Transcript Toplinski strojevi - srednja škola mate blažine labin

Toplinski strojevi u programima
fizike srednjih škola
Srednja škola Mate Blažine, Labin
Brenčić Željko, Mandić Nedeljko

Nastavni plan i program

Opća gimnazija – 2. razred (2 sata tjedno)
1. sat: Toplinski strojevi (pokus, djelotvornost, Carnotov kružni proces: u općoj
gimnaziji je prošireni sadržaj? )
2. sat: Obrnuti Carnotov proces, rashladni stroj, primjena (motori s
unutrašnjim sagorijevanjem,)

Strukovna četverogodišnja škola:
- četverogodišnji program fizike ( 3 sata tjedno): (elektrotehničar) – 3. razred
 Kao gimnazija (Carnotov kružni proces se obrađuje) + 3. sat - motori s
unutrašnjim sagorijevanjem
 dvogodišnji program fizike (2 sata tjedno) (Tehničar za mehatroniku –
- u prvom razredu 1. sat za obradu Toplinskih strojeva
- Obrazovni ishodi: poznavati izraz za korisnost toplinskog stroja, osnovni
dijelovi toplinskog stroja
OBRAZOVNI ISHOD
(DRŽAVNA
MATURA)
ŠTO SVE PODRAZUMJEVA OVAJ OBRAZOVNI ISHOD?
primijeniti plinske zakone
i opću jednadžbu stanja
idealnog plina
• navesti fizikalne veličine s pomoću kojih opisujemo stanje plina
• primijeniti zakone izotermne, izobarne i izohorne promjene stanja plina
• grafički prikazati izohoru, izobaru i izotermu u (p,T), (p,V) i (V,T) dijagramima
• primijeniti opću jednadžbu stanja plina
• primijeniti Avogardov zakon
primijeniti osnove
molekularno-kinetičke
teorije tvari
• primijeniti izraz za toplinsko rastezanjem tijela
• navesti osnovne pretpostavke modela idealnog plina
• objasniti podrijetlo tlaka u plinu
• navesti i objasniti primjere koji govore u prilog molekularno-kinetičkoj teoriji plinova (difuzija,
Brownovo gibanje)
• primijeniti vezu srednje kinetičke energije nasumičnoga gibanja molekula plina i temperature
objasniti i primijeniti
pojmove unutrašnje
energije, topline,
specifičnoga toplinskoga
kapaciteta, latentne
topline i rada plina
• opisati i primijeniti pojam unutrašnje energije
• primijeniti izraz za unutrašnju energiju idealnog plina
• primijeniti pojmove termičkoga kontakta sustava (tijela) i termodinamičke ravnoteže sustava
• objasniti i primijeniti pojam topline
• odrediti izmijenjenu toplinu kod zagrijavanja ili hlađenja tvari kad tvar ne mijenja agregatno
stanje
• objasniti i primijeniti pojam specifičnoga toplinskoga kapaciteta
• objasniti i primijeniti pojam latentne topline pri promjeni agregatnoga stanja
• navesti načine prijenosa topline i kvalitativno objasniti toplinsku vodljivost i toplinsku izolaciju
primijeniti prvi i drugi
zakon termodinamike
• primijeniti izraz za rad plina pri stalnome tlaku
• odrediti rad plina iz (p,V) grafa
• navesti i primijeniti prvi zakon termodinamike
• objasniti pojmove povratnoga i nepovratnoga procesa
• kvalitativno objasniti rad toplinskih strojeva u kružnome procesu te primijeniti
pojam korisnosti
• kvalitativno opisati Carnotov kružni proces te primijeniti izraz za korisnost toga
procesa
• navesti i primijeniti drugi zakon termodinamike
• analizirati jednostavne kružne procese

Toplinski strojevi se obrađuju na kraju nastavne cjeline Termodinamika
(iako svi udžbenici ne slijede taj redoslijed)
Obrađujemo je nakon usvojenog 1. i 2. zakona termodinamike

Prije teme Toplinski strojevi učenici su usvojili (obrađeno je):




Rad plina pri širenju
Zakoni termodinamike
Kružni procesi

Razgovor: Što učenici znaju: koje toplinske strojeve poznaju? Iskustva iz
svakodnevice (gimnazija) i nastave (strukovne škole): kako radi benzinski
motor, dizel motor, hladnjak, klima uređaj?

