К.п.н. Имашев Г.И.

Атырауский государственный университет имени Х.Досмухамедова, Республики Казахстан

Экологическое образование в процессе изучения термодинамики

Экологические проблемы современности, как известно, приобретают необычайную остроту и глобальность, и решать их придется сегодняшнему подрастающему поколению, в связи с чем необходимо формировать у школьников осознанное бережное отношение к окружающему нас миру. Современный урок физики направлен, прежде всего, на формирование личности учащихся, когда учитель выступает как организатор учебной познавательной деятельности школьников, как их помощник и консультант.

В средней общеобразовательной школе важным этапом в процессе формирования целостного представления о технике является изучение раздела «Термодинамика». Его экологическая значимость заключается в том, что на основе научных знаний и качественных соотношений мы можем доказывать существующие связи между разными факторами и явлениями природы; рассматривать вопросы рационального использования природных ресурсов и охраны воздуха, воды и почвы; освещать экологические аспекты тепловых двигателей; расширять знания об антропогенных факторах  и характере их влияния на природу.

Изучение раздела Термодинамика” важно как в прикладном, так и экологическом аспекте.

       Двигатели внутреннего сгорания стали одним из главных загрязнителей атмосферы (примерно около 30%). Так как число автомобилей растет, то растет и количество опасных загрязнителей. Особенно опасны продукты сгорания  этилированного бензина, содержащие соединения свинца. Общее количество различных химических соединений в выхлопе автомобиля составляет около 40. Было бы заблуждением думать, что электрический транспорт не загрязняет окружающую среду. Для того чтобы подать  электроэнергию поездам, троллейбусам, трамваям и метро, нужно сжечь топливо на ТЭЦ или АЭС.

Повышение экономичности тепловых двигателей  характеризуется повышением КПД. Наибольшее значение КПД дизеля около 45%, а для карбюраторного двигателя – 30%. Если рассмотреть КПД с экономических и экологических позиций как эффективность преобразователя энергии в цепи энергоноситель – транспорт, то он кажется гораздо ниже. Например, КПД цепи нефть – бензин – автомобиль равен примерно 4,2%, а КПД цепи энергоноситель – электростанция – электропоезд – 6,1%. Для электромобиля, работающего на аккумуляторе, подзаряжаемом от сети, КПД равен 2%. Такой электромобиль не является альтернативным транспортом. Альтернатива в другом, например, в использовании солнечной энергии непосредственно в автомобиле, в применении магнитной подвески и линейных электродвигателей, пневмотранспорта  и т.п. Повышение экономичности обычных двигателей внутреннего сгорания достигается за счет применения электронного  зажигания, сферических камер сгорания, вихревой продувки, дожигания  несгоревших газов и др.

Большие перспективы в развитии транспортных средств связывают с применением линейных электродвигателей в поездах на  магнитной или воздушной подвеске. В этом случае решается  несколько задач: в качестве двигателя используется линейный асинхронный электродвигатель, роль движителя выполняет бегущее электромагнитное поле, вместо опоры на колеса магнитное поле. Экологичность такого транспорта обусловлена отсутствием вредных  выбросов в атмосферу, шума, вибраций. Такой транспорт имеет более высокий КПД, поскольку практически отсутствует механическое трение в двигателе и движителе, меньше материалоемкость и энергоемкость.

Мы обратили внимание учащихся на то, что паровые и газовые турбины в основном используются на тепловых электростанциях, на  крупных судах. Топки электростанций выбрасывают в атмосферу вредные для живых организмов вещества (выбрасывают не только газообразные продукты сгорания, аэрозоли, но и дают золу, шлаки). Применение паровых и газовых турбин требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара. При увеличении мощности  электростанции возрастает потребность в воде и газе.  С целью экономии занимаемой площади и водных ресурсов сооружают комплексы электростанций с замкнутыми циклами водоснабжения.

