Тепловые двигатели
Тепловые двигатели| Цели обучения, которые достигаются на данном уроке | 1.8.3.2.22 — описывать преобразование энергии в тепловых машинах; 8.3.2.20 — описывать принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и паровой турбины |
Ход урока
| Этапы урока | Запланированная деятельность на уроке | Ресурсы |
|---|---|---|
Запланированные этапы урока (0-10 мин 10-15 мин Повторение ранее изученного материала. Учащиеся должны выработать навыки по цели обучения «объяснять второй закон термодинамики». Задания формативного оценивания достижений учащихся представлены в приложении 1. Вызов. В пробирку нальем немного воды, закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения.  Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами? 2. В чем отличие в устройстве турбин и поршневых машин? 3. Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает? 4. Где применяют паровые турбины? Защита постеров учащимися Закрепление материала (решение тестовых вопросов) 1. Тепловыми двигателями называют машины, в которых A. внутренняя энергия топлива превращается в тепловую окружающей среды B. механическая энергия превращается в энергию топлива C. тепло окружающей среды превращается в механическую энергию D. внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию 2. В двигателе внутреннего сгорания A. энергия твердого топлива преобразуется в механическую энергию снаружи двигателя B. механическая энергия преобразуется в энергию топлива внутри двигателя C. энергия жидкого и газообразного топлива преобразуется в механическую энергию внутри самого двигателя D. механическая энергия поршня преобразуется в энергию топлива снаружи двигателя 3. Тепловой двигатель состоит A. | 1. Повторение ранее изученного материала. Учащиеся должны выработать навыки по цели обучения «объяснять второй закон термодинамики». Задания формативного оценивания достижений учащихся представлены в приложении 1. Вызов. В пробирку нальем немного воды, закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Предположите, что произойдет с пробкой и какие превращения энергии возможны при этом. Целеполагание. Совместно с учащимися определяются цели урока: описывать преобразование энергии в тепловых машинах; описывать принцип работы двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины Изучение новой темы. Учащиеся читают параграф в учебнике и отвечают на вопросы в группах, затем защищают постеры перед классом. 1 группа рассматривает вопросы: Что такое тепловые двигатели? Каковы основные части теплового двигателя? Перечислите виды тепловых двигателей? 2 группа рассматривает вопросы: 1. Что такое ДВС? 2. Как устроен ДВС и как он работает? 3. За сколько ходов, или тактов, происходит один рабочий цикл двигателя? Сколько оборотов делает при этом вал двигателя? 4.  энергия жидкого и газообразного топлива преобразуется в механическую энергию внутри самого двигателя D. механическая энергия поршня преобразуется в энергию топлива снаружи двигателя 3. Тепловой двигатель состоит A. из нагревателя и холодильника B. из нагревателя, рабочего тела и холодильника C. из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска D. и зажигания и рабочего хода 4. К тепловым двигателям не относится A. двигатель внутреннего сгорания B. паровая турбина C. реактивный двигатель D. ядерный ускоритель 5. В тепловом двигателе холодильник A. получает всю энергию, переданную нагревателем, и передает часть ее рабочему телу B. получает часть энергии нагревателя и предает всю ее рабочему ходу C. получает часть энергии, переданной нагревателем рабочему телу D. отдает всю энергию нагревателю 6. В тепловом двигателе нагреватель A. отдает часть энергии рабочему телу, часть энергии холодильнику B. получает всю энергию от рабочего тела C. получает часть энергии рабочего тела D. | 1. http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669b7980-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/2_8.swf 2. http://www.myshared.ru/slide/981612/ |
Не в такт — журнал За рулем
ТЕХНИКА
/ЭКЗОТИКА
НЕ В ТАКТ
ДВА ТАКТА, ЧЕТЫРЕ… КТО БОЛЬШЕ?
ТЕКСТ / АЛЕКСЕЙ ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ
Впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск: по такому циклу работают сегодня большинство двигателей внутреннего сгорания, будь то бензиновые или дизельные.
