На цьому уроці ми розглянемо роботу газу і пари при розширенні, а також вивчимо двигун внутрішнього згоряння.

У 7 класі ми вивчали різні види енергії, зокрема, розглядали потенційну енергію і кінетичну енергію. Далі, в 8 класі був вивчений ще один вид енергії - внутрішня енергія. Внутрішня енергія будь-якого тіла характеризується температурою, може змінюватися, але найголовніше, що внутрішня енергія може бути запасена в такому речовині, як паливо. Паливо може бути різним: рідким, твердим, газоподібним, але найголовніша його особливість - при спалюванні палива виділяється тепло.

У нашому житті використовується досить велика кількість машин, і ці машини використовують різні види енергії. Спільною рисою всіх машин є те, що це пристрій, який перетворює один вид енергії в інший.

У нашому житті використовується досить велика кількість машин, і ці машини використовують різні види енергії. Спільною рисою всіх машин є те, що це пристрій, який перетворює один вид енергії в інший.

Спочатку розглянемо наступний простий досвід. Візьмемо пробірку, наллємо туди трохи води і заткнём її пробкою. Потім почнемо цю пробірку нагрівати. Через деякий час пара, що утворилася в цій пробірці від закипаючою рідини, виштовхне пробку назовні (Рис. 1). Що ж сталося? Це наслідок роботи пара. Тобто пара дістала енергію від спаленого палива при нагріванні і, розширюючись, зробив корисну роботу.

Мал. 1. ( джерело )

Якщо тепер замість пробірки взяти металевий циліндр, а замість пробки - поршень, то вийде найпростіший тепловий двигун.

визначення

Тепловий двигун - це пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну роботу.

Значення механічної роботи в житті людини переоцінити важко: ця робота визначає рух транспорту, перевезення і підйом вантажів і багато іншого. Завдання будь-якої машини - перетворити енергію в цю роботу.

Розглянемо докладніше історію створення перших машин. Людина давно замислювався про те, як побудувати відповідні машини.

Першим таким людиною (за що дійшли до нас відомостями) був Герон Олександрійський, інженер-винахідник, який жив в I (за деякими даними, в II) нашої ери (Рис. 2).

Мал. 2. Герон Олександрійський ( джерело )

Він першим створив свою знамениту парову машину, яка називається тепловою машиною Герона (Мал. 3).

Мал. 3. Теплова машина Герона ( джерело )

Принцип дії цієї машини полягав в наступному: в посудину з отворами наливалася вода і містилася над вогнем. Вода закипала, через отвори з великою швидкістю виривався пар, і частина, підвішена над вогнем, починала обертатися. Це і був прообраз першої теплової машини.

Перший тепловий двигун, який використовувався в роботі (а не був демонстрацією перетворення внутрішньої енергії в механічну роботу), був побудований в 1768 році в Англії знаменитим інженером Джеймсом Уаттом (Рис. 4) (в честь Уатта потім була названа одиниця потужності).

Мал. 4. Джеймс Уатт ( джерело )

У 1768 року Уатт вперше сконструював двигун, який називається паровим. У цьому двигуні використовувалася енергія розширюється пара, яка перетворювалася в механічну роботу. В результаті допомоги одного з великих банкірів і заводчиків Уатту вдалося відкрити фірму з виробництва парових машин (Рис. 5-6). Парові машини використовувалися на шахтах і заводах. У перші десятиліття фірми було створено 44 такі машини. У наступне десятиліття їх було створено вже більше 100.

Мал. 5-6. Парова машина Уатта ( джерело ) ( джерело )

Правда, існує версія, що на два роки раніше Уатта в 1766 році на Барнаульском заводі було виготовлено першу парова машина в Росії. Винахідником цієї машини був Іван Ползунов (Рис. 7). Вважається, що він зробив цю машину спеціально для заводу, щоб використовувати її при куванні великих деталей. Сам Іван Ползунов роботи цієї машини не побачив, але 27 травня 1766 року цю машина була запущена. Вона пропрацювала більше двох місяців. За цей час вона повністю себе окупила і виконала величезний обсяг роботи. Але потім через невелику неполадки машина вийшла з ладу, і починають її не вдалося. Тому на сьогоднішній день у всьому світі вважається, що першою людиною, який побудував перший тепловий двигун, був Джеймс Уатт. Джеймс Уатт, в свою чергу, був проти того, щоб використовувати парову машину на транспорті. І тому тільки пізніше, вже іншими винахідниками парова машина була поставлена ​​«на колеса».

Мал. 7. Пам'ятник Івану Ползунову ( джерело )

Першу саморушну візок вдалося зробити у Франції в 1770 році. Ця візок з укріпленим на ній паровим двигуном переміщалася зі швидкістю близько і була призначена для перевезення важких знарядь. Перша поїздка цієї споруди виявилася невдалою. Справа вся в тому, що з розгону візок в'їхала в стіну, зламала її та ріг будинку. Після цього було прийнято рішення, щоб візок обов'язково супроводжували сторонні люди. До речі, слово «шофер» - французьке, і на сучасну мову можна перевести це слово як «опалювач», т. Е. «Кочегар». Людина, який доглядав за цією машиною, і був, по суті, грубником, тому що машина була парова і топилася дровами.

