Блудова Г.И., учитель физики, Циба Л.В., учитель химии
Интегрированный урок по физике и химии в 10 классе.
После изучения в 10 классе тем по физике “Принцип действия тепловых двигателей; КПД тепловых двигателей. Охрана окружающей среды” и по химии “Природные источники углеводородов и их переработка” провожу интегрированный урок в форме урока-конференции.
Цель урока – стремление привлечь максимальное число учащихся к живой творческой работе, так как материал интересный, объемный, связан с жизнью и доступен для учащихся.
Задачи урока : повторение и систематизация знаний о принципах действия двигателей внутреннего сгорания (ДВС), видах топлива и физико-химических процессах в природе; развитие способностей учащихся анализировать ситуации, связанные с охраной атмосферы; формирование умения работать с дополнительной литературой. Воспитание бережного и разумного отношения к окружающей среде; умение работать коллективно.
Наглядные пособия : модель ДВС, грамзапись песни “Автомобили” (музыка В. Матецкого, слова М. Шаброва), таблицы, сделанные учениками.
Плакат: “Или люди сделают так, чтобы в воздухе стало меньше дыма, или дым сделает так, что на Земле станет меньше людей”.
Л. Дж. Баттан.
Стенд. “Все мы, ныне живущие, в ответе за природу перед потомками”
Диафильмы и видеозаписи:
“Применение ДВС”, “Влияние свинца выхлопных газов на здоровье человека”, “Фотохимический смог”, “Кислотные дожди”, “Новости из экологической программы”.
Оборудование для демонстрации экспериментов.
“Принцип действия двигателя внутреннего сгорания на водороде”, “Действие кислот на мел, известняк и мрамор”, “Определение pH в снеговой воде”.
План урока-конференции.
Двигатели внутреннего сгорания: карбюраторный, дизельный. Их устройство и принцип работы.
Топливо и его виды.
Загрязнение атмосферного воздуха выхлопными газами автотранспорта, их влияние на здоровье человека.
Мероприятия по борьбе с загрязнением атмосферного воздуха выхлопными газами автотранспорта; нейтрализаторы, дизельные двигатели, альтернативные виды топлива, электромобили, управление городским автотранспортом.
Вступительное слово учителя:
Сегодня на нашем уроке речь пойдет о моторе автомобиля и о городской экологии. Какие физические задачи встают перед конструкторами автомобильных двигателей, чтобы они не загрязняли городской воздух ? О моторе мечтали давно. Не надо быть специалистом, чтобы понимать: Эх, побольше бы мощности самосвалу, изготовленному на Московском автомобильном заводе. Да не ему одному – сколько километров дорог выиграла бы страна, на сколько ускорилась бы перевозка грузов. Этот дизель давно ждали на Ярославском моторном заводе. Необычно раздвинулись границы творчества молодых инженеров, техников, рабочих. И в эти новые горизонты вошли проблемы, которые казалось бы, выходят за рамки основной профессии. Каков он, мотор, с точки зрения экономики горючего? Каков он, мотор, в условиях окружающей нас природной среды. Не всегда такое мировоззрение актуально, иногда упомянутые соображения “можно сбросить со счетов”. Но не лишено практического интереса следующее рассуждение. Каковы потери горючего, если их подсчитать в масштабах станы ? Сколько двигателей, работая ежедневно, “обогащают” наш воздух вредными примесями ? В пользу этого рассуждения работает арифметика.
Предоставляется слово инженеру-конструктору :
Рассмотрим физические явления в работе автомобильных двигателей, исходя из этих двух требований: экономия горючего; охрана окружающей Среды. Двигатель с искровым воспламенением иногда называют двигателем Отто.
Идея четырехтактного двигателя принадлежит французу Альфонсу Бо де Роша. Сконструировал первый действующий образец немецкий инженер Николаус Отто. Он изобрел его в 1885 году.
Четырехтактный цикл Отто состоит из следующих тактов:
Такт впуска, во время которого поршень в цилиндре опускается и через открытый впускной клапан втягивает внутрь горючую смесь.
Такт сжатия, во время которого при поднятии поршня и сжатии горючей смеси закрыты и впускной и выпускной клапаны.
Так как сжатие очень быстрое, его можно считать почти адиабатным, следовательно, растет и температура, и давление.
Рабочий такт, во время которого горючий газ, возникший в результате горения, вызванного искрой на исходе такта сжатия с большим давлением действует на поршень и толкает его вниз. При этом совершается работа над коленчатым валом.
Такт выхлопа, в ходе которого поршень выталкивает наружу продукты сгорания через открытый выпускной клапан.
Итак, перечислим ключевые этапы цикла Отто:
адиабатное сжатие;
изохорный подвод тепла;
адиабатное расширение;
изохорный отвод тепла.
КПД двигателя определяется как отношение результирующей работы к затраченному количеству теплоты, т.е. количеству теплоты, выделенному при сгорании топлива.
