- Một thí dụ đơn cử là động cơ nhiệt Stirling được chế tạo từ những vật liệu rẻ tiền. - Động cơ Stirling minh họa được rất nhiều kiến thức Vật lí. - Hơn thế nữa, nó cũng rất có ích trong việc giúp học sinh hăng hái tham gia thiết kế và chế tạo các loại động cơ từ đơn giản đến phức tạp. - Từ khóa: động cơ nhiệt, động cơ Stirling, quá trình dạy học. - Đặt vấn đề đ i sống nh ng chỉ đ ợc giảng giải mà Trong ch ơng trình Vật lí trung học không có những thí nghiệm hay mô hình phổ thông n ớc ta, các kiến thức về cơ động cơ hoạt động cho học sinh nghiên học và một số kiến thức về điện từ học cứu. - Để giải quyết vấn đề đó, động cơ đ ợc giảng dạy, minh họa bằng những thí Stirling là một thiết bị dạy học minh họa nghiệm rất trực quan trên lớp và đ ợc rất trực quan cho các khái niệm cơ bản thực hành phòng thí nghiệm. - Động cơ Stirling đ ợc chế tạo bằng nhiệt động lực học chỉ đ ợc giảng dạy vỏ lon, chai nhựa và những vật liệu đơn chủ yếu về mặt lí thuyết. - Đặc biệt là giản khác sẽ thu hút học sinh tham gia ch ơng “Cơ s của nhiệt động lực học” thảo luận, và hơn nữa các em có thể tự trong ch ơng trình Vật lí 10 với nhiều tay chế tạo dựa trên các kiến thức đã học. - xuất cách chế tạo động cơ Stirling từ vỏ trong, khí (tác nhân sinh công) bên trong lon, chai nhựa và các vật liệu đơn giản, xi-lanh của động cơ Stirling là một khối (3) đề xuất một ph ơng án dạy ch ơng khí cô lập và không bị đốt cháy, do đó “Cơ s của nhiệt động lực học” với động không tiêu thụ nhiên liệu và xả khí thải ra cơ Stirling đã chế tạo. - Giới thiệu về động cơ Stirling cơ Stirling là sạch thì đây là loại động cơ Động cơ Stirling, đ ợc phát minh thân thiện với môi tr ng hơn rất nhiều b i Robert Stirling vào cuối thế kỉ XIX, so với các loại động cơ tiêu thụ nhiên là một loại động cơ nhiệt hoạt động dựa liệu, xả khí thải ra môi tr ng. - Động cơ trên nguyên lí biến nhiệt l ợng thành Stirling cũng ít gây ra ô nhiễm tiếng ồn vì công. - Có hai loại động cơ nhiệt phổ biến nó không có các van lấy khí và xả khí, là động cơ đốt trong và động cơ đốt không có giai đoạn đánh lửa đốt cháy ngoài. - Động cơ đốt trong sử dụng nhiên nhiên liệu, đây là những nguồn chính gây liệu đ ợc đốt cháy bên trong xi-lanh của ra ô nhiễm tiếng ồn của các loại động cơ động cơ, trong khi đó, động cơ đốt ngoài đốt trong hiện nay [5]. - Và đặc biệt, động sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài để đốt cơ Striling có thể dùng trong dạy học để nóng tác nhân sinh công bên trong động minh họa một cách trực quan các kiến cơ. - Nguyên lí hoạt động của động cơ sinh ra do phân hủy các chất hữu cơ… Stirling Động cơ Stirling thuộc loại động cơ đốt Động cơ Stirling hoạt động theo ngoài, tất cả các động cơ Stirling hoạt một chu trình gồm bốn giai đoạn, mỗi động đều đòi hỏi sự chênh lệch nhiệt độ giai đoạn là một quá trình thuận nghịch, đ ợc tạo ra