Министерство обороны Российской Федерации

Федеральное государственное казенное общеобразовательное учреждение

«Московское суворовское военное училище

Министерства обороны Российской Федерации»

Отдельная дисциплина

«Физика, химия, биология»

Методическая разработка

по теме

« Методика проведения урока по физике по теме «Коэффициент полезного

действия тепловых двигателей»»

Автор: Арефьева Е.Ю.,

преподаватель физики

Москва

2015 год

Аннотация

В работе представлена разработка урока по физике «Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей» для обучающихся 10 класса различного профиля обучения. Задания к уроку и формы изучения нового материала подобраны с учетом возрастных особенностей обучающихся. Научно-популярные тексты с военным содержанием, изучение моделей технических устройств, дебаты и проецирование темы физики на личностные особенности обучающихся способствуют повышению активности на уроке и, как следствие, мотивации к изучению сложного теоретического материала.

Уроку « Коэффициент полезного действия тепловых двигателей», на котором появляются расчетные задачи, основанные на знаниях принципиальной схемы тепловых двигателей, должен предшествовать урок «Тепловые двигатели»

Структура урока соответствует ФГОС. Данная разработка с точки зрения организации урока будет полезна преподавателям естественных наук любых образовательных учреждений, с точки зрения материала урока – преподавателям физики суворовских училищ, кадетских корпусов, учителям физики общеобразовательных школ.

Содержание.

1. Введение………………………………………………………..4

2. Основная часть ……………………………………………….5

3. Заключение……………………………………………………19

4. Список использованных источников……………………….20

5. Приложения…………………………………………………..21

Введение

Старшие школьники уже включаются в новый тип деятельности — учебно-профессиональный. Учебная деятельность для обучающихся 10-11 классов является средством реализации жизненных планов, поэтому она направлена на структурную организацию и систематизацию индивидуального опыта путем его расширения и пополнения. В этом возрасте учебная информация может быть осмыслена самостоятельно и обучающиеся способны самостоятельно выбирать формы получения информации.

Развитие познавательных процессов достигает достаточно высокого уровня и дети наравне со взрослыми выполняют умственную работу. Качественно меняется мышление, достигая теоретического уровня. Подростки теперь всегда пытаются сопоставить различные теории, точки зрения, т.е. «докопаться до истины».

На данном уроке преподаватель предоставляет обучающимся информацию для размышления, которая обеспечивает свободный выбор и необходимость определения собственной точки зрения. Информация представлена в виде текстов из различных статей, с различной точкой зрения авторов, что способствует ее самостоятельной обработке.

В процессе получения новых знаний на данном уроке формируется индивидуальный стиль деятельности, который опирается на стиль мышления конкретного человека. Урок наполнен разнообразным содержанием обучения: практической и аналитической информацией. Во время самостоятельного изучения и осмысления текстов обучающиеся избавлены от излишней опеки.

Главным в уроке является личное отношение обучающихся к изучаемым проблемам. Во время дебатов им предоставляется возможность высказать собственное аргументированное мнение по применению в технических устройствах того или иного вида двигателя. Это наиболее удачная и любимая обучающимися данного возраста форма изучения и закрепления теоретического материала. На уроках физики мало возможности применять такие формы работы, как дебаты, диспуты. Это больше подходит к гуманитарным дисциплинам. На физике чаще применяют проблемно-исследовательский метод. Изучение темы «Коэффициент полезного действия тепловых двигателей» предусматривает знания принципиальной схемы тепловых двигателей, видов тепловых двигателей, их применение в технических устройствах. Этот материал по-разному воспринимается и усваивается обучающимися: одни легко вовлекаются в процесс знакомства с новым техническим устройством, другие – априори не желают углубляться в детали объекта. Кроме того, анализ формул, зависимость величин друг от друга и, связанное с этим, понимание того, как инженерно обеспечить изменение характеристик технических устройств, добавляет сложности в изучении материала. Поэтому, для вовлечения обучающихся в процесс изучения темы тщательно отбирается материал и формы организации урока с учетом возрастных и личностных особенностей обучающихся, а также, личного отношения к изучаемой теме и критичного отношения к себе.

Основная часть.

Методические рекомендации по подготовке и проведению урока.