Кажется, процесс доведен уже до совершенства и конструкторы подбирают последние крохи, добиваясь максимально возможного КПД. А он не так велик, ведь из четырех ходов поршня (тактов) лишь один — рабочий. Остальные в большей или меньшей степени потребляют энергию. Мотоциклистам хорошо известен другой, двухтактный процесс; делаются попытки применить его и на автомобилях (ЗР, 1999, № 12). Тут эффективность повыше, но есть специфические проблемы с ресурсом, смазкой, наполнением цилиндров смесью.
А если… не уменьшать, а увеличивать количество тактов, причем не только «паразитных», но и рабочих? Существуют два совершенно независимых проекта — австралийский и швейцарский, в которых реализованы шеститактные циклы для бензинового и дизельного двигателей. Здесь на шесть ходов поршня — два рабочих, значит, можно ожидать большего КПД. Впрочем, почему ожидать? Построены прототипы, бегают по дорогам опытные мотоциклы — ожидания оправдались. Разработчики добились снижения удельного расхода топлива аж на 30%: завидуйте, изобретатели «коммон рейлов», «вэлвтроников», хитрых систем зажигания и прочей надстройки! Тут замахнулись на базис.
Пойдут ли шеститактные двигатели в серию? Пока не знаем. Но давайте познакомимся с ними поближе.
АВСТРАЛИЙСКИЙ ДВУХПОРШНЕВОЙ
Малколм Бер мог бы считаться типичным австралийским фермером, если бы кроме своего земельного надела в 1300 га не занимался одержимо мотоциклами и их моторами. Начав в 1981 году конструировать «заряженные» оппозитные двухтактники, через 17 лет он пришел к идее… двухпоршневого шеститактного двигателя (патент США № 5713314). Он представлен на рис. 1.
Если вы внимательно считали ходы поршня, то, наверное, удивлены. Их четыре, где же здесь шесть тактов? Автор изобретения просто приплюсовал еще два хода второго поршня, всего, стало быть, шесть (интересно, сколько тактов он насчитал бы в моторе советского танка Т-64 со встречно-движущимися поршнями?).
Свою идею Малколм проверил на переделанном двигателе «Дукати» (суммарный объем двух цилиндров 616 смз, степень сжатия 10,6). Он выдал 64 кВт (87 л.с.) при 9000 об/мин и 55,6 Н.м при 6000 об/мин.
104 кВт, или 141 л.с. с литра — блестящий результат! Этот моторчик был установлен на мотоцикле «Ямаха-SR500» и протестирован известным мотожурналистом Аланом Катхартом. Заявленные преимущества подтвердились, более того, экономия топлива (по сравнению с исходным четырехтактным мотором) составила 35,8% при скорости 48 км/ч и 13% при 72 км/ч.
ШВЕЙЦАРСКИЙ ТРЕХКАМЕРНЫЙ
У этого дизеля, придуманного Роже Бажюлазом, поршень один, зато по три камеры на цилиндр: сгорания, нагревания и рабочая. Несмотря на кажущуюся сложность конструкции, принцип его работы достаточно прост (рис. 2).
В отличие от традиционных ДВС, этот мотор можно было бы назвать двигателем внешнего сгорания: ведь топливо горит не в цилиндре, а в отдельной камере при постоянном объеме. Выделяющаяся теплота не рассеивается без пользы в охлаждающей жидкости, а через тонкие стенки раскаляет закачанный в камеру нагрева чистый воздух, который, расширяясь, совершает полезную работу, толкая поршень в пятом такте. Горение топлива происходит неспешно на протяжении полного оборота коленчатого вала.
Раскаленные докрасна стенки камеры способствуют полному сгоранию и доокисляют все частицы сажи без остатка. Холодный пуск, как обычно, обеспечивает свеча накаливания.
Степень сжатия в камере сгорания здесь значительно меньше, чем это принято для дизельных двигателей, на поршень также не воздействуют столь высокие температуры, как при непосредственном сжигании топлива в цилиндре. Значит, всю конструкцию можно облегчить!
Новый двигатель способен работать не только на дизельном топливе, но и на газе, бензине, метаноле или растительном масле. Тепловой КПД достигает 50% против средних 30% у ДВС, расход топлива снижается более чем на 40%, шумность и выбросы вредных веществ также значительно ниже, чем обычно. Мотор швейцарской фирмы Bajulaz Inc. запатентован в США (№ 4809511, № 4513568) и большинстве индустриально развитых стран.