từ một vùng tiếp xúc với và cả bốn quá trình thuận nghịch này tạo nguồn nóng và một vùng khác trên động nên chu trình Stirling nh hình 1. - Khác với động cơ đốt p Hình 1. - kiểu pit-tông tự do nh hình 2 có thể sử trữ nhiệt l ợng QC của khí khi nó đ ợc dụng trong dạy học các tr ng phổ làm lạnh từ nhiệt độ TH đến TC. - Động cơ Stirling loại này có một vị trí 3, toàn bộ l ợng khí đang pit-tông nhỏ gọi là pit-tông truyền lực vùng lạnh, lúc này khí sẽ co lại và kéo gắn liền với một xi-lanh nhỏ hoặc một pit-tông truyền lực đi xuống (đ ng 3Æ4 lớp màng cao su (tùy tr ng hợp động cơ trên hình 2). - một vị trí 4, pit-tông truyền lực di pít-tông thứ hai nằm bên trong, không chuyển chậm và bị nén hoàn toàn vị trí khít chặt với một xi-lanh lớn khác, gọi là thấp nhất của quỹ đạo (khối khí có thể pít-tông tự do. - Vai trò của pit-tông này là tích nhỏ nhất V1). - Pit-tông tự do di di chuyển khối khí bên trong xi-lanh lên chuyển lên trên và đẩy khối khí xuống xuống giữa hai vùng có nhiệt độ khác vùng nóng. - Khi khối khí lạnh đi ngang nhau trên động cơ, một vùng đ ợc nguồn qua pit-tông tự do, nó sẽ nhận lại nhiệt nhiệt nung nóng và một vùng đ ợc làm l ợng QH đã trữ tr ớc đó (đ ng 4Æ1 mát. - Động cơ Stirling khi hoàn động cơ đ ợc nung nóng bằng một ngọn tất chu trình sẽ tr về vị trí 1, và cứ thế lửa và phía trên đ ợc làm mát bằng n ớc lặp đi lặp lại [7]. - Những ưu điểm của động cơ tông đ ợc liên kết với nhau sao cho Stirling có thể ứng dụng trong dạy học chuyển động của chúng lệch pha nhau • Về đặc điểm cấu t o: 900 để khi pit-tông truyền lực đang di - Mô hình động cơ nhiệt đ ợc sử chuyển chậm lên vị trí cao nhất hoặc thấp dụng trong dạy học Vật lí hiện nay là mô nhất thì pit-tông tự do điểm giữa của hình của động cơ đốt trong. - liệu bên trong máy nên không thể minh vị trí 1 của hình 2, pit-tông tự do họa cụ thể quá trình này cho học sinh. - đang vị trí trên cùng, lúc này l ợng khí Trong khi đó, động cơ Stirling với nguồn sẽ chiếm chỗ vùng nóng đang nhiệt độ cung cấp nhiệt l ợng bên ngoài sẽ khắc TH. - Học sinh sẽ đẩy pit-tông truyền lực di chuyển lên phân biệt rõ trên động cơ Stirling: bộ nào phía trên (đ ng 1Æ2 trên hình 2). - là nguồn nóng, bộ nào là nguồn lạnh, và vị trí 2, pit-tông truyền lực vị thấy rõ quá trình khí nhận nhiệt l ợng từ trí cao nhất của quỹ đạo chuyển động nguồn nóng sinh công lên pit-tông rồi (khối khí đạt thể tích lớn nhất V2). - đoạn pit-tông truyền lực di chuyển chậm - Không nh những mô hình động cơ lên vị trí cao nhất đ ợc xem nh quá đốt trong chỉ dùng để giải thích nguyên lí trình đẳng tích (đ ng 2Æ3 trên hình 2). - hoạt động, học sinh có thể quan sát sự Pit-tông tự do lúc này di chuyển đến hoạt động của động cơ Stirling. - Cụ thể, vùng nóng, đẩy khí di chuyển lên vùng Với loại động cơ Stirling dùng trong dạy lạnh. - Trong thiết kế này, pit-tông tự do sẽ học sử