Отношение объема цилиндра в тот момент, когда поршень находится в нижней мертвой точке, к объему при верхнем положении поршня известно как степень сжатия.
Расчет показывает, что КПД двигателя, работающего на основе цикла Отто, с ростом степени сжатия увеличивается.
Однако, повышать степень сжатия все же не так просто. Малая масса, компактность, сравнительно высокий КПД (25-30%) обусловили широкое применение в автомобилях, мотоциклах, моторных лодках, применяются двигатели в бензопилах.
В это время ученик - оператор демонстрирует кадры из диафильма “Применение ДВС”.
Но есть и недостатки: работают на дорогом высококачественном топливе, довольно сложны по конструкции, имеют большую скорость вращения вала двигателя, их выхлопные газы загрязняют атмосферу.
Предоставляется слово второму инженеру-конструктору.
Почти двадцать пять лет спустя после того, как Отто построил первый удачный образец двигателя с искровым воспламенением, его соотечественник Рудольф Дизель получил патент на двигатель, основанный на цикле сжатия–воспламенения. Р. Дизель задался целью построить двигатель , способный сжигать угольную пыль. Хотя в этом он не преуспел, его двигатель значительно менее разборчив по отношению к сорту горючего, чем двигатель Отто. Двигатель Дизеля может сжигать низкосортную нефть, имеющую высокую температуру кипения, и совершать большую работу на единицу израсходованного горючего . Хотя сегодня некоторые легковые автомобили и оснащены двигателями Дизеля, большинству людей они знакомы лишь как шумные и дымные моторы грузовиков, автобусов и железнодорожных локомотивов. Основное функциональное различие двигателей Дизеля и Отто состоит в том, каким образом происходит воспламенение.
В двигателе Отто смесь бензина с воздухом сжимается, а затем воспламеняется искрой.
В двигателе Дизеля адиабатно сжимается чистый воздух, причем степень сжатия здесь примерно в 2 раза больше, чем в двигателе Отто. Температура сжатого воздуха к исходу такта настолько велика, что при впрыскивании топливная смесь загорается самопроизвольно. При одинаковой степени сжатия двигатель Отто имеет больший КПД, чем двигатель Дизеля. Тогда почему же двигатели Дизеля все-таки привлекают внимание ? Дело в том, что в них достигаются большие степени сжатия, а значит и больше рабочий КПД. Самым привлекательным в двигателе Дизеля является пониженный расход горючего.
Несмотря на относительную массивность и медлительность, двигатели Дизеля постепенно вытесняют двигатели Отто, даже в легковых автомобилях. Дизельные двигатели устанавливают на речных и морских теплоходах, на дизель электроходах, на тепловозах, на электростанциях небольшой мощности.
Химик-технолог – подчеркнем, что КПД двигателя, работающего на основе цикла Отто, с ростом степени сжатия увеличивается, однако большие степени сжатия неизбежно сопровождаются высокими температурными, а последние независимо от способа их получения дают нежелательный побочный эффект. При высоких температурах в выхлопных газах повышается концентрация оксида азота.
Смешиваясь с окружающим воздухом NO окисляется до NO2. Это едкий газ, который и придает смогу коричневый оттенок. Загрязнение оксидом азота становится все серьезней в результате попыток снизить количество другого поллютанта (загрязняющего воздух компонента автомобильного выхлопа).
Дело в том, что выхлопные углеводороды окисляются и образуют вредные раздражители. Чтобы уменьшить примесь углеводородов в выхлопе, двигатели приспособили к использованию обедненных смесей топлива. Избыток кислорода при этом гарантировал полное сгорание бензина. Однако тогда лишний кислород оказывается способным к реакции с азотом, составляющим 80% атмосферного воздуха, впускаемого в двигатель. В результате по мере уменьшения углеводородной компоненты выхлопа автомобилей росла концентрация оксидов азота.
Производители автомобилей пытаются найти компромиссное решение: понизить степень сжатия в своих двигателях и ввести вторичное использование некоторого количества выхлопных газов в качестве добавки к поступающей воздушно-топливной смеси. Достигнуты снижение пиковых температур и ослабление потока оксидов азота.
Химик-технолог
Работа двигателей зависит от видов топлива, которые получают из нефти (схема переработки нефти).
****
Карбюраторные двигатели работают на ее легкой фракции–бензине. Смеси углеводородов состава С5 – С12. Смесь некоторых углеводородов бензина с воздухом воспламеняется от сотрясения. Удар взрывной волны о поршень происходит преждевременно.
Такое взрывное сгорание бензина называют детонацией, оно приводит к перегреву и преждевременному износу двигателя. Детонационную стойкость бензина определяют октановым числом. Чем больше октановое число, тем выше стойкость бензина к детонации. Этим определяются его марки – А-72; А-76; А-96; АИ-93 и т.д.