Обычно изучение тем по физике «Тепловые двигатели», «Коэффициент полезного действия тепловых двигателей» и «Идеальная тепловая машина. Цикл Карно» происходит в рамках одного урока. Конечно, уделяется внимание истории создания тепловых двигателей, применению разных видов двигателей в технических устройствах и их влиянию на окружающую среду. Большая часть времени на этом и следующих уроках уделяется решению задач на расчет КПД тепловых двигателей: качественных, тестовых и расчетных.

Разделив темы на самостоятельные, подобрав материал и изменив формы работы, изучение материала стало внутренне мотивированным, повысилась активность на уроке, возрос интерес к изучению предмета и, самое главное, знания, полученные на таких уроках, как показывает время, остаются у обучающихся надолго. Каждое последующее изучение темы логически начиналось с завершения предыдущей. И это было обоснованно и понятно. Само решение задач – от понимания условия до ответа – занимает меньше времени. Следовательно, есть смысл уделить больше времени детальному изучению каждой темы по отдельности.

Рекомендации по подготовке и проведению урока по теме «Коэффициент полезного действия тепловых двигателей»:

• На предшествующем уроке по теме «Тепловые двигатели»:

- подготовить план (шаблон) ответа по объяснению принципа работы различных технических устройств;

- ввиду сложности понимания принципа работы четырехтактного двигателя, подготовить видеоматериал для демонстрации работы двигателя;

- акцентировать внимание данного урока принципиальной схеме теплового двигателя, на значении каждого блока;

- закрепить знания по принципиальной схеме ТД сопоставлением схемы с реальными тепловыми двигателями;

- еще один акцент сделать на том, что не вся энергия, идущая от нагревателя, идет на совершение полезной работы двигателем;

- во избежание затруднений у обучающихся в дальнейшем при решении задач на КПД, важно разобрать условия задач (без расчетов) с обсуждением следующего: откуда берется энергия для двигателя? в чем заключается полезная работа?

- для повышения интереса к изучению материала включить материал по профориентации обучающихся: для суворовских училищ и кадетских корпусов таким материалом является военная составляющая урока (приложение 1, 2).

- одним из заданий для самоподготовки можно предложить подумать над вопросами: «ТД – вред или польза?», «Какой двигатель для танка лучше?». (приложение 1, 2)

• На уроке по теме «Коэффициент полезного действия тепловых двигателей»:

- при подготовке к уроку изучить личностные особенности обучающихся и в соответствии с этим подобрать материал, как для визуальной демонстрации, так и для словесного объяснения;

- учесть уровень обучения и темп работы каждого: приготовить задания для индивидуальной и групповой работы;

- начать урок с задания по самоподготовке, повторения принципиальной схемы теплового двигателя, преобразований энергии;

- при подведении итогов урока акцентировать внимание обучающихся на их личных результатах, на их личном вкладе (КПД) в сегодняшний урок.

Характеристика урока.

1.Тема программы: «Основы термодинамики»

2. Тема урока: «Коэффициент полезного действия тепловых двигателей»

3. Тип урока: урок получения новых знаний (изучение нового материала)

4. Вид урока: комбинированный

5.Дидактическая цель урока: создать условия для осознания и закрепления блока новой учебной информации

6.Цели по содержанию:

Образовательная: Ввести понятие коэффициента полезного действия теплового двигателя, способами его изменения, с реальными значениями КПТ современных технических устройств.

Развивающая: продолжить формирование умений анализировать и систематизировать информацию, формирование собственного отношения в изучаемым объектам, овладение информацией о КПД современных видов двигателей военной техники, умение вести дискуссию, развитие познавательного интереса учащихся, рефлексивных и самооценочных навыков, развитие ассоциативного мышления.

Воспитательная: формирование культуры общения, ответственности за окружающую среду, воспитание патриотических чувств за научно-технические достижения России, за Российскую армию, потребности в постоянном обучении и расширении собственного кругозора, конструктивной критике.

Материально техническое обеспечение урока:

компьютер, проектор, презентация к уроку, раздаточный материал в виде текстов, таблиц.

Межпредметность: химия, ОБЖ, экология.

Формы работы на уроке: индивидуальная, групповая, фронтальная

Планируемые результаты:

• Предметные: знать определение КПД, способы увеличения КПД, КПД различных современных технических устройств;

• Личностные: самоутверждение в коллективе, повышение самооценки, координация мыслительной и двигательной функций, желание найти для себя эффективные способы повышения качества обучения.