dụng nguồn nóng nhiệt độ thấp 77 Tạp chí KHOA H C ĐHSP TPHCM Số 39 năm 2012. - (cỡ nhiệt độ của tách trà nóng) thì thân nguyên lí hoạt động của động cơ Striling nói riêng, và động cơ nhiệt nói chung. - Về phát triển t duy sáng t o cho xi-lanh có thể làm từ những vật liệu bằng nhựa trong suốt. - Học sinh có thể quan sát pit-tông chuyển động bên trong xi-lanh h c sinh: u điểm nổi bật của mô hình động • Về nh ng ứng d ng trong d y h c: giữa nguồn nóng và nguồn lạnh. - cơ Stirling là có thể chế tạo từ những vật Thoạt nhìn, sự giải thích nguyên lí liệu đơn giản nh chai nhựa, vỏ lon… hoạt động của động cơ Stirling có vẻ đơn Học sinh có thể tự mình chế tạo các mô giản, nh ng khi đi sâu vào chi tiết, ta sẽ hình động cơ Stirling loại pit-tông tự do thấy xuất hiện nhiều vấn đề Vật lí ẩn từ đơn giản đến phức tạp qua sự h ớng chứa trong đó. - Quá trình chế tạo hoạt động của động cơ Stirling, học sinh động cơ sẽ giúp học sinh phát triển t sẽ gặp lại hai khái niệm nhiệt l ợng (khí duy sáng tạo, rèn luyện kĩ năng làm việc nhận nhiệt l ợng QH) và nhiệt độ (nguồn nhóm, tìm kiếm kiến thức từ nhiều nguồn nóng nhiệt độ TH, và nguồn lạnh nhiệt thông tin, tìm ra những giải pháp kĩ thuật độ TC). - Đây là hai khái niệm cơ bản của để nâng cao hiệu suất của động cơ. - nhiệt học mà học sinh đã đ ợc học từ cấp Tóm lại, động cơ Stirling đóng vai trung học cơ s , nh ng học sinh rất hay trò là một thiết bị dạy học vừa giúp giáo nhầm lẫn giữa hai khái nhiệm này nên viên minh họa một cách trực quan sinh qua việc giải thích nguyên lí hoạt động động các kiến thức Vật lí của ch ơng của động cơ Stirling, ta cần phải nhấn “Cơ s của nhiệt động lực học”, vừa kích mạnh sự khác nhau về ý nghĩa Vật lí giữa thích học sinh vận dụng kiến thức đã học nhiệt l ợng và nhiệt độ. - vào thực tiễn thông qua việc chế tạo các - Quá trình nghiên cứu nguyên lí hoạt mô hình động cơ Stirling mà các em đã động của động cơ Stirling sẽ nảy sinh đ ợc quan sát và tìm hiểu. - Xây d ng đ ng c Stirling từ vỏ l ợng từ nguồn nóng sẽ dãn n và sinh lon, chai nh a và các v t li u đ n gi n công đẩy pit-tông đi lên. - Vấn đề này sẽ Có hai mẫu động cơ Stirling loại dẫn dắt học sinh đến việc vận dụng pit-tông tự do có thể chế tạo dùng trong những kiến thức phần cơ học để tính dạy học: loại hoạt động nhiệt độ thấp công mà khối khí thực hiện. - và loại hoạt động nhiệt độ cao. - Động cơ Stirling loại pit-tông tự do, học sinh sẽ đ ợc giới thiệu về nội năng, nh hình 2, hoạt động với nguồn nóng có nguyên lí I, nguyên lí II của nhiệt động nhiệt độ thấp (hơi nóng của tách n ớc lực học và hiệu suất của động cơ nhiệt, sôi…) có thể đ ợc chế tạo hoàn toàn từ đây là những kiến thức trọng tâm của những dụng cụ rẻ tiền. - Sau khi nghiên cứu những kiến • Xi-lanh lớn là bộ phận chứa pit- tạo chính: thức Vật lí liên quan, học sinh sẽ vận dụng những kiến thức này để giải