПД достигает значений 30 – 45 %. Это достаточно большое значение в сравнении с первыми моделями двигателей, использовавших теплоту.

2000 лет первому двигателю?

Когда Джеймс Уатт сконструировал свой тепловой двигатель, началась эпоха машин, использующих для работы тепло сгоревшего топлива.

Но значительно раньше гениальный Архимед придумал паровое устройство – пушку. Она тоже была паровой машиной, но одноразового действия. Назвали ее архитронито. Важнейшие части такой пушки: жаровня, бачок для воды, ствол и ядро.

До выстрела ядро помещали в ствол, закрытая часть которого очень сильно нагревалась на жаровне. Из бачка туда быстро выливалась вода, мгновенно превращающаяся в горячий пар. Пар своим давлением резко выталкивал ядро из ствола, причем на приличное расстояние. Было рассчитано, что ядро при массе 24 кг в таком выстреле могло улететь более, чем на 1 км.

14 pushka parovaya
Источник

Во время боя одна пушка могла выстрелить только один раз. А если таких пушек несколько, целая батарея. Для древних сражений это представляло сокрушительную силу.

Другая интересная конструкция – эолипил Герона Александрийского. Название машины происходит от слова Эол – бог горячего ветра в мифологии древних греков.

Две трубки, выходящие из водяного котла, шарнирно соединялись с пустым шаром. Шар имел два сопла с одинаковыми загибами. Под котлом поджигали дрова, пар от воды поднимался через трубки в полый шар и по соплам резко рвался наружу. Это явление древние греки называли горячим ветром. С шипением и свистом шар быстро вращался.

15 parovoi nasos
Паровой насос Герона Источник

В этом примере машина называется паровой турбиной. В ту пору применения она не нашла. Только в семнадцатом веке эолипил Герона стали использовать в насосах и для дробления руды.

В мире античном практического применения изобретения ученых не находили. Дешевле оказывалась рабочая сила домашних животных и рабов. На машины смотрели, как на игрушки, которые могли лишь показать достижения той, древней, науки.

В конце семнадцатого и начале восемнадцатого веков из рудников и шахт в Англии стали откачивать воду первые машины с тепловыми двигателями.

А как двигатели вошли в автомобилестроение? Среди первых автомобилей с теплодвигателем был паромобиль, сделанный бельгийцем, Фердинадом Вербистом в Пекине в 1668 году.

Устройство машины довольно простое. Первая модель имела небольшую длину, всего 60 см. Основные части ее: реторта с трубой, турбина, соединенная через шестерни с колесами, горелка. При горении дров ниже реторты разогретый пар, вырываясь из трубы, поворачивал турбину, а турбина – колеса. Трудно назвать такую конструкцию автомобилем, лучше - тележкой. Тележка никак не управлялась, но могла двигаться около часа.

В приведенных примерах горючее находилось снаружи самой машины. Современные двигатели - в основном ДВС (двигатели внутреннего сгорания). Внутреннее горение всюду: в мотоциклах, автомашинах, тракторах, судах, самолетах.

Применение ДВС возможно на транспорте, где топливо хранится в компактных сосудах или баках, прикрепленных к машине.

Самым удобным, но небезопасным оказывается бензин, который, быстро испаряясь, легко образует горючие смеси.

Двигатели на бензине надолго завоевали мир. Однако изобретатели не могли увеличить КПД такого рода двигателей, для чего нужно было сильнее сжимать смесь воздуха с горючим. Смесь не выдерживала давления и неожиданно взрывалась.

Этот недостаток исключил тип двигателя, который был разработкой немецкого механика Рудольфа Дизеля. В его двигателе не горючая смесь сжималась, а чистый воздух. Он при сжатии разогревался до 500 – 700оС. При такой температуре могла воспламениться солярка, ставшая новым топливом. Делался впуск солярки в цилиндр двигателя, солярка воспламенялась и совершала работу, проталкивая поршень внутри цилиндра. Двигатель начинал работать.

17 rudolf
Рудольф Дизель Источник    

Дизель предполагал использовать вместо солярки угольный порошок, который тоже вспыхивал при температуре около 700оС. Но уголь оказался очень не удобным. Сейчас солярку называют по имени изобретателя дизельным топливом.