• Метапредметные: умение выражать аргументированную точку зрения и парировать аргументы других обучающихся, анализ зависимости величин в формуле, сопоставление схемы и математической формулы, умение пользоваться таблицей, сравнивать, самостоятельное решение проблемы или групповое – (коммуникативность), принятие решения, использование знаний физики, математики, перенос знаний по физике на другие области.

Ход урока:

1. Организационный момент: индивидуальная проверка выполнения заданий самоподготовки, проверка готовности к уроку (наличие канцелярских принадлежностей, тетрадей), ответ на индивидуальные вопросы суворовцев. Приветствие.

2. Актуализация знаний:

• Преподаватель предлагает дать определение теплового двигателя (ТД) и объяснить его принципиальную схему, изученную на прошлом уроке ( слайд № 1)

• Преподаватель предлагает ответить на вопрос (слайд № 2):

«ТД – вред или польза?», «Какой двигатель для танка лучше?». Эти вопросы ставились перед суворовцами в конце предыдущего урока и являлись заданием для самоподготовки. На данный урок суворовцы приходят, имея свою точку зрения. Они делятся на группы, занимают позицию «за» или «против». В ходе дебатов высказывают аргументы в защиту своей позиции и контраргументы на высказывания оппонента.

Правила проведения дебатов:

1. Ставится проблема: «Тепловые двигатели – вред или польза?»

2. Суворовцы занимают позицию, делятся на группы. (Если все заняли одну позицию, тогда преподаватель должен занять противоположную, чтобы дать возможность суворовцам высказываться, парировать ответы других и найти способы разрешения проблемы).

3. В течение одной минуты суворовцы в группе высказывают аргументы в защиту своего мнения. На листе записывают, ранжируя по значимости, два-три аргумента.(приложение 3)

Аргументы	Контраргументы
1.	1.
2.	2.
3.	3.

4. По очереди каждая группа приводит свой аргумент, а оппонент приводит контраргумент. Затем наоборот.

5. В ходе дебатов суворовцы я могут изменить свое мнение и перейти на сторону оппонента.

Какими бы ни были аргументы и мнение участников этого процесса, в любом случае спор всегда завершается тем, что ТД необходимы в современном мире, но нужно уменьшать их вредное воздействие на окружающую среду и повышать эффективность их работы.

• Просмотр следующего слайда «Структура распределения потерь в ДВС» ( слайд № 3).

Вопросы к слайду:

- почему не все топливо сгорает в ДВС?

- почему теряется тепло через систему охлаждения?

- почему теряется тепло с выхлопными газами?

- почему возникают механические потери?

- что важно учитывать при изготовлении любого ТД?

- физическая величина, показывающая, сколько энергии, от всей поступившей, идет на совершение двигателем полезной работы, называется: ……(КПД). (Эта величина знакома учащимся по темам 7 и 8 классов)

3.Мотивация и целеполагание:

Записываем тему и ставим задачи урока (слайд № 4).

Тема «Коэффициент полезного действия тепловых двигателей»

Приведу пример задач урока, которые ставят суворовцы:

- выяснить смысл КПД;

- как можно повышать КПД;

- наиболее эффективные современные способы повышения КПД;

- познакомиться с КПД современных тепловых двигателей.

4. Изучение нового материала.

1.Десятиклассники могут самостоятельно, используя слайд «Принципиальная схема ТД с распределением энергии», получить различные варианты формул КПД:

А- полезная работа, (Дж)

Qн – количество тепла, передаваемое нагревателем, (Дж)

Qх – количество тепла, отдаваемое холодильнику, (Дж)

Чаще всего КПД измеряют в процентах.

2.Задания для закрепления формул и понимания условия задачи (слайд № 5).

• Определить КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 15 МДж потребовалось израсходовать 1,2 кг топлива с удельной теплотой сгорания 42 МДж.

Для решения данной задачи необходимо ответить на вопросы:

- что является полезной работой?

- что является нагревателем?

- какие тепловые процессы происходят в нагревателе?

- по какой формуле нужно рассчитать количество теплоты,

передаваемое нагревателем?

- какой из трех формул КПД лучше воспользоваться в данной

задаче?

• (слайд № 6) Вопрос: что означает «КПД двигателя трактора равен 30%?»

• (слайд № 7)В двигателе внутреннего сгорания было израсходовано 0,5 кг горючего, теплота сгорания которого 46·10⁶ Дж/кг при этом двигатель совершил 7·10⁶ Дж полезной работы. Каков его КПД?

• В тепловой машине за счёт каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа 300 Дж. Определить КПД машины.