Впрочем, патенты и успешная работа опытных образцов еще не гарантия больших перспектив. Вполне возможно, существуют проблемы, о которых разработчики умалчивают: иначе мы бы уже слушали необычный звук шеститактного выхлопа.
..
Рис. 1. БЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛКОЛМА БЕРА
ВПУСК. Большой поршень 3 начинает движение от ВМТ (верхней мертвой точки) вниз. Второй поршень 7 приблизился к своей ВМТ. Выпускной канал быстро закрывается вращающимся клапаном 5. Клапан 8 пропускает смесь в цилиндры. Суммарный объем цилиндров сейчас максимален, и в них поместится больший заряд!
СЖАТИЕ. Большой поршень достиг НМТ (нижней мертвой точки), а второй находится на полпути и начинает перекрывать впускной и выпускной каналы. Поначалу небольшому давлению сжимаемой горючей смеси противостоят вращающийся 5 и лепестковый 8 клапаны. Затем опускающийся второй поршень надежно перекрывает впускной и выпускной каналы, и двигатель готов к полезной работе.
РАБОЧИЙ ХОД. Большой поршень находится в ВМТ, второй — вблизи НМТ; камера сгорания заполнена горючей смесью, которую поджигает искровая свеча 4. Давление нарастает, и оба поршня двигаются в разные стороны, вращая коленчатые валы 6 и 1. Обороты верхнего вдвое меньше — так подобраны диаметры звездочек, связанных цепью.
Впускной и выпускной каналы пока перекрыты. Энергия не расходуется на преодоление кулачковым валом сопротивления пружин клапанов и давления газов в цилиндре; напротив, верхний поршень «подкручивает» основной коленчатый вал через цепную передачу (не показана).
ВЫПУСК. Большой поршень пришел в НМТ, его коленчатый вал повернулся на пол-оборота, а верхний вал — на 90°. Начинается выпуск отработавших газов. Впускной канал расположен чуть выше выпускного, так что он в этот момент еще не открывается.
Рис. 2. ДИЗЕЛЬНЫЙ МОТОР РОЖЕ БАЖЮЛАЗА
ВПУСК. Впускной клапан 1 открыт, поршень идет вниз, засасывая воздух. Тем временем в камере сгорания 6 горит рабочая смесь.
ВЫПУСК. Открыт выпускной клапан 4. Поршень идет вверх, выбрасывая в глушитель отработавшие газы. Воздух в камере нагрева продолжает разогреваться от стенок камеры.
СЖАТИЕ I. Открыт клапан 2 камеры нагрева 7. Поршень идет вверх, сжимая воздух и закачивая его в камеру нагрева. В камере сгорания продолжается горение топлива.
РАБОЧИЙ ХОД II. Вновь открылся клапан 2 камеры нагрева. Но теперь воздух под большим давлением поступает обратно в цилиндр, толкая поршень вниз.
РАБОЧИЙ ХОД I. Открылся клапан 3 камеры сгорания. Раскаленные газы поступают в рабочий цилиндр 5 и толкают поршень вниз. В камере нагрева растет давление воздуха.
СЖАТИЕ II. Поршень пошел вверх и через открывшийся клапан камеры сгорания закачивает в нее отработавший в предыдущем такте воздух. Он успел остыть, да и объем камеры сгорания больше, чем камеры нагрева. Поэтому степень сжатия здесь меньше. В конце такта произойдет впрыск и воспламенение топлива. Этот второй такт сжатия разработчики назвали рекомпрессией.
Не в такт
Не в такт
DOE объясняет… круговорот углерода | Министерство энергетики
Офис Наука
Круговорот углерода описывает, как углерод перемещается между атмосферой, почвой, живыми существами, океаном и человеческими источниками.