thích tông tự do, hai đáy của xi-lanh đ ợc đóng 78 Tạp chí KHOA H C ĐHSP TPHCM Phan Minh Tiến. - những lon đồ hộp, phần thân xi-lanh hình - Động cơ Stirling loại pit-tông tự do trụ có thể lấy từ những ống nhựa lớn hoạt động với nguồn nóng có nhiệt độ (dùng đề làm ống thoát n ớc m a) hay cao (đun bằng nến hay đèn cồn) có thể các chai nhựa đựng n ớc ngọt loại lớn. - đ ợc chế tạo từ các loại vỏ lon và các vật Pit-tông tự do có thể tận dụng từ những dụng rẻ tiền. - mẫu động cơ này, ta có • Xi-lanh nhỏ chứa pit-tông truyền miếng xốp. - thể thay xi-lanh chứa pit-tông truyền lực bằng lớp màng cao su (có thể lấy từ bong lực: Xi-lanh và pit-tông này có thể lấy từ bóng). - Cơ chế hoạt động của động cơ loại các ống đồng mua các cửa hàng bán vật này nh sau: liệu cũ. - Khi lon kim loại đ ợc truyền tr ợt bên trong ống còn lại, ống này ta sẽ nhiệt l ợng, áp suất của khối khí tác dụng bịt kín hai đầu để làm pit-tông truyền lực. - Trục quay có thể lấy từ dây đồng và khi đ ợc làm lạnh đi thì màng sẽ co lại. - Bánh đà có thể lấy từ đĩa a) b) c) d) Hình 3. - Cấu tạo động cơ Stirling loại pit-tông tự do với nguồn nóng có nhiệt độ cao Tiếp theo, cho pit-tông vào bên hình 3b. - Pit-tông di chuyển xuống d ới, trong lon kim loại, pit-tông phải có phần không khí lạnh sẽ chiếm đầy thể đ ng kính nhỏ hơn đ ng kính của lon tích phía trên, màng cao su sẽ co lại nh kim loại để khi pit-tông hoạt động, nó sẽ hình 3c. - Pit-tông có đ ng kính nhỏ hơn dễ dàng di chuyển khối khí lên xuống. - lon có thể di chuyển tự do, đẩy khối khí Phần đáy lon đ ợc nung nóng và phần bên trong xi-lanh lên xuống, làm thay đổi trên đ ợc làm lạnh. - Khi có sự chênh lệch áp suất nên pit-tông này gọi là pit-tông tự nhiệt độ, ta dùng tay di chuyển pit-tông do. - Ta nối pit-tông tự do với với trục lên xuống. - Vào th i điểm pit-tông di quay đ ợc bẻ nh hình 3a, khi trục quay chuyển lên trên, khí bên trong lon đ ợc quay sẽ làm di chuyển pit-tông lên nung nóng và chiếm đầy phần thể tích xuống, làm màng cao su dãn ra hoặc co phía d ới lon, màng cao su dãn ra nh lại. - Động cơ Stirling sẽ chuyển đổi sự co 79 Tạp chí KHOA H C ĐHSP TPHCM Số 39 năm 2012. - Để động cơ khi hoàn thành có thể nh hình 4. - Động cơ Stirling làm từ vỏ lon, chai nhựa và các vật liệu đơn giản 4. - Sử d ng đ ng c Striling trong - Để làm nổi bật những ứng dụng quá trình d y h c thực tế của ch ơng, bài học sẽ đ ợc m Qua việc nghiên cứu về động cơ đầu với phần giới thiệu tổng quát về lịch Stirling, học sinh có thể hiểu hết các khái sử phát triển của động cơ nhiệt, phân loại niệm Vật lí của ch ơng “Cơ s của nhiệt động cơ nhiệt, các bộ phận chính của một động lực học” Vật lí 10. - Đồng th i, học động cơ nhiệt. - Sau đó, giáo viên biểu sinh cũng có thể tự tay chế tạo các động diễn tr ớc lớp hai mô hình động cơ cơ Stirling từ đơn giản đến phức tạp bằng Stirling đang hoạt