• Полезная мощность двигателей самолёта равна 2300 кВт. Каков КПД двигателей, если при средней скорости 250 кмч они потребляют 288 кг керосина на 100 км пути?

3.Примеры реальных КПД различных двигателей приведены в таблице (слайды №8,9)

4. Проводим математический анализ формул (слайд № 10). Вопросы:

• Может ли КПД быть равен или больше 100%?

• Как можно увеличить КПД?

• Приведет ли увеличение Qн к увеличению полезной работы? К увеличению КПД?

• Приведет ли уменьшение Qх к увеличению полезной работы? К увеличению КПД?

• Что выгоднее: увеличивать Qн или уменьшать Qх? (Проводят математический анализ – это удобнее делать на последней формуле КПД)

• Что технически легче (возможнее): увеличивать Qн или уменьшать Qх? С чем связаны данные проблемы?

5.На последний вопрос суворовцы отвечают, на имеющиеся у них знания, предполагая возможные затруднения в полноте своих ответов.

Предлагаю им изучить выдержки из научно-популярных статей (приложение 4):

«Способы повышения КПД»

1.В последние годы предпринимаются попытки обеспечения надежной работы двигателей с пониженным отводом теплоты при существенно более высокой температуре поверхности гильзы цилиндра и использовании специальных смазочных материалов. Регулирование охлаждения дает большую экономию энергии. Поэтому регулированию охлаждения в настоящее время уделяется особое внимание. Наиболее удобное регулирование — изменение частоты вращения вентилятора.

2.ТУРБОНАДУВ ДВИГАТЕЛЯ

При турбонадуве энергия отработавших газов используется в турбине, приводящей центробежный компрессор для подачи воздуха в двигатель. Большая масса воздуха, поступающая в двигатель под давлением из компрессора, способствует повышению удельной мощности двигателя и снижанию его удельного расхода топлива. Двухступенчатые сжатие воздуха и расширение отработавших газов, осуществляемые в двигателе с турбонаддувом, позволяют получить высокий индикаторный КПД двигателя.

3.ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Наиболее значительная часть потерь вызвана трением в цилиндре, меньшая - трением в хорошо смазываемых подшипниках и приводом необходимого для работы двигателя оборудования.

Механический КПД двигателя зависит от типа используемого масла. Применение в зимнее время масел повышенной вязкости приводит к росту расхода топлива. Мощность двигателя при больших высотах над уровнем моря падает вследствие уменьшения давления атмосферы, однако его потери практически не меняются, вследствие чего удельный расход топлива возрастает.

4. ВЛИЯНИЕ ДИАМЕТРА ЦИЛИНДРА И ХОДА ПОРШНЯ НА ЭФФЕКТИВНЫЙ КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Наименьшим отношением поверхности к заданному объему обладает сфера. Тепло в окружающее пространство отводится поверхностью, поэтому масса, имеющая форму шара, охлаждается в наименьшей степени. Эти очевидные соотношения учитываются при проектировании камеры сгорания Следует, однако, иметь в виду геометрическое подобие деталей двигателей разных размеров. Как известно, объем сферы равен 4/3лR³, а ее поверхность - 4лR², и, таким образом, объем с ростом диаметра увеличивается быстрее, чем поверхность, и, следовательно, сфера большего диаметра будет иметь меньшую величину отношения поверхности к объему. Если поверхности сферы разного диаметра имеют одинаковые перепады температур и одинаковые коэффициенты теплоотдачи а, то большая сфера будет охлаждаться медленнее

5. СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСА ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ

Несгоревшие компоненты в отработавших газах можно окислить и без горения при помощи катализатора. Для этого к отработавшим газам необходимо добавить вторичный воздух, нужный для окисления, химическую реакцию которого проведет катализатор. При этом также высвобождается теплота. Катализатором служат обычно редкие и драгоценные металлы, поэтому он весьма дорог.

Вредное воздействие на здоровье человека оказывают и пары бензина. Поэтому вентиляцию картера необходимо осуществлять таким образом, чтобы газы и пары, проникающие в картер из-за плохой герметичности, не поступали в атмосферу. Утечку паров бензина из топливного бака можно предотвратить адсорбцией и отсасыванием паров во впускную систему.

После прочтения текста, проводится беседа по способам увеличения КПД тепловых двигателей.

5.Разминка. (слайд № 11)

Преподаватель задает вопросы по способам изменения КПД, суворовцы показывают ответы. Например, если предложенный способ соответствует повышению КПД, то суворовцы поднимают руки вверх, если снижению КПД, то руки в стороны.

СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ КПД (разминка)

• ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО ТОПЛИВА

• ОТСУТСТВИЕ СМАЗКИ В РАБОЧИХ ЧАСТЯХ МЕХАНИЗМОВ

• УМЕНЬШЕНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ЧЕРЕЗ СТЕНКИ ЦИЛИНДРА

• УМЕНЬШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ «ХОЛОДИЛЬНИКА»

• УЛУЧШАТЬ ГЕРМЕТИЧНОСТЬ КАРТЕРА

• ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ УТЕЧКИ ПАРОВ БЕНЗИНА ИЗ ТОПЛИВНОГО БАКА АДСОРБЦИЕЙ И ОТСАСЫВАНИЕМ ПАРОВ ВО ВПУСКНУЮ СИСТЕМУ.

6. Закрепление материала.

Преподаватель задает вопрос: понятие «КПД» можно применить только к двигателям? Суворовцы приводят примеры, где еще уместно употребить понятие «коэффициент полезного действия».

На доске появляется рисунок (слайд № 12).

Вопросы:

• что напоминает данный рисунок? (Принципиальную схему ТД)

• какая пословица подходит для данного рисунка? (В одно ухо влетело, в другое вылетело)

• можно ли применить понятие КПД для труда, выполняемого человеком?

Суворовцы приводят примеры, поясняют, в каком случае можно говорить о КПД человека.

Предлагаю провести аналогию: что можно принять за Qн, Qх, Aп учащегося?

Варианты ответов суворовцев разные. Примеры:

• Qн – объем изучаемого материала, объем задания для самоподготовки, количество посещаемых уроков физики. (Это самый оптимальный выбор, т.к. материал и его объем преподавателем предлагается всем одинаковый, в одинаковой форме ведется урок, а результат КПД разный);

• Qх – количество уроков у учащегося без оценки или с низкой оценкой, неактивные уроки, невыполнение домашнего задания и т.д.;

• Aп – количество «5», активные уроки, количество посещенных и т.д.

Важно: знать психологические особенности суворовцев, межличностные отношения в коллективе, предполагать реакцию суворовцев на данный вид деятельности. Обычно этот этап урока самый любимый и в дальнейшем суворовцы анализируют свою деятельность с учетом факторов, влияющих на повышение личного КПД, качество обучения.

Далее проводятся расчеты КПД обучающихся в классе или по заранее подготовленным преподавателем материалам «успеваемости незнакомых учащихся».

Акцент на данном этапе урока делается не на личный КПД присутствующих суворовцев, а на анализ способов повышения КПД.

В результате суворовцы по группам составляют таблицу, в которую записывают те факторы, которые приводят к повышению качества обучения и к снижению качества обучения. Пример типичных результатов (слайд № 13, приложение 5):

7.Итоги урока, рефлексия.

В зависимости от оставшегося времени, этап рефлексии и подведения итогов можно провести в разной форме.

Вариант 1.

Учащиеся, передавая мяч, задают вопросы, отвечают на вопросы суворовцев, корректируют ответы друг друга, анализируют результативность выполнения задач, поставленных вначале урока.

Вариант 2.

По группам на большом листе фломастерами записывают изученный материал, соответствующий не только задачам урока (смысл КПД, эффективные способы повышения КПД, КПД современных тепловых двигателей), но и личным потребностям суворовцев.

Этот опорный конспект забирают с собой в расположение. Он способствует неоднократному обращению к материалу во время выполнения задания по самоподготовке и лучшему запоминанию темы.

8.Задание для самоподготовки (слайд № 14, приложение 6):

- выучить теоретическую часть по конспекту в тетради4

- по задачнику А.П. Рымкевич № 679;

- задача № 2

«Тепловая машина за цикл работы получает от нагревателя 100 Дж и отдает холодильнику 40 Дж. Чему равен КПД тепловой машины?»

