Тепловые процессы · урок 15 из 21

Двигатели и электростанции: цена для природы

Физика · 8 класс · базовый уровень
ФРП «Физика» (базовый уровень), Москва – 2025 · строка R02 · PHY8-022

Паспорт: R02 «1.2 Тепловые процессы» (21 ч), урок 15/21, единица R02.21 «Обсуждение экологических последствий использования двигателей внутреннего сгорания, тепловых и гидроэлектростанций». Тип урока — Н. Предыдущие уроки: PHY8-019 (удельная теплота сгорания), PHY8-020 (тепловые двигатели, КПД, защита окружающей среды), PHY8-021 (закон сохранения энергии, расчёты Q = qm и КПД). Следующий — PHY8-023, практикум «Температура».
Хронометраж: цели и актуализация 5 мин (сл. 2–3) · проблема и новый материал 15 (сл. 4–9) · закрепление и обсуждение 20 (сл. 10–16; обсуждение в группах сл. 14 — 6 мин) · рефлексия 3 и ДЗ 2 (сл. 17).
Если не успеваете: сл. 13 «Правда или миф» провести устно за 2 мин, задания 5–6 сл. 15 перенести в ДЗ. Таблицу удельной теплоты сгорания из учебника держать открытой.

R02.21

Цели урока

Сегодня вы научитесь

Объяснять последствия

как ДВС, ТЭС и ГЭС влияют на воздух, воду и климат (REQ-1.6, REQ-1.16)

Прослеживать энергию

от топлива или воды — до работы и тепла в окружающей среде (REQ-1.5, REQ-1.14)

Рассчитывать

энергию топлива, КПД и тепло, ушедшее в природу (REQ-1.7)

Спорить по фактам

отличать недостоверные утверждения, выступать с выводом (REQ-1.17, REQ-1.19)

REQ-1.16: «приводить примеры… практического использования физических знаний в повседневной жизни для… сохранения здоровья и соблюдения норм экологического поведения в окружающей среде». REQ-1.6: «объяснять физические процессы… строить объяснение из 1–2 логических шагов».
REQ-1.5: «характеризовать… процессы, используя изученные законы» (закон сохранения и превращения энергии). REQ-1.14: «характеризовать принципы действия изученных приборов и технических устройств» (паровая турбина, ДВС — EL-6.19). REQ-1.7: «решать расчётные задачи в 2–3 действия».
REQ-1.17: «…выделять информацию, которая является противоречивой или может быть недостоверной». REQ-1.19: «создавать собственные… краткие устные сообщения, обобщая информацию из нескольких источников». Элементы кодификатора: EL-6.15 «…Тепловые двигатели и защита окружающей среды», EL-6.16 «Закон сохранения и превращения энергии в тепловых процессах», EL-7.19 (способы получения электрической энергии — на уровне знакомства).

повторение: R02.17–R02.20

Вспомним

Тепловой двигатель: куда идёт энергия топлива

Q_{1} = q m

η = \frac{A _{п}}{Q _{1}} \cdot 100 %

Q_{2} = Q_{1} - A_{п}

Устно: сгорело 2 кг бензина,

q = 46 \frac{МДж}{кг}

. Чему равно

Q_{1}

5 мин. Вопросы классу: что служит нагревателем, рабочим телом и холодильником у двигателя автомобиля? (Нагреватель — горящая смесь в цилиндре, рабочее тело — газ, холодильник — атмосфера.) Почему КПД всегда меньше 100 %? (Часть теплоты Q₂ обязательно отдаётся холодильнику.)
Устный ответ: Q₁ = 46 МДж/кг · 2 кг = 92 МДж.
Ключевая мысль урока: Q₂ не исчезает — это тепло, отданное окружающей среде. Вместе с продуктами сгорания это и есть «экологическая цена» двигателя.

R02.21

Проблема

Из 100 Дж энергии бензина работой становятся ≈ 25 Дж

Вопрос перед показом: куда девается остальная энергия? Выслушать версии, затем открыть потоки по щелчку. Числа примерные, для бензинового двигателя легкового автомобиля.
Закон сохранения энергии (PHY8-021): 25 + 35 + 30 + 10 = 100 %. Энергия не пропадает — она переходит во внутреннюю энергию воздуха, воды, деталей. Трение тоже в итоге нагревает детали и воздух.
Проблема урока: каждый двигатель и каждая тепловая электростанция нагревают окружающую среду и выбрасывают продукты сгорания. Чем это опасно и можно ли этого избежать?

