Lý thuyết động cơ nhiệt | Khái niệm, phân loại, cấu tạo & hiệu suất

Trong các thiết bị xe máy, ô tô, tàu thủy… cho đến những nhà máy điện nguyên tử, tàu vũ trụ… đều đang sử dụng các thiết bị động cơ nhiệt. Vậy động cơ nhiệt là gì? Nó có nguyên tắc hoạt động và có cấu tạo như thế nào? Để trả lời cho những câu hỏi này, mời các bạn cùng tìm hiểu nội dung dưới dây.

Khái niệm động cơ nhiệt là gì? Hoạt động như thế nào? 

Chú thích: 

• Nhiệt năng là nguồn nhiệt được tạo ra do các phân tử của vật chuyển động.
• Cơ năng là nguồn năng lượng của các chuyển động cơ học với 2 hình thức chuyển động là thế năng và động năng.

Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt:

Các động cơ nhiệt phần lớn có nguyên lý hoạt động dựa trên cảm ứng điện từ. Nhưng có một số loại động cơ hoạt động dựa trên các nguyên lý khác. 

Động cơ nhiệt có mấy loại – cho ví dụ 

Động cơ nhiệt hiện nay được sử dụng rộng rãi nhất gồm:

• Động cơ đốt trong (ICE) là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ. Ví dụ: xe máy, ô tô, xe lửa, máy bay, tên lửa,…

• Động cơ đốt ngoài là động cơ được cấp nhiệt năng từ bên ngoài và sử dụng bằng cách đốt nóng trong nguồn bên ngoài, thông qua thành động cơ hoặc bộ trao đổi nhiệt. Ví dụ: máy hơi nước, tua bin hơi,…

Cấu tạo chung của động cơ nhiệt 

Cấu tạo chung của động cơ nhiệt gồm ba bộ phận cơ bản sau đây: 

• Nguồn nóng sẽ cung cấp nhiệt lượng để tác nhân nóng lên.

• Bộ phận phát động gồm các thiết bị tác động và tác nhân giãn nở sinh công.

• Nguồn lạnh dùng để thu nhiệt lượng của tác nhân để tác nhân nguội đi, trở lại trạng thái ban đầu (ống xả).

Trong máy hơi nước thì nguồn nóng là bộ phận đánh lửa, bộ phận phát động là xilanh và piston, nguồn lạnh là bình ngưng hơi. Động cơ đốt trong và nguồn nóng là hỗn hợp nhiên liệu được đốt cháy trong xilanh, các khí do nhiên liệu bị đốt cháy sinh ra dãn nở, thực hiện công, nguồn lạnh là khí quyển.

Tìm hiểu động cơ nổ 4 kỳ 

Động cơ 4 kỳ nó gồm bốn chu kỳ riêng biệt: nạp, nén, nổ, xả và được thực hiện khi piston dịch chuyển lên xuống trong một chu kỳ làm việc.

Động cơ có ưu điểm là tiết kiệm nhiên liệu, tăng tuổi thọ, momen và công suất lớn, đặc biệt lượng khí thải thải ra môi trường ít. Nhưng nó cũng có một số nhược điểm đó là cấu trúc phức tạp, khó chế tạo và giá thành cao hơn động cơ hai kỳ. Đồng thời khi dùng phải trang bị thêm nhiều thiết bị cồng kềnh khác.

Cấu tạo động cơ nổ 4 kỳ 

Động cơ nổ 4 kỳ bao gồm:

• Piston: Được đặt ở bên trong của động cơ, được sử dụng với vai trò giúp chuyển đổi năng lượng khi nhiên liệu được đốt cháy và giãn nở trong buồng đốt tới trục khuỷu thông qua thanh truyền. Piston sẽ chuyển động tịnh tiến xung quanh xilanh. Ở giữa piston và xilanh có bố trí các vòng segment.

• Trục khuỷu: Đây là bộ phận giúp piston từ chuyển động tròn sang chuyển động tịnh tiến.

• Thanh truyền: Là bộ phận giúp chuyển dao động đến trục khuỷu từ piston.

• Đối trọng: Được nằm trên trục khuỷu với mục đích làm giảm sự rung động được sinh ra do quá trình lắp ráp các bộ phận lại với nhau.

• Xupap nạp và xupap xả: Bộ phận này được con người ví như những cái van. Nó sẽ tự động mở ra cho hòa khí đi vào cũng như mở cho khí thải đi ra ngoài động cơ. 

• Bugi: Đây là bộ phận giúp đánh lửa đốt cháy hòa khí trong động cơ.

Chuyển vận 

Trình tự hoạt động của động cơ trong một chu kỳ gồm: 

Kỳ thứ I (kỳ nạp): Hút nhiên liệu

Khi piston di chuyển trên xuống dưới, áp suất trong xilanh sẽ giảm dẫn tới hỗn hợp nhiên liệu được hút vào trong xilanh. Cuối kỳ này thì xilanh chứa đầy hỗn hợp nhiên liệu và van nạp cũng sẽ đóng lại.

Kỳ thứ II (kỳ nén): Nén nhiên liệu

Ở kỳ này piston sẽ di chuyển từ dưới lên trên để đóng hòa khí lại. Do đó cả hai xupap sẽ cùng đóng lúc này và trục khuỷu thì vẫn quay 180 độ.

Kỳ thứ III (kỳ nổ): Đốt nhiên liệu

Khi piston lên đến điểm cao nhất thì hỗn hợp nhiên liệu bị nén với áp suất cao. Lúc này nhiệm vụ của bugi là đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu sẽ kèm theo tiếng nổ lớn và tỏa ra nhiệt.

