С целью увеличения наглядности образования пузырьков пара внутри жидкости можно кипятить жидкость, предварительно долго кипевшую. В этом случае можно наблюдать образование крупных пузырей пара с воздухом.
При выполнении лабораторной работы по теме учащиеся продолжают наблюдение кипения. После проведения работы полезно сравнить полученный график с графиком плавления и кристаллизации нафталина или льда.
Понимание особенностей кипения будет более полным при сравнении его с испарением. Учащиеся должны ясно представлять, что общего между кипением и испарением и в чем состоит существенное различие между ними. Кипение, как и испарение,— это парообразование. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре и любом внешнем давлении, а кипение — это парообразование во всем объеме жидкости при определенной для каждого вещества температуре, зависящей от внешнего давления.
В качестве домашнего задания всему классу предлагают внимательно пронаблюдать и запомнить, как начинает закипать и как кипит вода в открытом сосуде.
В учебнике и в программе не рассматривается вопрос о зависимости температуры кипения от внешнего давления, но дать его в осведомительном порядке весьма полезно.
Зависимость точки кипения от давления целесообразно показать на следующей установке. Берут пробирку, заполненную на одну треть водой. Нагревают воду в пробирке до кипения и, вставив в пробирку резиновую грушу, быстро сжимают ее. Кипение прекращается, хотя вода продолжает нагреваться. Убирают нагреватель. Быстро разжимают руку с резиновой грушей и вновь наблюдают кипение жидкости. Известный опыт с кипением воды под колоколом насоса более трудоемкий и показывает только понижение точки кипения при уменьшении давления. Опыт с кипением воды в перевернутой колбе, поливаемой холодной водой, требует дополнительных пояснений относительно уменьшения давления при охлаждении и конденсации пара. Его лучше показать в завершение темы для закрепления материала. При этом следует брать круглодонную, а не плоскодонную колбу, во избежание ее разрушения атмосферным давлением.
Зависимость температуры кипения от давления объясняют тем, что внешнее давление препятствует росту пузырьков пара внутри жидкости. Поэтому при повышении давления жидкость кипит при более высокой температуре. При изменении давления точка кипения меняется в более широких пределах, чем точка плавления.
В качестве технической установки, демонстрирующей зависимость точки кипения от повышения давления, используют котел Папина. При объяснении устройства котла необходимо подчеркнуть роль приспособления для регулировки давления пара. Оно не только выполняет функции предохранительного устройства, но и обеспечивает кипение воды в котле при определенной температуре.
11. КОНДЕНСАЦИЯ
После изучения парообразования логично поставить вопрос о противоположном процессе — конденсации пара.
Вновь проводят кипячение воды в колбе и наблюдают образование пара. Ставят на пути струи пара холодный предмет, например лист железа, и наблюдают появление на его нижней поверхности капелек воды.
Далее следует показать конденсацию паров, находящихся в воздухе. С этой целью наливают эфир в пробирку или стакан и продувают воздух, пока на стенках пробирки или стакана не появятся капельки воды.
Наблюдаемые явления используют для объяснения круговорота воды в природе, образования тумана, выпадения росы.
Проще продемонстрировать наличие теплоты конденсации, чем парообразования, поэтому изложение вопроса начинают с демонстрации следующего опыта. Конец резиновой трубки, присоединенной к колбе с кипящей водой, опускают в стакан с холодной водой. Пар, попадая в стакан, охлаждается и конденсируется, о чем свидетельствует повышение уровня воды в стакане. Нагревание воды в стакане обнаруживают с помощью термометра. Налив в стакан столько же кипятка, сколько сконденсировалось пара, мы получим значительно меньшее повышение температуры.
Рассказывают о проявлении этого явления в природе и использовании в технике. Обращают внимание на данные таблицы зависимости удельной теплоты парообразования от температуры. Эти сведения окажутся полезными при изучении темы «Тепловые двигатели». В заключение решают задачи. Приемы решения задач на парообразование и конденсацию аналогичны решению задач на нахождение теплоты плавления. Теплоту парообразования выражают формулой Q = Lm, где L— удельная теплота парообразования.
В качестве примера использования энергии, выделяющейся при конденсации пара, рассматривают систему парового отопления.
12. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Тема «Тепловые двигатели» имеет ярко выраженную политехническую направленность, которая позволяет учителю тесно связать многие теоретические вопросы с их практическим применением в жизни. Вместе с тем, как показывает опыт, имеется опасность и такого изучения, когда физическое содержание процессов, происходящих в тепловых двигателях, отодвигается на второй план и подменяется описанием технических деталей. Основной же задачей при изучении данной темы является расширение представлений учащихся о превращении энергии молекул (кинетической и потенциальной) в механическую энергию тела и механической энергии во внутреннюю в соответствии с законом сохранения и превращения энергии.
Таким образом, первая часть задачи состоит в изучении физических основ работы тепловых двигателей. Вторая часть задачи охватывает изучение конструктивных особенностей тепловых двигателей.
В VIII классе программой предусмотрено изучение устройства в действии поршневых двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин.
Изучение материала должно показать учащимся, что пар или газ может совершать работу только тогда, когда он не находится в тепловом или механическом равновесии с окружающей средой.
Процесс преобразования внутренней энергии газа, пара в механическую может быть осуществлен с помощью различных двигателей: поршневых и роторных. В паровом двигателе внутренняя энергия сгоревшего топлива преобразуется в механическую посредством расширения пара, в двигателях внутреннего сгорания это преобразование происходит посредством расширения нагретого газа. Непременным условием работы любого теплового двигателя является наличие нагревателя (разности температур), рабочего тела, холодильника и тела, механическая энергия которого увеличивается. Важной характеристикой при оценке экономичности тепловых двигателей является КПД.
Общее для всех поршневых двигателей не только наличие цилиндра и поршня, т. е. конструктивное сходство, но и то, что в них термодинамический процесс не разделен в пространстве, а только лишь во времени, тогда как в турбинах, реактивных двигателях термодинамический процесс разделен и в пространстве, и во времени. Эти соображения дают основание изучать тепловые двигатели в два этапа: вначале поршневые двигатели, как более простые в термодинамическом отношении, а затем турбины.
13. РАБОТА ГАЗА И ПАРА ПРИ РАСШИРЕНИИ. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В начале темы «Тепловые явления» речь шла в основном об изменении внутренней энергии путем теплообмена. Теперь следует подробно рассмотреть вопрос об изменении внутренней энергии посредством совершения работы и о практическом использовании этого явления в тепловых двигателях.
Расширение рабочего тела — самый важный процесс в работе любого теплового двигателя.Поэтому данное обстоятельство нельзя упускать из виду при объяснении работы тепловых двигателей.
С помощью демонстраций нужно показать учащимся, что газ, имеющий избыточное давление по сравнению с окружающей средой, может совершить работу расширения за счет изменения своей внутренней энергии. Опыт может быть проведен на следующей установке.
В стеклянный цилиндр с отверстием на стенке около днища помещают картонный поршень. Отверстие в стеклянном цилиндре со стенками не тоньше 2,5—3 мм протачивают точильным корундовым кругом. Пульверизатором впрыскивают в цилиндр через отверстие рабочую смесь — бензин с воздухом или протирают стенки цилиндра тампоном, смоченным бензином. Убирают пульверизатор и подносят пламя спички к отверстию цилиндра. Смесь воспламеняется, и поршень (картонный) выбрасывается из стеклянного цилиндра.
В данном опыте тепловое неравновесное состояние газа по отношению к окружающей среде было создано за счет химической энергии топлива.Двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованиемкарбюраторный) действительно является тепловым двигателем (в термодинамическом смысле слова), так как он самостоятельно, непрерывно превращает внутреннюю энергию топлива в механическую посредством тепловых процессов. Паровая турбина, взятая изолированно, не является тепловым двигателем, а представляет собой механизм, преобразующий энергию рабочего тела в механическую. Роль теплового двигателя выполняет вся паровая установка.
Используя модель (рис. 20.11), рассказывают об устройстве и действии четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.Обращают внимание учащихся на наличие в двигателе внутреннего сгорания нагревателя (цилиндр), рабочего тела (газообразные продукты сгорания), тела, механическая энергия которого увеличивается (поршень).
При объяснении устройства и действия двигателя внутреннего сгорания следует использовать также плакаты, кинофильмы и зарисовки на доске. В фильмотеках имеется кинофрагмент «Четырехтактный двигатель». Натурные и мультипликационные кадры в нем знакомят с принципом действия двигателя внутреннего сгорания, с его внешним видом. В кинофрагменте демонстрируется четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания: всасывание, сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Положение клапанов показано крупным планом. При наличии времени полезно продемонстрировать кинокольцовку «Работа четырехцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя». В ней показываются процессы, происходящие в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания.