Toplinski strojevi u programima fizike srednjih kola Srednja

Toplinski strojevi u programima fizike srednjih škola Srednja škola Mate Blažine, Labin Brenčić Željko, Mandić Nedeljko

� Nastavni � Opća plan i program 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 Q 1 Radno tijelo W Q 2 Hladniji spremnik W = Q 1 – Q 2

Carnotov kružni proces W = WAB + WBC + WCD + WDA p = Q 1 + (- U) + (- Q 2) + U A W = Q 1 – Q 2 T 2 D B T 1 C V Q 12 WAB = Q 1 WCD = - Q 2 WBC = - U WDA = U

Benzinski (Otto) motor

Četverotaktni benzinski motor

Dvotaktni benzinski motor

Diesel motor

Parni stroj

Paljenje benzinskog motora - snimka

Topliji spremnik Q 1 Radno tijelo W Q 2 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 motor 1, diesel motor 2 - 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=21 RSIk. SXUEs