Дополнительно: оценить КПД судового дизельного двигателя (см.ниже)

Технологическая карта урока в 10 классе

по теме «Коэффициент полезного действия тепловых двигателей»

Заключение

Данная методика проведения урока «Коэффициент полезного действия» значительно повысила интерес суворовцев к изучаемой теме, понимание материала, его усвоение. Качество обучения суворовцев 10 класса по данной теме, как профильного, так и базового уровня, составляет 100%. Для подготовки к итоговой аттестации в 11 классе суворовцы в достаточно короткий срок воспроизводят тему, изучаемую в 10 классе. В результате таких видов деятельности и правильно подобранного материала предметные знания надолго сохраняются в памяти суворовцев. Метапредметные навыки, полученные на таком уроке, суворовцы применяют и на других уроках. По опросам суворовцев именно такие формы деятельности, как дебаты, где можно высказывать свою точку зрения, самостоятельное изучение текста и выбор наиболее важным аспектов, являются наиболее эффективными и запоминающимися. Варианты рефлексии и подведения итогов, промежуточная проверка усвоения материала одновременно являются здоровьесберегающей основой урока. Дополнительное задание для самоподготовки, кажущееся на первый взгляд неразрешимым, оказывается под силу всем. Более того, при выполнении этого задания, суворовцы много общались друг с другом, спорили, доказывали свою точку зрения, опираясь на изученный ранее материал. Поиск дополнительной информации по судовым двигателям в библиотеке и интернете тоже дал положительные результаты и лишний раз подтвердил, что суворовцы мотивированы на изучение данной темы, на достижение положительного результата и повышению качества своего обучения.

Список источников информации:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.: Физика, учебник для общеобразовательных учреждений, 10 класс. Классический курс.   – М.: Просвещение, 2014

2. http://www.alexfiles99.narod.ru/library/0003/gtd-1250_history.html «Двигатели для «Летающих танков»».

3. http://www.yamotorist.ru/index.php/kontent/gazoturbinnyj-dvigatel-gtd Газотурбинный двигатель. Устройство и принцип работы.

4. Энциклопедия для детей. Физика, часть 2: - М.: Аванта +, 2009

5. Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 классы: - М.: Дрофа, 2013

6. http://dvpt.narod.ru/russian/history/index13/ Топливная экономичность ДВС

7. http://narfu.ru/university/library/books/1549.pdf В.А.Стенин. Расчет судового дизеля, пособие.

8. ЕГЭ 2015. Физика. Типовые тестовые задания / М. Ю. Демидова, В. А. Грибов, — М. : Издательство «Экзамен», 2015

9. http://ped-praktika.ru/archives/psixologicheskie-osobennosti-uchashhixsya-10-11-klassov.html Психологические особенности учащихся 10-11 классов

Приложение 1

Сравнительная характеристика двигателей танков.

Проводить сравнительную оценку разных машин зачастую весьма сложно. Известно, что важнейшим фактором, определяющим подвижность танка, является силовая установка. О ней и поговорим. И газотурбинный двигатель (ГТД), и дизель имеют свои преимущества и недостатки. На каких весах взвесить все «за» и «против»? Если ГТД обеспечивает преимущества по удельной и габаритной мощности, то дизель существенно экономичнее, но требует больше воздуха и более тщательной его очистки. У него сложная система охлаждения и он трудно запускается при низких температурах.

И все же следует сказать несколько слов о принципиальных достоинствах ГТД. Поршневые двигатели внутреннего сгорания, как уже отмечалось, обладают высокой топливной экономичностью и рядом других достоинств, но сложны конструктивно. Это связано с необходимостью преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала и наличием органов газораспределения. Движение поршня между двумя его мертвыми точками происходит с переменной скоростью, изменяющейся от ноля до максимума и опять до ноля. Такое движение связано с ускорением и возникновением инерционных знакопеременных сил, порождающих вибрации поршневых двигателей. Поэтому понятны попытки создания более простых по конструкции двигателей внутреннего сгорания, но с поршнем, не совершающим возвратно-поступательные движения.

В целом поршневая установка обладает рядом недостатков, которые не позволяют удовлетворить растущие требования. Это обусловлено недостаточной габаритной мощностью (мощность, приходящаяся на единицу объема), а также большими объемами водяной и масляной систем охлаждения (из-за значительного тепловыделения поршневого двигателя). Кроме того, тяговые характеристики поршневого двигателя вызывают необходимость применения сложных гидромеханических трансмиссий. Высока и токсичность отработавших газов.

