Toplinski strojevi u programima fizike srednjih škola

Srednja škola Mate Blažine, LabinBrenčić 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

1 2

15 – 20 °C 40 – 50 °C

Pribor: dvije posude s vodom: toplom (40-50 °C) i hladnom (15-20 °C)Staklena tikvica (2 litre), sisaljka

Toplinski stroj – pokus 2

3 . Pokus (prijedlog) – predugo traje za jedan nastavni satpribor: 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

Q1

Q2

WRadno tijelo

W = Q1 – Q2

Topliji spremnik

Hladniji spremnik

Carnotov kružni proces p

V

A

T1

B

C

T2

D

WAB = Q1

WBC = - U

WCD = - Q2

WDA = U

W = WAB + WBC + WCD + WDA

= Q1 + (- U) + (- Q2) + U

W = Q1 – Q2

1

2

1

2

TT

QQ

1

21TT

1

21QQ

1Q

W

Q1 Q2

Benzinski (Otto) motor

Četverotaktni benzinski motor

Dvotaktni benzinski motor

Diesel motor

Parni stroj

Paljenje benzinskog motora - snimka

Hladniji spremnik

Topliji spremnik

Q1

Q2

WRadno tijelo

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