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.).
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. /Под.ред. 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.