R02.21 · повторение R02.19

Двигатель внутреннего сгорания

Что выходит из выхлопной трубы

Повторение PHY8-020 «Тепловые двигатели и защита окружающей среды». Вопрос: как 1 кг бензина превращается в 3 кг углекислого газа — разве масса не сохраняется? (Сохраняется: к углероду топлива присоединяется кислород воздуха. На 1 кг бензина расходуется около 3,5 кг кислорода.)
Угарный газ CO и оксиды азота образуются при неполном сгорании и высокой температуре в цилиндре. Сажа — несгоревшие частицы углерода, особенно у дизелей.
В крупном городе автомобили дают большую часть загрязнения воздуха. Химические подробности — на уроках химии; здесь достаточно названий и вреда.

R02.21

Тепловая электростанция (ТЭС)

Топливо → пар → турбина → ток

Принцип: в котле сжигают уголь, газ или мазут; вода превращается в пар высокой температуры и давления; пар вращает паровую турбину (EL-6.19), турбина — генератор. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, его охлаждают водой из реки, озера или пруда-охладителя (или в градирнях).
Вопрос: где на схеме нагреватель, рабочее тело и холодильник? (Котёл — нагреватель, пар — рабочее тело, конденсатор с водой водоёма — холодильник.) Значит, ≈ 60 % энергии топлива уходит в окружающую среду — в водоём и в воздух.
ТЭС дают около двух третей электроэнергии России. Самые грязные — угольные: зола, оксиды серы и азота. Газовые чище.

R02.21

Гидроэлектростанция (ГЭС)

Падающая вода вращает турбину

E_{п} = m g h

потенциальная энергия воды → электрическая

Плюсы

+ нет дыма и CO₂
+ КПД ≈ 90 %, вода возобновляется

Минусы

− затоплены земли, леса, сёла
− рыба не проходит на нерест
− вода застаивается и «цветёт»

Плотина поднимает уровень реки и создаёт перепад высот h. Вода падает по трубе (водоводу), её потенциальная энергия Eп = mgh (7 класс) переходит в кинетическую, затем в энергию вращения турбины и генератора.
Самая мощная ГЭС России — Саяно-Шушенская на Енисее (6400 МВт). Водохранилища крупных ГЭС на Волге затопили сотни тысяч гектаров пойменных лугов и лесов.
Вопрос: ГЭС ничего не сжигает. Почему всё-таки говорят об ущербе природе? (Водохранилище меняет реку: затопление, плотина перекрывает путь рыбе, стоячая вода прогревается и зарастает водорослями, меняется влажность и климат берегов.)

R02.21 · связь с R02.5

Последствие № 1 · излучение

Парниковый эффект: CO₂ задерживает тепло Земли

Сжигаем больше топлива → больше CO₂ → больше тепла остаётся у Земли → климат теплеет.

Связь с уроком «Виды теплопередачи» (R02.5, излучение): Земля, нагретая Солнцем, сама излучает — невидимое тепловое (инфракрасное) излучение. Углекислый газ и водяной пар пропускают видимый свет, но поглощают часть теплового излучения и возвращают его к Земле — как стекло теплицы.
Без парникового эффекта средняя температура Земли была бы около −18 °C вместо +15 °C — сам эффект нужен. Проблема — в его усилении: концентрация CO₂ в воздухе выросла примерно в полтора раза по сравнению с доиндустриальной эпохой.
Последствие № 2 — тепловое загрязнение (сл. 10), № 3 — кислотные дожди и смог от оксидов серы и азота (сл. 5, 9).

