Тепловые процессы · урок 13 из 21

Тепловые двигатели и их КПД

Физика · 8 класс · базовый уровень
ФРП «Физика» (базовый уровень), Москва – 2025 · строка R02 · PHY8-020

Паспорт: R02 «1.2 Тепловые процессы» (21 ч), урок 13/21, единицы R02.18 «Принципы работы тепловых двигателей. КПД теплового двигателя» и R02.19 «Тепловые двигатели и защита окружающей среды». Тип урока — Н (новый материал). Предыдущий урок PHY8-019 — удельная теплота сгорания; следующий PHY8-021 — закон сохранения энергии в тепловых процессах и расчёты КПД.
Хронометраж (45 мин): цели и актуализация 6 мин (сл. 2–3) · проблема и новый материал 16 (сл. 4–11) · закрепление 16 (сл. 12–16) · рефлексия 3 и ДЗ 2 (сл. 17). Если не успеваете — сл. 9 (паровая турбина) показать обзорно, задания 5–6 со сл. 15 перенести в ДЗ.
Оборудование для демонстрации (сл. 4): пробирка с небольшим количеством воды, пробка, штатив, спиртовка; модель или плакат «Четырёхтактный ДВС»; при наличии — модель паровой турбины.

R02.18 · R02.19

Цели урока

Сегодня вы научитесь

Объяснять принцип

работы теплового двигателя: энергия топлива → механическая работа (REQ-1.14)

Узнавать по схеме

двигатель внутреннего сгорания и паровую турбину, называть такты (REQ-1.15)

Вычислять КПД

теплового двигателя по полезной работе и теплоте сгорания топлива (REQ-1.4, REQ-1.7)

Оценивать вред

двигателей для природы и способы его уменьшить (REQ-1.16)

REQ-1.14: «характеризовать принципы действия изученных приборов и технических устройств с опорой на их описания…» (в перечне ПР — паровая турбина). REQ-1.15: «распознавать простые технические устройства… по схемам и схематичным рисункам» (в перечне — двигатель внутреннего сгорания).
REQ-1.4 — физический смысл, обозначения и единицы величин (КПД); REQ-1.7 — расчётные задачи в 2–3 действия. REQ-1.16 — «приводить примеры… для… соблюдения норм экологического поведения в окружающей среде».
Элементы кодификатора: EL-6.15 «Принципы работы тепловых двигателей. КПД теплового двигателя. Тепловые двигатели и защита окружающей среды»; EL-6.19 — технические устройства (паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания). Вид деятельности строки R02: «Анализ работы и объяснение принципа действия теплового двигателя» — сл. 4–9.

повторение: R02.4, R02.17

Вспомним

Топливо, теплота и работа газа

Сколько теплоты выделится при сгорании 0,5 кг бензина? $q = 4, 6 \cdot 1 0^{7} \frac{Дж}{кг}$

$Q = q m = 4, 6 \cdot 1 0^{7} \cdot 0, 5 = 2, 3 \cdot 1 0^{7}$ Дж

Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию тела?

теплопередачей и совершением работы

Горячий газ расширяется и толкает поршень. Что происходит с его внутренней энергией?

уменьшается: газ совершает работу

R02.18

Проблема · опыт

Почему вылетает пробка?

1. Спиртовка нагревает воду — вода превращается в пар.

2. Пар давит на пробку и выталкивает её — совершает работу.

? Как заставить пар (газ) работать не один раз, а непрерывно?

Демонстрация: в пробирку налить немного воды, закрыть пробкой неплотно, закрепить под углом в штативе, нагреть спиртовкой. Пробку направлять в сторону от учащихся! Учитель — в защитных очках (REQ-1.13).
Вопросы: откуда у пробки кинетическая энергия? (Энергия топлива → внутренняя энергия пара → механическая энергия пробки.) Что стало с паром после вылета пробки? (Расширился и охладился — видно облачко капелек.)
Проблемный вопрос урока на последней карточке: решение — повторять процесс циклично: тепловой двигатель.

