Энергетическая эффективность и термодинамика: как объяснить школьникам важность рационального использования энергии. Работа №73356

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ТЕРМОДИНАМИКА: КАК ОБЪЯСНИТЬ ШКОЛЬНИКАМ ВАЖНОСТЬ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Плотников Михаил Евгеньевич, учитель физики

МАОУ «СОШ № 279 имени Героя Советского Союза контр – адмирала Лунина Николая Александровича», Мурманская область, г. Гаджиево

Аннотация. Статья посвящена вопросам энергетической эффективности и взаимосвязи этой концепции с законами термодинамики. В статье рассмотрены способы объяснения школьникам важности рационального использования энергии с опорой на основные принципы физики. Приведены примеры практических задач и экспериментов, которые можно использовать на уроках физики для более глубокого понимания учащимися связи термодинамических процессов и повседневного энергопотребления.

Ключевые слова: энергетическая эффективность, термодинамика, устойчивое развитие, рациональное использование энергии, закон сохранения энергии, школьное обучение.

В современных условиях вопросы энергетической эффективности становятся актуальными не только на уровне науки и технологий, но и в образовательной практике. Уроки физики — отличная платформа для объяснения школьникам важности рационального использования энергии с точки зрения законов термодинамики. Учащиеся могут узнать, как физические принципы управляют процессами, происходящими в природе и технике, и почему энергию следует использовать эффективно.

Энергетическая эффективность — это способность системы максимально использовать поступающую энергию для выполнения полезной работы, при этом минимизируя потери. Для учителя физики задача состоит в том, чтобы связать этот принцип с фундаментальными понятиями, такими как закон сохранения энергии, энтропия и эффективность преобразования энергии.

Закон сохранения энергии и энергетическая эффективность

Наиболее доступной точкой входа в обсуждение энергетической эффективности на уроках физики является первый закон термодинамики — закон сохранения энергии. Этот закон утверждает, что энергия не исчезает и не появляется из ниоткуда, а лишь переходит из одной формы в другую.

Пример объяснения:

Учителю важно показать, что в любой системе энергия преобразуется, но не вся энергия может быть использована для выполнения работы. Например, при сгорании топлива в двигателе часть энергии превращается в тепло, которое теряется в окружающую среду. Таким образом, задача повышения энергетической эффективности заключается в том, чтобы минимизировать эти потери.

Простая модель для объяснения этого принципа — это демонстрация работы обычной лампы накаливания и энергосберегающей лампы. Ученики могут измерить потребляемую мощность каждой лампы и сравнить их яркость, что наглядно продемонстрирует эффективность разных технологий в использовании электрической энергии.

Энтропия и потеря энергии

Второй закон термодинамики связан с понятием энтропии, что указывает на то, что при любом преобразовании энергии часть её неизбежно теряется в виде тепла. Это является важным аспектом для объяснения, почему стопроцентное использование энергии невозможно, и почему повышение эффективности требует учета термодинамических ограничений.

Пример объяснения:

Учитель может объяснить концепцию энтропии, используя повседневные примеры. Например, когда автомобиль работает, энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, не только движет машину, но и рассеивается в окружающую среду в виде тепла. Это неизбежный процесс, и никакие технологии не смогут полностью исключить потери энергии, хотя их можно минимизировать.

Для закрепления темы можно провести эксперимент с тепловым двигателем (например, модель двигателя Стирлинга), демонстрируя учащимся, что часть энергии всегда теряется, и обсуждая, как это влияет на эффективность реальных систем, таких как двигатели внутреннего сгорания или электростанции.

Практические примеры и задачи

Для эффективного изучения вопросов энергетической эффективности учителю физики следует использовать практические примеры и задачи, которые демонстрируют применение термодинамических законов в реальной жизни. Вот несколько предложений:

Задача о КПД двигателя. Рассчитать коэффициент полезного действия (КПД) автомобиля или электростанции, используя формулу

где 𝐴— полезная работа, а 𝑄1 — количество поступившей энергии. Это поможет учащимся понять, что даже в лучших системах потери энергии неизбежны.