Применение ГТД позволяет устранить отмеченные недостатки, но приводит к ухудшению топливной экономичности, особенно при малых загрузках двигателя. Поэтому главная задача, стоящая перед разработчиками транспортного ГТД, — создание более экономичного двигателя. Пути достижения этого известны — повышение температуры, применение теплообменников, повышение КПД газового тракта. Допустимая по условиям прочности материалов максимальная температура газов перед турбиной компрессора перед ГТД ниже, чем у поршневого двигателя (900-1080°С против 1700-1800°С), так как рабочие части подвергаются воздействию высокой температуры в первом случае постоянно, а во-втором циклично. Для получения более низкой температуры газа воздух в камеру сгорания ГТД подается в больших количествах, чем требуется для сгорания, поэтому компрессор потребляет большую мощность. Однако общий расход воздуха у ГТД (с учетом повышенного расхода на систему охлаждения у поршневого двигателя) ниже.

Но потенциал повышения мощности двигателя в существующих габаритах — неоценимое качество силовой газотурбинной установки. За время серийного выпуска мощность ГТД танка Т-80 выросла на 25% (с 1000 л.с. до 1250 л.с.) без изменения габаритов. Удалось форсировать серийный двигатель до мощности 1400 л.с., что подняло удельную мощность до 30 л.с. на тонну. Более того, имеются опытные образцы двигателей мощностью 1500 л.с. Правда, оппоненты высказывают сомнения, нужны ли такие мощности, ведь средняя скорость танка в колонне обеспечивается гораздо меньшей мощностью двигателя. Причем обосновывается это расчетами и опасностью аварий на повышенных скоростях.

Как показала практика локальных конфликтов и антитеррористических операций, при ведении боевых действий в населенных пунктах именно высокая подвижность является одним из залогов выживания боевой машины. А учитывая, что в тактике городских боев часто применяют «засаду», то бесшумность ГТА-18 и малый его расход обеспечат существенные преимущества танку с ГТД. В локальных конфликтах не нужны ни танковые колонны, ни коробки передач с многочисленными ступенями. Нужно быстрое выдвижение на максимальной скорости, мгновенный разворот или экстренное торможение, поэтому эффективность торможения двигателем становится отличительной особенностью и преимуществом.

Приложение 2

Гаубичный танк

Технические характеристики
Максимальная мощность...................1500 л.с.
Максимальный крутящий момент,..........538 кгс м
Масса двигателя.............................1122 кг
Удельный расход топлива...................202 г/л.с. ч
Степень сжатия в компрессоре............14,5 единиц
Максимальная температура газа..........1466 градусов Кельвина
Габаритная мощность.......................1070 л.с/куб.м

AGT-1500 - трехвальный двигатель с осецентробежным компрессором низкого давления и центробежным копрессором высокого давления, тангенциональной камерой сгорания, регулируемым сопловым направляющим аппаратом, тремя осевыми турбинами и кольцевым пластинчатым теплообменником. Компрессорные турбины однокаскадные, силовая турбина двухкаскадная.
Сопловые лопатки направляющим аппарата и рабочие лопатки турбины первой ступени охлаждаются воздухом, отбираемым на выходе из компрессора второй ступени и подаваемым через отверстия в хвостовиках лопаток. 
Одноступенчатый планетарный редуктор, размещенный внутри корпуса теплообменника, уменьшает число оборотов силовой турбины с 22500 до 3000 об/мин на выходном валу. 
Теплообменник собран из кольцевых пластин, изготовленных из нержавеющей стали, спаянных по контуру, укрепленных продольными стяжными болтами и образующих цилиндрический барабан, который охватывает диффузор турбины. Газовые воздушные каналы создаются отверстиями в пластинах и зазорами между ними. Рабочее давление в теплообменнике 14,76 кг/см.кв, степень регенерации тепла при работе двигателя на мощности 70 процентов максимальной достигает 72 процентов.
Регулятор подачи топлива гидромеханический. Электронная система управления обеспечивает необходимую последовательность операций при запуске двигателя, а также выключает его в случае превышения допустимых температур или скорости вращения роторов. Пуск двигателя с помощью электростартера. 
AGT-1500 выполнен в одном блоке с автоматической гидромеханической трансмиссией Х-1100-3В. Блок может быть заменен менее чем за 1 час. Допускается непродолжительная (до 20 моточасов) работа ГТД на автомобильном бензине.

Боевой танк М1 "Абрамс" на марше.