R02.18

Определение

Что такое тепловой двигатель

Тепловой двигатель — машина, в которой внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

R02.18

Принцип работы

Из чего состоит любой тепловой двигатель

Рабочее тело — газ или пар: нагреваясь, расширяется и совершает работу

Часть энергии обязательно уходит в холодильник: отработавший газ выбрасывается тёплым

Q_{1} = A_{п} + Q_{2}

Три обязательные части: нагреватель (там сгорает топливо), рабочее тело (газ, пар), холодильник (окружающая атмосфера, вода конденсатора). У автомобиля холодильник — атмосфера, куда уходят выхлопные газы.
Q₁ — количество теплоты, полученное от нагревателя; Q₂ — отданное холодильнику; A_п — полезная работа. Равенство Q₁ = A_п + Q₂ — закон сохранения энергии (подробнее на уроке PHY8-021).
Вопрос: почему нельзя обойтись без холодильника? (Газ, расширяясь, должен вернуться в начальное состояние, иначе цикл не повторить; при этом он отдаёт часть энергии.)

R02.18

Двигатель внутреннего сгорания

Топливо сгорает внутри цилиндра

ДВС — «внутреннего сгорания»: топливо сгорает прямо в цилиндре, а не в отдельной топке (как у паровой машины). Рабочее тело — продукты сгорания горючей смеси.
Назначение частей: клапаны открывают и закрывают каналы; свеча даёт искру; поршень передаёт давление газа через шатун на коленчатый вал, который вращается. Показать модель или плакат.
Вопрос: как поступательное движение поршня становится вращением вала? (Через шатун и колено вала — как педаль велосипеда.)

R02.18

Работа ДВС

Четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск

Такт — один ход поршня. 1) Впуск: открыт впускной клапан, поршень идёт вниз, в цилиндр засасывается горючая смесь. 2) Сжатие: клапаны закрыты, поршень идёт вверх, смесь сжимается и нагревается. 3) Рабочий ход: искра от свечи, смесь сгорает, горячие газы толкают поршень вниз — совершается полезная работа. 4) Выпуск: открыт выпускной клапан, поршень идёт вверх и выталкивает отработавшие газы.
За 4 такта коленчатый вал делает 2 оборота; работа совершается только в одном такте — остальные идут за счёт инерции маховика (или других цилиндров).
Вопрос: в каком такте внутренняя энергия газа превращается в механическую? (3 — рабочий ход.) В каком такте над газом совершают работу? (2 — сжатие.)

R02.18

Паровая турбина

Струя пара вращает вал

Пар из котла вырывается из сопла с огромной скоростью

Ударяет в лопатки и вращает диск с валом

Вал крутит генератор тока: ТЭС, АЭС, корабли

Паровая турбина — тепловой двигатель, в котором внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию струи, а затем — в энергию вращения вала. Нагреватель — котёл (топка), рабочее тело — водяной пар, холодильник — конденсатор.
На ТЭС и АЭС турбина вращает электрогенератор; турбины мощные, работают без остановки (вращение равномерное, без тактов).
Сравнить с ДВС: у турбины нет поршня и тактов, пар действует непрерывно. Можно показать модель турбины (вертушка над носиком кипящего чайника).

R02.18

Коэффициент полезного действия

КПД: какая доля энергии топлива стала работой

η = \frac{A _{п}}{Q _{з}} \cdot 100 %

Q_{з} = q m

Всегда

η < 100 %

: часть энергии неизбежно уходит в холодильник

η

КПД («эта»), в % или долях

A_{п}

полезная работа двигателя, Дж

Q_{з}

затраченная энергия — теплота сгорания топлива, Дж

q

удельная теплота сгорания, Дж/кг

m

масса сгоревшего топлива, кг

Определение: КПД теплового двигателя — отношение совершённой полезной работы к энергии, полученной от нагревателя (выделившейся при сгорании топлива). Записать в рамку.
Читается: «эта равно а полезная, делённое на ку затраченное, умноженное на сто процентов». КПД — безразмерная величина: Дж/Дж.
Вопрос: может ли КПД равняться 100 %? (Нет: Q₂ ≠ 0, газ уходит в атмосферу тёплым; есть трение.) Ответ «КПД больше 100 %» — признак ошибки в расчёте.