động, một động cơ các vật dụng đơn giản. - Vì thế, ta có thể hoạt động với nguồn nóng là cốc n ớc sử dụng động cơ Stirling trong nhiều sôi và một động cơ hoạt động với nguồn ph ơng pháp dạy học mới nh dạy học nóng đ ợc đun trực tiếp từ đèn cồn. - Để dựa trên vấn đề, dạy học dự án, hoặc sử học sinh hiểu rõ hơn về các kiến thức đã dụng trong các hoạt động ngoại khóa chế đ ợc giới thiệu, giáo viên yêu cầu học tạo đồ dùng dạy học… sinh phân biệt giữa động cơ đốt trong và Theo phân phối ch ơng trình Vật lí động cơ đốt ngoài. - Dựa vào câu trả l i 10 ban cơ bản hiện hành, ch ơng “Cơ s của học sinh, giáo viên khẳng định lại của nhiệt động lực học” gồm ba tiết lí kiến thức đúng và cho học sinh biết hai thuyết và một tiết bài tập. - Ta có thể sử mô hình động cơ nhiệt vừa quan sát là dụng động cơ Stirling để xây dựng các động cơ đốt ngoài. - Sau đó giáo viên yêu hoạt động dạy học cho ch ơng này nh sau: cầu học sinh nêu các bộ phận chính của động cơ vừa quan sát và chỉ rõ cho học 80 Tạp chí KHOA H C ĐHSP TPHCM Phan Minh Tiến. - nguồn lạnh có tác dụng nh thế nào, khối - Để giải thích về công mà hệ sinh ra, khí chứa trong xi-lanh có nhiệm vụ gì ta xét khối khí trong một xi-lanh hình trụ trong quá trình hoạt động của động cơ? dãn n và làm cho pit-tông dịch chuyển. - Dựa vào các kiến thức đã học phần Pit-tông có diện tích bề mặt là A và áp nhiệt học, học sinh tham gia thảo luận và suất khí là p, lực khí tác dụng lên pit-tông phát biểu ý kiến của mình. - Nếu độ dịch chuyển của làm rõ khối khí bên trong xi-lanh động cơ pit-tông là dl=dxi, khi đó công dW do khí là khối khí cô lập đ ợc pit-tông tự do di thực hiện là dW=F.dl=pAdx. - Mặc dù dV là thể tích biến cung cấp nhiệt l ợng cho khối khí bên thiên vô cùng bé, nh ng đối với học sinh trong xi lanh sinh công đẩy pit-tông đi trung học, dV có thể xem là ∆V = V2 − V1 . - lên, do pit-tông tự do không khít với xi- Lúc đó, W = p.∆V là công mà khí thực lanh nên khí sẽ dồn về phía nguồn lạnh. - giữa nhiệt l ợng và nhiệt độ để tránh sự nhầm lẫn cho học sinh. - Trong - Dựa vào nguyên lí I, học sinh có thể xem xét đặc điểm của một số quá trình thực tế, nhiều quá trình nhiệt động lực nhiệt động lực học. - Để giải quyết vấn đề này, Lúc đó, công mà khí thực hiện vẫn đ ợc giáo viên giới thiệu cho học sinh nguyên tính bằng diện tích hình giới hạn b i lí II của nhiệt động lực học thông qua đ ng biểu diễn quá trình và trục hoành, cách phát biểu của Clausius và Carno. - ví dụ nh giản đồ hình 5b, phần diện tích Sau đó, giáo viên h ớng dẫn học sinh tô đậm phía d ới đ ng cong chính bằng thiết lập biểu thức tính hiệu suất của động công mà khí thực hiện [3], [4]. - Tiếp theo học sinh sẽ đ ợc giới công W do động cơ sinh ra là công có ích thiệu về nội năng, và mối liên hệ giữa nội khi cung cấp nhiệt l ợng QH cho động năng, nhiệt l ợng và công thông qua cơ. - Trong động cơ vĩnh cửu, toàn bộ nguyên lí I của nhiệt động lực học. - nhiệt l ợng cung cấp này sẽ đ ợc chuyển Nguyên lí I nhiệt động lực học có thể hóa thành công W, khi đó QC = 0. - Tuy đ ợc giới thiệu bằng cách xem xét hai nhiên, động cơ vĩnh cửu về mặt lí thuyết tr ng hợp. - Tr ng hợp thứ nhất, nếu đ ợc chứng minh là không tồn tại, và QC cung cấp nhiệt l ợng cho một hệ với thể không thể nào bằng không vì luôn có tích không đổi (không có thực hiện nhiệt l ợng tỏa ra từ động cơ. - Từ đó, ta công), thì nội năng sẽ tăng lên đúng bằng có thể định nghĩa hiệu suất của động cơ nhiệt l ợng cung cấp ∆U = Q . - Trong đó, W là phần hợp thứ hai, khi khối khí dãn n và đẩy QH pit-tông, nếu không cung cấp nhiệt l ợng năng l ợng mà ta lấy ra từ động cơ và QH hoặc không có sự tỏa nhiệt ra môi tr ng là phần năng l ợng cung cấp cho động xung quanh, thì độ tăng nội năng của hệ cơ. - Vì động cơ nhiệt hoạt động theo chu đúng bằng công mà hệ thực hiện ∆U = W . - Ta có thể phát biểu nh hóa thành công đ ợc tính b i QH − QC [4]. - Quy ớc về dấu: Q > 0 khi hệ cơ Stirling lí t ng (hoặc động cơ hoạt nhận nhiệt l ợng, Q < 0 khi hệ tỏa nhiệt động theo chu trình Carnot) là: Q − QC ε= H = 1− C . - Sau khi tìm hiểu hết các kiến thức nguồn nóng và nguồn lạnh đóng vai trò Vật lí của ch ơng, để củng cố lại kiến quan trọng đối với hiệu suất của động cơ. - thức, giáo viên yêu cầu học sinh vận - Giao việc về nhà: phân chia học dụng các kiến thức đã học, trình bày lại sinh thành bốn nhóm, với th i gian một nguyên lí hoạt động của động cơ Stirling. - tuần, các nhóm chế tạo động cơ Stirling Đồng th i dựa trên sự khác biệt giữa hai loại pit-tông tự do từ các dụng cụ đơn loại nguồn nóng sử dụng trong động cơ giản. - Thuyết trình tr ớc lớp cách chế tạo Stirling đã trình diễn phần giới thiệu động cơ của nhóm mình. - Đội nào chế tạo đầu ch ơng, giáo viên nhấn mạnh với đ ợc động cơ Stirling hoạt động với hiệu học sinh rằng sự chênh lệch nhiệt độ giữa suất (số vòng quay trong một phút) cao nhất sẽ giành chiến thắng. - Học sinh lớp 10A1 trường Trung học Thực hành Đại học Sư phạm TPHCM thuyết trình về động cơ Stirling 5. - Kết lu n trong quá trình dạy học là hoạt động Mẫu động cơ Stirling loại pit-tông mang nhiều ý nghĩa: tăng c ng tính trực tự do đ ợc chế tạo từ vỏ lon, chai nhựa quan, góp phần nâng cao chất l ợng kiến và các vật dụng rẻ tiền là một thiết bị dạy thức, nâng cao năng lực t duy độc lập và học rất hữu ích, nó giúp làm rõ các khái sáng tạo của học sinh. - Nó giải quyết đ ợc niệm nhiệt động lực học, hơn thế nữa học một phần khó khăn về sự thiếu hụt đồ sinh có thể tự tay chế tạo loại động cơ dùng dạy học và tạo điều kiện cho học này. - Qua đó, học sinh có thể củng cố lại sinh tự lực học tập nhiều hơn. - Nói năng lực hoạt động trí tuệ, kinh nghiệm rộng hơn, việc giáo viên và học sinh tự thực tiễn và kĩ năng hợp tác của học sinh