R02.21

Сравним

ДВС, ТЭС и ГЭС: что получаем и чем платим

	ДВС	ТЭС	ГЭС
Источник энергии	бензин, дизельное топливо	уголь, газ, мазут	вода, падающая с высоты
КПД	25–40 %	35–45 %	≈ 90 %
Выбросы в воздух	CO₂, CO, оксиды азота, сажа	CO₂, зола, оксиды серы и азота	нет
Тепло в среду	≈ 60–75 % энергии	≈ 60 %: нагрев водоёмов	почти нет
Главный вред	смог в городах	кислотные дожди, золоотвалы	затопление земель, рыба

Строки открываются по щелчку. Вопрос перед каждой: у кого больше / меньше? КПД бензинового двигателя ≈ 25–30 %, дизельного — до 40 %; современные паротурбинные ТЭС — 35–45 %; у ГЭС потери — лишь трение и нагрев проводов генератора.
Вывод: «идеальной» станции нет. У ГЭС чистый воздух, но страдают река и пойма; у ТЭС — воздух и водоёмы; у ДВС — воздух городов.
Типичная ошибка: «у ГЭС КПД 90 %, значит она не влияет на природу». КПД говорит о потерях энергии, а не о влиянии на экосистемы.

R02.21 · R02.20

Образец решения · тепловое загрязнение

Сколько тепла ТЭС отдаёт водоёму?

ТЭС с КПД 40 % сожгла 1 т угля, $q = 2, 7 \cdot 1 0^{7} \frac{Дж}{кг}$ . Какая теплота ушла в среду? Сколько воды она нагреет на 10 °C?

1 $Q_{1} = q m = 2, 7 \cdot 1 0^{7} \cdot 1000 = 2, 7 \cdot 1 0^{10} Дж$

2 $A_{п} = 0, 4 \cdot Q_{1} = 1, 08 \cdot 1 0^{10} Дж$

3 $Q_{2} = Q_{1} - A_{п} = 1, 62 \cdot 1 0^{10} Дж$

4 $m_{в} = \frac{Q _{2}}{c Δ t} = \frac{1 , 62 \cdot 1 0 ^{10}}{4200 \cdot 10} \approx 3, 9 \cdot 1 0^{5} кг$

Сначала дать 2–3 мин решить самостоятельно, затем открыть шаги. Проверка порядка: 1,62·10¹⁰ / 4,2·10⁴ = 3,86·10⁵ кг ≈ 386 т ≈ 390 т. Удельная теплоёмкость воды c = 4200 Дж/(кг·°C).
Вывод: при сжигании каждой тонны угля ТЭС нагревает на 10 °C почти 400 т воды. Крупная ТЭС сжигает тысячи тонн угля в сутки — вода в пруду-охладителе не замерзает зимой, в ней меньше кислорода, гибнет рыба. Это тепловое загрязнение.
Типичные ошибки: взять 40 % вместо 60 % для потерь; забыть перевести 1 т = 1000 кг.

R02.21 · R02.20

Образец решения · почему водохранилища огромны

1 т воды с высоты 100 м — это сколько бензина?

1 $E_{п} = m g h = 1000 \cdot 10 \cdot 100 = 1 0^{6} Дж$

2 $Q = q m_{б} = E_{п}$

3 $m_{б} = \frac{E _{п}}{q} = \frac{1 0 ^{6}}{4 , 6 \cdot 1 0 ^{7}} \approx 0, 022 кг = 22 г$

ГЭС нужно очень много воды → большие водохранилища → затопленные земли.

Принимаем g ≈ 10 Н/кг, удельная теплота сгорания бензина q = 4,6·10⁷ Дж/кг. Проверка: 10⁶ / 4,6·10⁷ = 0,0217 кг ≈ 22 г.
Вопрос: почему же ГЭС выгодны, если энергия тонны воды так мала? (Через турбины крупной ГЭС проходят тысячи тонн воды в секунду, и вода «бесплатно» возвращается дождями — это возобновляемый источник.)
Вывод для обсуждения: чтобы запасти много воды на высоте, перекрывают реку и создают водохранилище — отсюда главный экологический минус ГЭС.

R02.21 · R02.19

Защита окружающей среды

Как уменьшить вред

Повышать КПД

меньше топлива на ту же работу

Очищать выбросы

фильтры на ТЭС, катализатор в автомобиле

Газ вместо угля

меньше золы и CO₂

Солнце и ветер

электростанции без сжигания топлива

Беречь реки

рыбоходы на плотинах, охладители-градирни

Экономить энергию

теплоизоляция, общественный транспорт

Каждый способ связать с физикой: выше КПД → при той же полезной работе меньше Q₁, значит, меньше топлива и выбросов; теплоизоляция дома (теплопроводность, R02.5) — меньше теплоты на отопление → меньше топлива на ТЭС и котельных.
Катализатор в выхлопной системе дожигает CO до CO₂ и восстанавливает оксиды азота; электрофильтры на ТЭС улавливают золу. Градирня отдаёт тепло воздуху через испарение воды (связь с уроком об испарении) — водоём нагревается меньше.
Вопрос классу: что из этого может сделать каждый из вас? (Экономить электроэнергию и тепло, ходить пешком, ездить на общественном транспорте.)

R02.21 · REQ-1.17

Проверяем информацию

Правда или миф?

Утверждение из интернета	Вердикт	Почему
«Электромобиль совсем не загрязняет природу»	миф	ток часто дают ТЭС; нужны аккумуляторы
«ГЭС ничего не сжигает — значит, вреда нет»	миф	затопление земель, путь рыбе закрыт
«Двигатель можно сделать с КПД 100 %»	миф	часть теплоты всегда уходит холодильнику
«Выше КПД — меньше выбросов на ту же работу»	правда	нужно меньше топлива

Фронтально: класс голосует (рука вверх — «правда»), затем открыть вердикт и объяснение. REQ-1.17 — выделять недостоверную информацию на основе имеющихся знаний.
Про электромобиль: на месте он не выбрасывает газов, но электроэнергию для зарядки в России примерно на две трети дают ТЭС; производство и утилизация аккумуляторов тоже влияют на природу. Честный ответ: «загрязняет меньше в городе, но не ноль».
Про КПД 100 %: тепловой двигатель обязательно отдаёт часть теплоты холодильнику (PHY8-020). Совет: проверяйте утверждения законом сохранения энергии и ищите источник — кто и зачем это пишет.

R02.21 · REQ-1.19, REQ-1.20

Обсуждение в группах · 6 минут

Посёлку у горной реки нужна электростанция. Какая?

Дизель-генератор

Угольная ТЭС

Малая ГЭС

Солнечные панели

1 · один довод «за»

2 · один довод «против»

3 · вывод — за 1 минуту

4 группы, у каждой — своя станция. Роли: ведущий (следит за временем), секретарь (записывает доводы), спикер (выступает), критик (ищет слабые места). 3 мин на подготовку, по 1 мин на выступление. REQ-1.20 — распределять обязанности в группе.
Ожидаемые доводы. Дизель: «за» — дёшево построить, работает всегда; «против» — топливо надо завозить, выхлоп, шум, КПД ≈ 40 %. Угольная ТЭС: «за» — большая мощность; «против» — дым, зола, тепловое загрязнение реки, для посёлка слишком велика. Малая ГЭС: «за» — нет выбросов, река горная (большой перепад h); «против» — плотина мешает рыбе, зимой река может мелеть. Солнце: «за» — нет выбросов и шума; «против» — ночью и зимой мало энергии, нужны аккумуляторы.
Итог: правильного ответа нет — важно сравнить по фактам. Часто разумен вариант «малая ГЭС + солнце, дизель — резерв».

R02.21 · R02.20

Закрепление

Решите

1базаДвигатель с КПД 25 % сжёг 10 кг бензина (

q = 46 \frac{МДж}{кг}

). Сколько энергии ушло в окружающую среду?

2базаЗапишите цепочки превращений энергии на ТЭС и на ГЭС

3повыш.Почему пруд-охладитель ТЭС не замерзает даже в сильный мороз?

4повыш.КПД двигателя повысили с 25 % до 40 %. Во сколько раз меньше топлива нужно для той же работы?

5практикаАвтомобиль тратит 6 кг бензина на 100 км; 1 кг бензина даёт ≈ 3 кг CO₂. Сколько CO₂ за 15 000 км?

6повыш.Сколько воды должно упасть с высоты 50 м, чтобы выделилось столько же энергии, сколько при сгорании 1 кг бензина?