Во время экспериментального обучения при изучении температуры мы более детально раскрывали некоторые экологические аспекты. Температура определяет многообразие видов жизни на земле. Изменение температур одних тел приводит к нарушению теплового равновесия всей системы тел, принимающих участие в теплообмене. Тепловое загрязнение водоемов вызывает изменения в процессе теплообмена между водой и растениями, водой и животными, что в некоторых случаях сопровождается летальными последствиями. При температуре водоемов +26-+36ºС возникают смертельно опасные условия для рыб и некоторых видов организмов.

Чтобы выяснить характер теплообмена человеческого организма со средой, мы предлагали учащимся ответить на такие вопросы: как реагирует человеческий организм на температурные изменения в среде (холод, жара)? Почему человеку в одних условиях жарко, а в других холодно? Могут ли эти ощущения свидетельствовать о различных температурах среды? Как температура среды действует на самочувствие человека?

Задача повышения КПД теплового двигателя тесно связана с охраной природы, а именно с рациональным использованием природных ресурсов. Поэтому на уроке мы обращали внимание учащихся на возможные пути повышения КПД теплового двигателя, не превышающего в реальных условиях 40-42%. Анализ формулы КПД, выраженной через температуру  нагревателя и холодильника, дает возможность учащимся увидеть пути повышения эффективности теплового двигателя.

По разделу «Молекулярная физика» рассмотрен вопрос об изучении основ теплоэнергетики. Успешное усвоение этого вопроса зависит от правильного формирования в сознании учащихся основных понятий и законов термодинамики. Поэтому для обеспечения логической взаимосвязанности и последовательности изложения учебного материала вначале дается краткая разработка содержания теоретических знаний по основам термодинамики.  В ней предусмотрено знакомство учащихся с предметом, задачами и историей развития  термодинамики как науки, вопросы терминологии, изучение основных понятий термодинамики: термодинамическая система, термодинамическое равновесие, параметры состояния системы (объем, температура, давление), термодинамические процессы (необратимый и обратимый), внутренняя энергия, количество теплоты и работа в термодинамике. Предлагается также конкретное содержание материала о первом законе термодинамики и его применении к различным процессам, о втором законе термодинамики.

На основе разработанного содержания теоретического материала нами построена схема по систематизации энергетических понятий вместе с характеристиками  термодинамической системы и ее состояния.

Содержание и методика изучения принципов работы тепловых двигателей представлены в подробном изложении кругового процесса, рабочего цикла и КПД идеальной тепловой машины (цикл Карно), принципов действия реальных тепловых двигателей и их КПД. Конкретно рассматривается работа паротурбинной установки. В конце этих  сведений дается образец таблицы (в заполненном виде) для систематизации знаний учащихся по устройствам и принципам действия различных видов тепловых  двигателей.

Предлагаемая методика изучения принципов работы тепловых двигателей значительно отличается от традиционной, утверждающей о достаточности наличия нагревателя, рабочего тела и холодильника для периодического действия этих трех двигателей.  Дело в том, что с помощью этих элементов очень трудно объяснить учащимся сущность  преобразования   внутренней  энергии рабочего тела в механическую и совершения им  кругового цикла при работе теплового двигателя. Речь идет об отсутствии в работе двигателя еще двух принципиально важных элементов: элемента, непосредственно преобразующего внутреннюю энергию  рабочего тела в механическую (паровая и газовая турбины, поршень, сопло), и элемента, восстанавливающего рабочее тело в первоначальное состояние после совершения им работы и отдачи части своей внутренней энергии холодильнику (водяной и топливный насосы, карбюратор, компрессор, форсунка и др.).

Литература

1.     Бугаев А.И. Методика преподавания физики в средней школе.-М.: Просвещение, 1981-288с.

2.     Глазунов А.Т. Техника в курсе физики средней школы.-М.: Просвещение, 1977-159с.

3.     Физика и научно-технический прогресс. /Подед. В.Г.Разумовского, В.А.Фабриканта, А.Т.Глазунова,-М.: Просвещение, 1980-159с.

4.     Шут Н.И. Электрика  и магнетизм: Навч.-метод. Посібник для самост.работы. НПУ ім.М.П.Драгоманова, Киів,-2002.-236с.

5.     Турдикулов Э.А. Экологическое образование и воспитание учащихся в процессе обучения физике.-М.: Просвещение, 1988-126с.