Моторно-трансмиссионное отделение расположено в кормовой части машины. Газотурбинный двигатель АОТ-1500 выполнен в одном блоке с автоматической гидромеханической трансмиссией Х-1100-ЗВ. В случае необходимости блок целиком может быть заменен менее чем за 1 час. Выбор газотурбинного двигателя объясняется рядом его преимуществ по сравнению с дизелем той же мощности. Прежде всего это возможность получения большей мощности при меньшем объеме газотурбинного двигателя. Кроме того, последний имеет примерно вдвое меньшую массу, относительно простую конструкцию и в 2-3 раза больший ресурс работы. К тому же он лучше удовлетворяет требованиям многотопливности.

Вместе с тем отмечаются такие его недостатки, как повышенный расход топлива и сложность воздухоочистки. Максимальная температура газа в турбине составляет 1193°С. Скорость вращения выходного вала - 3000 об/мин. Двигатель имеет хорошую приемистость, что обеспечивает танку М1 "Абрамс" разгон до скорости 30 км/ч за 6 секунд.

Приложение 3

Запись все свои аргументы:__________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

Выбираем наиболее значимые аргументы и записываем в таблицу.

Приложение 4

1.В последние годы предпринимаются попытки обеспечения надежной работы двигателей с пониженным отводом теплоты при существенно более высокой температуре поверхности гильзы цилиндра и использовании специальных смазочных материалов. Регулирование охлаждения дает большую экономию энергии. Поэтому регулированию охлаждения в настоящее время уделяется особое внимание. Наиболее удобное регулирование — изменение частоты вращения вентилятора.

2.ТУРБОНАДУВ ДВИГАТЕЛЯ

При турбонадуве энергия отработавших газов используется в турбине, приводящей центробежный компрессор для подачи воздуха в двигатель. Большая масса воздуха, поступающая в двигатель под давлением из компрессора, способствует повышению удельной мощности двигателя и снижанию его удельного расхода топлива. Двухступенчатые сжатие воздуха и расширение отработавших газов, осуществляемые в двигателе с турбонаддувом, позволяют получить высокий индикаторный КПД двигателя.

3.ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Наиболее значительная часть потерь вызвана трением в цилиндре, меньшая - трением в хорошо смазываемых подшипниках и приводом необходимого для работы двигателя оборудования.

Механический КПД двигателя зависит от типа используемого масла. Применение в зимнее время масел повышенной вязкости приводит к росту расхода топлива. Мощность двигателя при больших высотах над уровнем моря падает вследствие уменьшения давления атмосферы, однако его потери практически не меняются, вследствие чего удельный расход топлива возрастает.

4. ВЛИЯНИЕ ДИАМЕТРА ЦИЛИНДРА И ХОДА ПОРШНЯ НА ЭФФЕКТИВНЫЙ КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Наименьшим отношением поверхности к заданному объему обладает сфера. Тепло в окружающее пространство отводится поверхностью, поэтому масса, имеющая форму шара, охлаждается в наименьшей степени. Эти очевидные соотношения учитываются при проектировании камеры сгорания Следует, однако, иметь в виду геометрическое подобие деталей двигателей разных размеров. Как известно, объем сферы равен 4/3лR³, а ее поверхность - 4лR², и, таким образом, объем с ростом диаметра увеличивается быстрее, чем поверхность, и, следовательно, сфера большего диаметра будет иметь меньшую величину отношения поверхности к объему. Если поверхности сферы разного диаметра имеют одинаковые перепады температур и одинаковые коэффициенты теплоотдачи а, то большая сфера будет охлаждаться медленнее

5. СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСА ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ

Несгоревшие компоненты в отработавших газах можно окислить и без горения при помощи катализатора. Для этого к отработавшим газам необходимо добавить вторичный воздух, нужный для окисления, химическую реакцию которого проведет катализатор. При этом также высвобождается теплота. Катализатором служат обычно редкие и драгоценные металлы, поэтому он весьма дорог.

Вредное воздействие на здоровье человека оказывают и пары бензина. Поэтому вентиляцию картера необходимо осуществлять таким образом, чтобы газы и пары, проникающие в картер из-за плохой герметичности, не поступали в атмосферу. Утечку паров бензина из топливного бака можно предотвратить адсорбцией и отсасыванием паров во впускную систему.

Приложение 5

Приложение 6

Задание для самоподготовки:

Выучить теоретическую часть по конспекту в тетради,

задачник А.П.Рымкевич № 679

задача № 2

«Тепловая машина за цикл работы получает от нагревателя 100 Дж и отдает холодильнику 40 Дж. Чему равен КПД тепловой машины?»

Дополнительно: оценить КПД судового дизельного двигателя (см.ниже)