Ответы: 1) Q₁ = 46·10 = 460 МДж; Aп = 0,25·460 = 115 МДж; Q₂ = 460 − 115 = 345 МДж. 2) ТЭС: химическая энергия топлива → внутренняя энергия пара → механическая (турбина) → электрическая. ГЭС: потенциальная энергия воды → кинетическая → механическая (турбина) → электрическая.
3) Тепловое загрязнение: конденсатор постоянно отдаёт воде пруда теплоту, которую ТЭС не превратила в электроэнергию (≈ 60 % энергии топлива). 4) При той же работе Q₁ = Aп/η: 0,40 / 0,25 = 1,6 раза меньше.
5) Путь 15 000 км = 150 раз по 100 км → 150·6 = 900 кг бензина → 900·3 = 2700 кг = 2,7 т CO₂. 6) mgh = qm_б: m = 4,6·10⁷ / (10·50) = 92 000 кг = 92 т воды.
Задания 1–3 — все; 4–6 — по готовности; 5 и 6 можно перенести в ДЗ.

R02.21 · ОГЭ

В формате ОГЭ

ОГЭ, линия 8: расчёт тепловых явлений

8Дизельный двигатель с КПД 30 % израсходовал 2 кг дизельного топлива. Какое количество теплоты двигатель передал окружающей среде? Удельная теплота сгорания дизельного топлива 42 МДж/кг.

Ответ:МДж

рефлексия · ДЗ

Итог урока

Проверьте себя и потренируйтесь

Ответьте одной фразой

Куда уходит энергия топлива, не ставшая работой?
Чем вредны ТЭС и чем — ГЭС?
Какой способ защиты природы доступен вам?

Домашнее задание

Задачи 5–6 со сл. 15
Сообщение (5–7 предложений): электростанция вашего региона и её влияние на природу; укажите 2 источника
Тренажёр:
reknow.ru/8/physics/8_physics_teplota.htm

Рефлексия: в окружающую среду — с выхлопными газами, охлаждающей водой, через трение (тепловое загрязнение); ТЭС — выбросы CO₂, золы, оксидов, нагрев водоёмов; ГЭС — затопление земель, преграда для рыбы; экономия электроэнергии и тепла, общественный транспорт.
ДЗ-сообщение развивает REQ-1.18–1.19: сравнить два источника, отметить, где данные расходятся. Лучшие сообщения — на следующем уроке (1–2 мин).
Следующий урок — PHY8-023, практикум «Температура»; далее практикумы по строке R02 и обобщение PHY8-028.

Паспорт соответствия · скрытый слайд

PHY8-022 · Экологические последствия использования ДВС, ТЭС и ГЭС

Поле	Значение
ФРП	«Физика» (базовый уровень), 7–9 кл., Москва – 2025 · 8 класс
Строка, урок	R02 «1.2 Тепловые процессы», 21 ч · урок 15/21 · тип Н (новый материал)
Единицы → слайды	R02.21 «Обсуждение экологических последствий использования двигателей внутреннего сгорания, тепловых и гидроэлектростанций» → 2, 4–17 · повторение R02.17–R02.20 (теплота сгорания, КПД, тепловые двигатели и защита среды, закон сохранения энергии) → 3, 5, 10, 11 · связь с R02.5 (излучение) → 8
Результаты	REQ-1.16 (экологическое поведение) → 2, 5–9, 12, 14 · REQ-1.6 (объяснение в 1–2 шага) → 4, 7, 8, 15 · REQ-1.5 (закон сохранения и превращения энергии) → 3, 4, 6, 7 · REQ-1.14 (принцип действия устройств: турбина, ДВС) → 6, 7 · REQ-1.7 (расчёт в 2–3 действия) → 10, 11, 15, 16 · REQ-1.17 (недостоверная информация) → 13 · REQ-1.19, REQ-1.20 (сообщение, работа в группе) → 14, 17
Элементы	EL-6.15 (тепловые двигатели и защита окружающей среды) → 4–9, 12 · EL-6.16 (закон сохранения энергии в тепловых процессах) → 3, 4, 10 · EL-6.14 (энергия топлива) → 3, 10, 11 · EL-6.19 (паровая турбина, ДВС) → 5, 6 · EL-7.19 (способы получения электроэнергии) → 6, 7, 12 — на уровне знакомства
ОГЭ	линия 8 (расчёт: тепловые явления) → 16
Вне урока	устройство генератора и электромагнитная индукция — строка R06 «Электромагнитная индукция» (EL-7.18–7.19); атомные электростанции — 9 класс; химия горения — курс химии; практикумы по строке R02 — PHY8-023–PHY8-027; обобщение — PHY8-028
Проверки	автопроверка: pending · методист: pending