Эксперимент с холодильником. Провести эксперимент, измеряя температуру внутри и снаружи холодильника. Это может помочь учащимся понять, что для поддержания низкой температуры внутри требуется постоянный приток энергии, который компенсирует тепловые потери.

Сравнение источников энергии. Проанализировать, насколько эффективно используются различные источники энергии (солнечная, ветровая, гидроэнергия) по сравнению с традиционными, такими как уголь или нефть. Учащиеся могут исследовать влияние каждого источника энергии на окружающую среду и их эффективность.

Энергетическая эффективность и устойчивое развитие

Связь энергетической эффективности с устойчивым развитием — это еще одна важная тема для обсуждения на уроках физики. Энергетическая эффективность помогает снизить нагрузку на природные ресурсы, уменьшить выбросы углерода и предотвратить дальнейшее истощение энергоресурсов планеты. Это объясняет, почему переход к более эффективным и чистым источникам энергии, таким как солнечные панели, ветрогенераторы или тепловые насосы, является необходимым для решения глобальных проблем экологии.

Пример объяснения:

Учитель может предложить учащимся исследовать влияние использования различных источников энергии на экосистемы. Например, можно обсудить, как использование ископаемого топлива увеличивает выбросы парниковых газов, и почему переход к возобновляемым источникам энергии помогает снизить негативное воздействие на климат.

Также можно предложить проектное задание, в рамках которого ученики разработают план повышения энергоэффективности школы или дома, исследуя возможные способы экономии энергии: замена освещения на светодиодное, установка теплоизоляции, использование энергосберегающих приборов и так далее.

Интерактивные методы обучения

Для более глубокого вовлечения школьников в изучение вопросов энергетической эффективности и термодинамики учителям стоит применять интерактивные методы обучения. Среди них можно выделить следующие:

Моделирование и симуляции. Использование компьютерных программ для моделирования термодинамических процессов и работы тепловых двигателей поможет учащимся лучше понять, как энергетические системы работают в реальности.

Групповые проекты. Создание проектов по разработке энергоэффективных технологий может стать интересным практическим занятием, развивающим как научные, так и инженерные навыки учащихся.

Дискуссии и дебаты. Обсуждение вопросов устойчивого развития и энергетической безопасности может стимулировать критическое мышление и формирование экологически ответственной позиции у школьников.

Энергетическая эффективность — это тема, тесно связанная с законами термодинамики, которая играет важную роль в современном мире. Объясняя школьникам важность рационального использования энергии через призму физических законов, учителя способствуют развитию у них осознанного отношения к природным ресурсам и экологическим проблемам. Понимание процессов, связанных с энергией, не только развивает научное мышление учащихся, но и формирует у них важные жизненные навыки, необходимые для решения глобальных задач будущего.

Список литературы

Каримов М. Ф., Кашапова Ф. Ф. Проектирование и реализация уроков физики в свете информационного моделирования действительности // Инновационная наука. 2018. №11. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/proektirovanie-i-realizatsiya-urokov-fiziki-v-svete-informatsionnogo-modelirovaniya-deystvitelnosti

Кирюхина Наталия Владимировна, Вадиянц Галина Рифатовна, Петрушин Антон Александрович ИСследование представлений об энергоэффективности и энергосбережении у выпускников школ в контексте оценки естественнонаучной грамотности // Проблемы современного педагогического образования. 2021. №70-1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-predstavleniy-ob-energoeffektivnosti-i-energosberezhenii-u-vypusknikov-shkol-v-kontekste-otsenki-estestvennonauchnoy

Кирюхина Наталия Владимировна, Петрушин Антон Александрович Формирование представлений об энергоэффективности и энергосбережении при обучении физике в школе на примерах из региональной практики // Педагогический вестник. 2020. №16.