R02.18

Энергия и КПД в цифрах

Куда уходит энергия бензина

Числа примерные (по учебнику и справочникам): у автомобильного бензинового двигателя полезная работа — около четверти энергии топлива; бо́льшая часть уходит с горячими выхлопными газами и через систему охлаждения.
Ряд КПД: паровоз — до 10 %, бензиновый ДВС — 20–30 %, дизельный ДВС — 30–40 %, паровая турбина — 30–40 % (крупные турбины ТЭС — до 40 % и выше). Длина полосы — верхняя граница.
Вопрос: почему повышение КПД помогает и экономике, и природе? (Меньше топлива на ту же работу — меньше выбросов.) Мост к сл. 13.

R02.18

Закрепление · образец

Образец: найдём КПД двигателя

Двигатель израсходовал 2 кг бензина и совершил полезную работу 23 МДж. Найдите КПД двигателя.

Дано:

$A_{п} = 23$ МДж

$m = 2$ кг

$q = 4, 6 \cdot 1 0^{7} \frac{Дж}{кг}$

$η$ — ?

СИ: $2, 3 \cdot 1 0^{7}$ Дж

Решение:

$Q_{з} = q m = 4, 6 \cdot 1 0^{7} \cdot 2 = 9, 2 \cdot 1 0^{7}$ Дж энергия топлива

$η = \frac{A _{п}}{Q _{з}} \cdot 100 % = \frac{2 , 3 \cdot 1 0 ^{7}}{9 , 2 \cdot 1 0 ^{7}} \cdot 100 % = 25 %$

проверка: $25 % < 100 %$ ✓ — как у бензинового ДВС

Ответ: $η = 25 %$

R02.19

Тепловые двигатели и природа

Чем двигатели вредят и как защитить природу

Нейтрализаторы и фильтры на выхлопе и трубах ТЭС

Выше КПД — меньше топлива на ту же работу

Газ вместо угля и мазута, электротранспорт

ГЭС, солнце, ветер — энергия без сгорания топлива

R02.19. Ежегодно сжигаются миллиарды тонн топлива. Вред: углекислый газ усиливает парниковый эффект; угарный газ (CO) ядовит; оксиды азота и серы дают смог и кислотные дожди; сажа; тепловое загрязнение воздуха и водоёмов; шум.
Меры: каталитические нейтрализаторы и сажевые фильтры, очистные фильтры на ТЭС, повышение КПД, переход на природный газ, электротранспорт, ГЭС, солнечные и ветровые станции. Связь с REQ-1.16 (нормы экологического поведения): общественный транспорт, велосипед, не прогревать двигатель без нужды.
Подробное обсуждение последствий ДВС, ТЭС и ГЭС — на уроке PHY8-022; сегодня — 3–4 минуты.

R02.18

Осторожно

Типичные ошибки

Где ошибаются	Неверно	Верно
перепутали числитель и знаменатель	$η = \frac{Q _{з}}{A _{п}} = 400 %$	$η = \frac{A _{п}}{Q _{з}} = 25 %$
не перевели МДж в Дж	$\frac{23}{9 , 2 \cdot 1 0 ^{7}}$	$\frac{2 , 3 \cdot 1 0 ^{7}}{9 , 2 \cdot 1 0 ^{7}}$
КПД в процентах подставили в формулу работы	$A = 30 \cdot Q$	$A = 0, 3 \cdot Q$
такт, где совершается работа	сжатие	рабочий ход (3-й такт)

R02.18 · R02.19

Закрепление

Решите

1базаДвигатель получил от нагревателя 200 кДж, полезная работа — 50 кДж. Найдите КПД. Сколько энергии ушло в холодильник?

2базаОба клапана закрыты, поршень идёт вверх. Какой это такт? А если вниз и проскочила искра?