Изображение предоставлено Управлением науки Министерства энергетики США
Углеродный цикл — это процесс, который перемещает углерод между растениями, животными и микробами; полезные ископаемые в земле; и атмосфера. Углерод является четвертым по распространенности элементом во Вселенной. Благодаря своей способности образовывать сложные молекулы, такие как ДНК и белки, углерод делает возможной жизнь на Земле. Углерод в виде двуокиси углерода (CO 2 ) также является важной частью нашей атмосферы, где он помогает контролировать температуру Земли.
Поскольку лишь незначительное количество атомов достигает Земли из космоса, наша планета называется закрытой системой. Это означает, что Земля не получает и не теряет углерод. Но углерод движется постоянно. Большая часть углерода на Земле хранится в горных породах и отложениях. Остальное находится в океане, атмосфере и живых организмах. Ученые используют термин «поглотители углерода» для обозначения мест, где углерод хранится вдали от атмосферы.
Растения постоянно обмениваются углеродом с атмосферой. Растения поглощают углекислый газ во время фотосинтеза, и большая часть этого углекислого газа затем хранится в корнях, вечной мерзлоте, лугах и лесах. Затем растения и почва выделяют углекислый газ при разложении. Другие организмы также выделяют углекислый газ, когда они живут и умирают. Например, животные выдыхают углекислый газ при дыхании и выделяют углекислый газ при разложении. Океаны также обмениваются углеродом с атмосферой, поглощая углерод, который затем тонет при охлаждении. Кроме того, углерод хранится в горных породах и других геологических отложениях. Например, уголь и другие ископаемые виды топлива состоят из углерода растений, который хранился под землей миллионы лет.
Люди оказывают огромное влияние на углеродный цикл, когда мы сжигаем древесину, ископаемое топливо (такое как нефть, уголь и природный газ) и другие формы углерода. Это действие высвобождает накопленный углерод в атмосферу, где он становится парниковым газом.
Парниковые газы — это газы в атмосфере, которые поглощают и выделяют тепло.
Круговорот углерода формирует наш климат. Как парниковый газ, углекислый газ в атмосфере помогает определить, насколько теплая Земля. Слишком мало углекислого газа и других парниковых газов, и Земля замерзнет. Слишком много превратило бы атмосферу в печь. Вот почему понимание углеродного цикла и нашей роли в этом цикле имеет решающее значение для будущего Земли.
Управление науки Министерства энергетики США: вклад в исследования углеродного цикла
Министерство энергетики (DOE) поддерживает исследования углеродного цикла в первую очередь через программу Управления науки биологических и экологических исследований (BER). BER поддерживает исследования углекислого газа в атмосфере и других парниковых газов. BER также поддерживает исследования системной биологии, посвященные процессам растений, которые удаляют CO 2 из атмосферы и превращают его в более стабильные формы углерода, а также сложным отношениям между растениями, связанными с ними микробами (т.
е. растительными микробиомами) и более широкими сообществами. почвенных микробов, влияющих на процессы углеродного цикла. В дополнение к BER жизненно важную роль в изучении углеродного цикла играет программа передовых научных вычислительных исследований (ASCR) Министерства энергетики США, направленная на улучшение систем Земли и моделей климата, чтобы лучше понять, как углекислый газ и другие факторы формируют нашу планету. Министерство энергетики также участвует в Научной программе углеродного цикла США, межведомственной деятельности по координации научных исследований углеродного цикла США.
Факты об углеродном цикле
- Углекислый газ является одним из основных парниковых газов, наряду с метаном, закисью азота и рядом промышленных газов, называемых фторированными газами. Это газы, которые задерживают тепло в атмосфере.
- Углерод можно удалить из атмосферы с помощью ряда технологий, называемых связыванием углерода , включая прямое улавливание воздуха , при котором углекислый газ вытягивается прямо из атмосферы.
- В прошлом около 25 процентов выбросов углерода из антропогенных источников исторически приходилось на леса, пастбища и фермы. И около 30 процентов углекислого газа, который мы производим, улавливается океаном. Эти проценты изменятся в будущем, поскольку люди продолжают выбрасывать углекислый газ в атмосферу.