 

Экологические проблемы использования тепловых машин

Теплодвигатели для современного человека это часть жизни. Ни минуты сейчас не существует без автомобилей, производственных машин, кораблей, локомотивов, самолетов. Быстрое продвижение вперед промышленности обязано изобретениям и конструированиям тепловых машин. Но и проблемы экологии тесно привязаны к использованию таких машин, начиная от первых простых изобретений.

18 pervie auto
Первые автомобили Источник

Выбросы неиспользованного тепла приводят к нагреванию земли и атмосферы. Глобальные природные изменения, таяние ледников, повышение уровня воды океанов приведут к непредсказуемым переменам в условиях жизни человека.

Тем не менее, потребление тепла ежегодно растет.

Соединения серы и азота, негативно влияющие на человека, наполняют атмосферу при сгорании угля и нефти. В технологических процессах различных производств активно тратится кислород, и в воздухе заметно сокращается его количество. Все это значительно ухудшает экологическое состояние всей планеты.

19 trubi
 

Двигатели, работающие от тепла сгоревшего топлива, есть всюду. Перевозку людей и грузов осуществляют миллионы автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями. Двигаясь по железным дорогам - тепловозы, по воде – теплоходы, в воздухе - самолеты с реактивными и винтовыми двигателями, сбрасывают в почву, воду, атмосферу несгоревшие, горячие остатки топлива. Проникнув в космос, ракеты, космические станции, спутники оставляют в пространстве около Земли грязные следы.

20 vihlopi
 

Ядовитые летучие вещества атмосферы далеко не единственный показатель, влияющий на окружающую среду со стороны тепловых машин. Вывод в атмосферу огромного количества тепла, не полностью использованного при работе тепловых агрегатов, приводит к росту средней температуры на всей планете. Рост концентрации углекислого газа в воздухе является результатом сжигания горючих веществ, что становится причиной «парникового эффекта».

Частью воздуха, необходимого для дыхания людям и животным, становятся зола и сажа.

Известно из мировых исследований, что все энергоустановки каждый год в атмосферу выбрасывают около 200 мегатонн золы и более 60 мегатонн оксида серы. Это значительно усугубляет экологические проблемы.

Современное человечество уже не может отказаться от постоянного использования теплодвигателей. Ученые и изобретатели постоянно работают над повышением КПД, чтобы как можно меньше было потерь тепловой энергии. Решение экологических проблем в этой отрасли решается путем увеличения эффективности применения теплоты и перехода на энергосберегающие технологии.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Какую влажность помещения рекомендуются поддерживать для здоровья человека?
130-40%
240-50%
350-60%
440-60%
Ответить
4
Вопрос: 2
Какой такт ДВС называют «рабочим ходом»?
1Первый
2Второй
3Третий
4Четвёртый
Ответить
3
Вопрос: 3
КПД агрегата 35 %. Какова работа, совершаемая этим агрегатом, если он получил 5 кДж тепла
11750 Дж
2175 Дж
3175 кДж
417,5 кДж
Ответить
1
Вопрос: 4
Какую машину изобрел Архимед?
1Паромобиль
2Архитронито
3Эолипил
4Автомобиль
Ответить
2
Вопрос: 5
Дизельное топливо - это
1Бензин
2Угольный порошок
3Солярка
4Дрова
Ответить
3
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Какую влажность помещения рекомендуются поддерживать для здоровья человека?
1) 30-40% 2) 40-50% 3) 50-60% 4) 40-60%
2 вопрос:

Какой такт ДВС называют «рабочим ходом»?
1) Первый 2) Второй 3) Третий 4) Четвёртый
3 вопрос:

КПД агрегата 35 %. Какова работа, совершаемая этим агрегатом, если он получил 5 кДж тепла
1) 1750 Дж 2) 175 Дж 3) 175 кДж 4) 17,5 кДж
4 вопрос:

Какую машину изобрел Архимед?
1) Паромобиль 2) Архитронито 3) Эолипил 4) Автомобиль
5 вопрос:

Дизельное топливо - это
1) Бензин 2) Угольный порошок 3) Солярка 4) Дрова
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: 40-60%
2 вопрос: Третий
3 вопрос: 1750 Дж
4 вопрос: Архитронито
5 вопрос: Солярка