3базаКПД двигателя 35 %, энергия сгоревшего топлива 400 МДж. Найдите полезную работу.

4повыш.Сколько керосина сгорело в двигателе с КПД 25 %, если он совершил работу 23 МДж?

q = 4, 6 \cdot 1 0^{7} \frac{Дж}{кг}

5повыш.Почему воздух у выхлопной трубы и у градирни ТЭС тёплый? Можно ли сделать КПД равным 100 %?

6практикаАвтомобиль на 100 км тратит 6 кг бензина, КПД 25 %. Найдите полезную работу и среднюю силу тяги.

Ответы: 1) η = 50/200 · 100 % = 25 %; Q₂ = 200 − 50 = 150 кДж. 2) Сжатие; рабочий ход. 3) A = 0,35 · 400 = 140 МДж.
4) Q = A/η = 23 МДж / 0,25 = 92 МДж = 9,2·10⁷ Дж; m = Q/q = 9,2·10⁷ / 4,6·10⁷ = 2 кг. 5) Это энергия, отданная холодильнику (атмосфере): газ (пар) уходит тёплым; без холодильника двигатель работать не может, к тому же есть трение — КПД всегда меньше 100 %.
6) Q = 4,6·10⁷ · 6 = 2,76·10⁸ Дж; A = 0,25 · 2,76·10⁸ = 6,9·10⁷ Дж = 69 МДж; F = A/s = 6,9·10⁷ / 10⁵ м = 690 Н (A = Fs — 7 класс). Задания 1–3 — все; 4–6 — по готовности, 6 можно в ДЗ.

R02.18 · ОГЭ

В формате ОГЭ

ОГЭ, линия 8: расчёт в тепловых явлениях

8В дизельном двигателе трактора с КПД 30 % сгорело 5 кг дизельного топлива. Какую полезную работу совершил двигатель? Удельная теплота сгорания дизельного топлива $4, 2 \cdot 1 0^{7} \frac{Дж}{кг}$ .

Шаг 1: энергия топлива $Q = q m$

Шаг 2: полезная работа $A = η \cdot Q$

Ответ: МДж

рефлексия · ДЗ

Итог урока

Проверьте себя и потренируйтесь

Ответьте одной фразой

Какие три части есть у любого теплового двигателя?
Назовите такты ДВС по порядку.
Почему КПД всегда меньше 100 %?

Домашнее задание

Двигатель с КПД 20 % совершил работу 9,2 МДж. Сколько бензина сгорело?
Найдите КПД и расход топлива двигателя вашей семьи (или любого) — сравните с таблицей
Тренажёр:
reknow.ru/8/physics/8_physics_teplota.htm

Паспорт соответствия · скрытый слайд

PHY8-020 · Тепловые двигатели и их КПД

Поле	Значение
ФРП	«Физика» (базовый уровень), 7–9 кл., Москва – 2025 · 8 класс
Строка, урок	R02 «1.2 Тепловые процессы», 21 ч · урок 13/21 · тип Н (новый материал)
Единицы → слайды	R02.18 «Принципы работы тепловых двигателей. КПД теплового двигателя» → 2, 4–12, 14–17 · R02.19 «Тепловые двигатели и защита окружающей среды» → 2, 11, 13, 15 · повторение R02.4, R02.17 → 3
Результаты	REQ-1.14 (принцип действия: паровая турбина, ДВС) → 4–9 · REQ-1.15 (распознавать ДВС по схеме) → 7, 8, 15 · REQ-1.4, REQ-1.7 (КПД, расчётные задачи) → 10, 12, 14–16 · REQ-1.16 (экологическое поведение) → 13 · REQ-1.13 (техника безопасности) → 4 · EL-6.15, EL-6.19
ОГЭ	линия 8 (расчёт: тепловые явления) → 16
Вне урока	закон сохранения энергии в тепловых процессах, расчёты КПД — PHY8-021; обсуждение экологических последствий ДВС, ТЭС, ГЭС — PHY8-022; идеальная тепловая машина, КПД Карно — 10 класс
Проверки	автопроверка: pending · методист: pending