Moguće je izvesti jedan od sljedećih pokusa koji pokazuje princip rada
toplinskog stroja:
Pribor:
dvije posude s vodom: toplom (40-50 °C) i hladnom (15-20 °C)
U-cijev s plovkom (uska staklena epruveta zatvorena čepom)
žica (za spuštanje plovka i izvlačenje iz U cijevi)
gumena cijev, primalac topline
Toplinski stroj – pokus 1
Pribor:
dvije posude s vodom: toplom (40-50 °C) i hladnom
(15-20 °C)
Staklena tikvica (2 litre), sisaljka
1
15 – 20 °C
2
40 – 50 °C
Toplinski stroj – pokus 2
3 . Pokus (prijedlog) – predugo traje za jedan nastavni sat
pribor: duga valjkasta cilindrična posuda, mala epruveta – plovak,
plamenik, azbestna mrežica, led - pokus snimka
Što bi učenici trebali zaključiti iz pokusa?
- Da se na račun unutrašnje energije toplije vode (spremnik više temperature) koristan rad
u jednom ciklusu očituje u povećanju mehaničke potencijalne energije plovka odnosno klipa
-
Pretvaranje topline u proces rada odvija se zahvaljujući širenju zraka u primaocu topline tj.
radnog tijela
-
Za ponovno podizanje plovka u U cijevi tj. klipa u sisaljko potrebno je radno tijelo (primalac
topline) ponovno staviti u posudu s hladnom vodom (spremnik niže temperature) pri
čemu dolazi do stezanja zraka u primaocu topline i razina vode u kraku U-cijevi s plovkom
odnosno klip u sisaljci će se spustiti
-
Podizanje plovka tj. klipa početi će opet ako radno tijelo premjestimo u posudu s toplom
vodom
-
Zaključak: kružni karakter promjene stanja radnog tijela – neminovno se predaje
određena količina topline hladnijem spremniku (drugi zakon termodinamike - nemoguće je
ostvariti perpetuum mobile druge vrste)

Na osnovu izvedenog pokusa mogu se
definirati dijelovi toplinskog stroja i objasniti
način rada:

Što je u pokusima kojima smo ilustrirali rad toplinskog
stroja bilo:
- radno tijelo
- spremnik niže temperature
- spremnik više temperature



Topliji spremnik
Q1
Radno tijelo
W
Q2
Hladniji spremnik
W = Q1 – Q2
Carnotov kružni proces
W = WAB + WBC + WCD + WDA
p
= Q1 + (- U) + (- Q2) + U
A
W = Q1 – Q2
T2
B
D
T1
 
C
Q2
WAB = Q1
WCD = - Q2
WBC = - U
WDA = U
  1
Q1

T2
T1
Q2
Q1
Q1
V
Q12
W
 1
T2
T1
Benzinski (Otto) motor
Četverotaktni benzinski motor
Dvotaktni benzinski motor
Diesel motor
Parni stroj
Paljenje benzinskog motora - snimka
Topliji spremnik
Q1
Radno tijelo
W
Q2
Hladniji spremnik
Diskusija:
Previše informacija za 1 školski sat? Što skratiti?
Primjena: proučiti toplinske strojeve, seminarski radovi (benzinski motor,
dizel motor, Klima uređaj)
- U općoj gimnaziji je to teško ostvarivo zbog malog broja sati i činjenice da
tema Toplinski strojevi dolazi na kraju polugodišta kad se zaključuju ocjene



Četverogodišnje strukovne škole – više inzistirati na primjeni kroz
seminarske radove (prezentacije)
Primjeri prezentacija učenika:
- parni stroj
- benzinski motor
- diesel motor1, diesel motor2
- toplinska pumpa i hladnjaci
- klima uređaj
- termoelektrana
Rezultat prezentacija: učenici su skloni više naglašavati tehničke
karakteristike i detalje rada sa previše specifikacija, a manje se bave fizikom
Zadatak: Jesmo li razumjeli što smo učili?

Pridružite položaj klipa u cilindru
toplinskog stroja odgovarajućoj fazi
promjene stanja plina naznačenoj p-V
dijagramom?
Pitanja sa državne mature
Materijali sa interneta


http://www.animatedengines.com/locomotive.html
http://www.youtube.com/watch?v=21RSIkSXUEs