У 1803 році з'явився перший паровоз в Англії, але широкого застосування не отримав. Справа в тому, що саме в цьому транспорті побачили конкуренцію все, хто займався в той час перевезеннями, тому намагалися якимось чином перешкодити впровадженню нового виду транспорту.

Крім того, перший паровоз виявився досить важким: він був масою близько п'яти тонн, і, коли він рухався по рейках, які тоді використовувалися для пересування конки, рейки і шпали починали ламатися. Надалі був побудований інший паровоз, який використовувався як атракціон: катав людей в вагонах в парку.

Але, оскільки прогрес зупинити не можна, в подальшому парові двигуни замінили так звані двигуни внутрішнього згоряння.

Справа в тому, що є двигуни внутрішнього згоряння і двигуни зовнішнього згоряння. Парова машина відноситься до двигунів зовнішнього згоряння (топка, де спалюється паливо, знаходиться поза парового котла).

Двигун внутрішнього згоряння - це двигун, де згорання відбувається всередині самого двигуна.

Такий двигун був винайдений в кінці XVII століття у Франції, і перші результати цього двигуна був досить успішними. У підсумку цей двигун стали використовувати на різних видах транспорту. У 1860 році французький інженер Ленуар винайшов і побудував так званий двигун внутрішнього згоряння Ленуара. В цей двигун надходила суміш светильного газу і повітря, яка горіла всередині двигуна і тим самим забезпечувала його роботу.

Надалі цей двигун удосконалив німецький інженер Отто. Двигун Ленуара-Отто проіснував дуже довгий час. Його використовували в різних транспортних засобах.

Слідом за двигуном Ленуара-Отто німецькому інженеру Готтліб Даймлер вдалося створити бензиновий двигун. З цього моменту починається історія німецького автопрому.

На сьогоднішній день двигун внутрішнього згоряння добре вивчений і багаторазово вдосконалений.

Розглянемо макет основної частини двигуна внутрішнього згоряння (Рис. 8).

Мал. 8. Схема ДВС ( джерело )

Головна частина будь-якого двигуна внутрішнього згоряння - це циліндр. У цьому циліндрі розташовується поршень. Поршень через шатун з'єднується з коленвалом (в даній схемі на рис. 8. - маховиком). Також в цьому двигуні передбачені два клапана: впускний і випускний. І є ще один невід'ємний елемент двигуна, - свічка запалювання.

Як же працює такий двигун? Такий двигун називається чотиритактним. Тому що вся робота двигуна відбувається в чотири такту. При цьому рух поршня відбувається верх і вниз. Давайте опишемо роботу двигуна докладніше.

Верхня точка, в якій розташовується поршень, називається верхньою мертвою точкою. Внизу така ж точка називається нижньою мертвою точкою, а весь хід поршня від однієї точки до іншої називається ходом. Отже, що ж відбувається? У перший такт відкривається впускний клапан, і через нього відбувається впуск палива. У цей момент спрацьовує свічка запалювання, загоряється паливо. Паливо згорає і штовхає поршень вниз. За інерцією махове колесо спрацьовує, прокручує далі. Наступний крок: відкривається інший клапан і через нього викидається відпрацьоване паливо. Тобто, коротко схему роботи двигуна можна описати так: впуск, стиснення, робочий хід, випуск, впуск, стиснення, робочий хід, випуск, ... (Рис. 9).

Мал. 9. Принцип роботи двигуна ( джерело )

Частота, з якою відбувається рух, досить висока. За одну хвилину може відбуватися 3000 і навіть 7000 таких ось рухів (оборотів). У деяких випадках доходить навіть до 15000 оборотів в хвилину.

На закінчення варто сказати, що кількість палива (бензину, гасу, природного газу), на якому працює більшість нинішніх двигунів, обмежена і стрімко зменшується. Тому найближчим часом виникне гостра необхідність придумувати нові види транспорту, в яких будуть використовуватися інші види двигунів.

Теплові двигуни являють собою досить небезпечний об'єкт в плані забруднення навколишнього середовища. Тому необхідно сказати, що при проектуванні двигунів внутрішнього згоряння необхідно пам'ятати про їх економічності і чистоті того повітря, який після цих двигунів залишається.

Отже, ми розглянули роботу газу і пари при розширенні, а також познайомилися зі схемою і пристроєм двигуна внутрішнього згоряння.

На наступному уроці ми розглянемо інший вид теплового двигуна - парову турбіну.

Список літератури

1. Генденштейн Л. Е, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Фізика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройз І. І. - М .: Мнемозина.
2. Перишкін А. В. Фізика 8. - М .: Дрофа, 2010 року.
3. Фадєєва А. А., Засов А. В., Кисельов Д. Ф. Фізика 8. - М .: Просвещение.

Додаткові рекомендовані посилання на ресурси мережі Інтернет

1. Інтернет-портал Uroki.net ( джерело ).
2. Класна фізика ( джерело ).
3. Фестиваль педагогічних ідей «Відкритий урок» ( джерело ).

Домашнє завдання

1. П. 22, питання 1-7. Перишкін А. В. Фізика 8. - М .: Дрофа, 2010 року.
2. Яке перетворення енергії відбувається в теплових двигунах?
3. Які види теплових двигунів вам відомі? Які з них є найбільш поширеними? До якого типу належать найбільш потужні теплові двигуни?