Ресурсы и связанные термины
- Программа BER Управления науки Министерства энергетики США
- Программа ASCR Управления науки Министерства энергетики США
- Научная программа углеродного цикла США
- Научное открытие: потепление почвы означает укрепление микробных сетей
- Научное достижение: трудное будущее тропических лесов
- Научное достижение: бактериальный круговорот углерода в почве не является совместным усилием
Научные термины могут сбивать с толку. Объяснения DOE предлагает простые объяснения ключевых слов и понятий фундаментальной науки.
В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.
Что такое круговорот углерода?
Углеродный цикл – это природный способ
повторного использования атомов углерода . Углерод основа всей жизни на Земле .Похоже, ваш браузер не поддерживает видео HTML5. Вот прямая ссылка на видео вместо этого.
ВИДЕО: Круговорот углерода описывает процесс, при котором атомы углерода постоянно перемещаются из атмосферы на Землю, а затем обратно в атмосферу. Деятельность человека оказывает огромное влияние на этот цикл. Сжигание ископаемого топлива, изменение землепользования и использование известняка для производства бетона — все это приводит к выбросу огромного количества углерода в атмосферу. В результате количество углекислого газа в атмосфере быстро растет — сейчас оно больше, чем когда-либо за последние 3,6 миллиона лет.
Стенограмма
Голубой углерод — это термин, обозначающий углерод, улавливаемый океаном и прибрежными экосистемами. Морские травы, мангровые заросли, солончаки и другие системы вдоль нашего побережья очень эффективно аккумулируют CO2. Эти области также поглощают и хранят углерод гораздо быстрее, чем другие области, такие как леса, и могут продолжать это делать в течение миллионов лет. Углероду, обнаруженному в прибрежной почве, часто тысячи лет. Когда эти системы повреждены или нарушены в результате деятельности человека, огромное количество углерода выбрасывается обратно в атмосферу, способствуя изменению климата.
Углерод является основой всей жизни на Земле и необходим для образования сложных молекул, таких как белки и ДНК. Этот элемент также содержится в нашей атмосфере в виде углекислого газа (CO2). Углерод помогает регулировать температуру Земли, делает возможной всю жизнь, является ключевым ингредиентом пищи, которая поддерживает нас, и обеспечивает основной источник энергии для подпитки нашей глобальной экономики.
Круговорот углерода описывает процесс, при котором атомы углерода постоянно перемещаются из атмосферы на Землю, а затем обратно в атмосферу. Поскольку наша планета и ее атмосфера образуют замкнутую среду, количество углерода в этой системе не меняется. Где находится углерод — в атмосфере или на Земле — постоянно находится в движении.
На Земле большая часть углерода хранится в горных породах и отложениях, а остальная часть содержится в океане, атмосфере и живых организмах. Это резервуары, или поглотители, через которые проходит углеродный цикл.
Углерод высвобождается обратно в атмосферу, когда организмы умирают, извергаются вулканы, полыхают пожары, сжигаются ископаемые виды топлива, а также благодаря целому ряду других механизмов.
В случае океана углерод постоянно обменивается между поверхностными водами океана и атмосферой или хранится в течение длительных периодов времени в глубинах океана.
Люди играют важную роль в круговороте углерода благодаря такой деятельности, как сжигание ископаемого топлива или освоение земли.
В результате количество углекислого газа в атмосфере быстро растет; это уже значительно больше, чем когда-либо за последние 800 000 лет.
Стенограмма видео
Что такое круговорот углерода? Углерод — это химическая основа всей жизни на Земле. Весь углерод, который у нас сейчас есть на Земле, такой же, как и всегда. Когда формируется новая жизнь, углерод образует ключевые молекулы, такие как белок и ДНК. Он также содержится в нашей атмосфере в виде углекислого газа или CO2. Углеродный цикл — это природный способ повторного использования атомов углерода, которые перемещаются из атмосферы в организмы на Земле, а затем снова и снова возвращаются в атмосферу. Большая часть углерода хранится в горных породах и отложениях, а остальная часть хранится в океане, атмосфере и живых организмах. Это резервуары, или поглотители, через которые проходит углеродный цикл. Океан — это гигантский поглотитель углерода, который поглощает углерод. Морские организмы, от болотных растений до рыб, от водорослей до птиц, также производят углерод, живя и умирая.