Các chất khí mới tạo thành sẽ giãn nở, sinh công và đẩy piston xuống dưới. Cuối kỳ này khí thải sẽ được thải qua van xả để ra ngoài. 

Kỳ thứ IV (kỳ xả): Thoát khí

Lúc này theo quán tính thì piston sẽ di chuyển ngược lại là từ dưới lên trên, dồn hết khí trong xilanh ra ngoài van xả. Xupap nạp sẽ mở ra để có thể làm cho lượng khí thải được thoát ra ngoài.

Sau đó các kỳ của động cơ sẽ được lặp lại. Trong 4 chu kỳ thì chỉ có kỳ thứ 3 là sinh công còn các kỳ khác động cơ chuyển động nhờ đà của vô lăng.

Công thức tính hiệu suất động cơ nhiệt 

Hiệu suất động cơ nhiệt được xác định bằng tỉ số giữa phần nhiệt lượng đã chuyển hóa thành công cơ học và nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra.

Công thức tính hiệu suất: 

Trong đó: 

• H là hiệu suất của động cơ nhiệt. Đơn vị %.

• A là công mà động cơ thực hiện được (công này có độ lớn bằng phần nhiệt lượng chuyển hóa thành công). Đơn vị là Jun (J).

• Q là nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra. Đơn vị là Jun (J).

Ý nghĩa của động cơ nhiệt với đời sống con người

Ứng dụng của động cơ nhiệt đối với đời sống con người khá rộng rãi và phổ biến. Nhờ có nó mà hầu hết các ngành kinh tế hiện nay đều được phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là ngành sản xuất công nghiệp và phương tiện vận tải (ví dụ: ô tô, xe máy, máy bay, tàu ngầm,…)

Đối với ngành nông nghiệp, động cơ này được sử dụng vào sản xuất (ví dụ: máy cắt cỏ, máy cày, máy kéo,…)

Động cơ đốt trong là bộ phận không thể thiếu đối với sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất (ví dụ: máy phát điện và các loại máy móc của từng ngành)

Còn trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, chúng ta sẽ gặp nhiệt năng được sử dụng cho rất nhiều nhu cầu khác nhau như: để đun nấu thức ăn, cấp nước nóng, để làm lạnh, làm đông bảo quản thức ăn,…

Nhưng ở một khía cạnh khác nhiệt năng cũng đang một nguy cơ lớn mà con người phải đối mặt, đó là các nhiên liệu bị đốt cháy trong động cơ nhiệt đang làm ô nhiễm môi trường, làm cho nhiệt độ khí quyển tăng lên, gây ra ảnh hưởng tiêu cực đối với các sinh vật cũng như con người trên Trái đất. Ngoài ra nó còn là nguyên nhân gây ra những trận thiên tai mà chúng ta phải chịu trong những năm gần đây. 

Các nhà khoa học hiện nay cũng đang nghiên cứu việc khai thác năng lượng từ phản ứng nhiệt hạt nhân để giảm thiểu những tác động xấu mà nhiệt năng mang lại. 

Trong khi vẫn chưa tìm ra những nguồn nhiên liệu mới thay thế cho nhiệt năng, chúng ta phải sử dụng nó một cách tiết kiệm và hiệu quả nhất để có thể hạn chế tối đa mức độ ô nhiễm nhiệt cũng như ô nhiễm khí độc do các động cơ nhiệt gây ra.

Giải bài tập Vật lý 8 Bài 28: Động cơ nhiệt

Bài C1 (trang 99 SGK Vật Lý 8): Ở động cơ nổ 4 kì cũng như ở bất kỳ động cơ nhiệt nào khác có phải toàn bộ nhiệt lượng của nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra được biến thành công có ích không? Tại sao?

Hướng dẫn giải: 

Ở động cơ nổ 4 kì cũng như ở bất kì động cơ nhiệt nào khác không phải toàn bộ nhiệt lượng của nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra được biến thành công có ích. 

Vì sẽ có một phần nhiệt lượng của nhiên liệu bị đốt cháy được truyền đến các bộ phận của động cơ nhiệt làm cho các bộ phận này nóng lên, đồng thời lúc này một phần nữa thoát ra ngoài khí quyển theo khí thải làm cho khí quyển nóng lên.

Bài C2 (trang 99 SGK Vật Lý 8): Hãy phát biểu định nghĩa hiệu suất của động cơ nhiệt và nêu tên đơn vị của các đại lượng có mặt trong biểu thức trên.

Hướng dẫn giải: 

Hiệu suất của động cơ nhiệt được xác định bằng tỉ số giữa phần nhiệt lượng chuyển hóa thành công cơ học và nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra.

Trong biểu thức:

H = A/Q

H là hiệu suất của động cơ nhiệt (%)

A là công mà động cơ thực hiện được (J).

Q là nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra (J).

Bài C3 (trang 99 SGK Vật Lý 8): Các máy cơ đơn giản học ở lớp 6 có phải là động cơ nhiệt không? Tại sao?

Hướng dẫn giải: 

Các máy cơ đơn giản học ở lớp 6 không phải là động cơ nhiệt.

Vì trong quá trình hoạt động của các máy này không có sự chuyển hóa từ năng lượng của nhiên liệu nhiệt thành cơ năng.

Bài tập về động cơ nhiệt để học sinh luyện tập

Ngoài những bài tập trong sách giáo khoa Vật Lý 8, dưới đây là một số bài tập liên quan để các em có thể cùng nhau luyện tập:

Bài 1: Động cơ nhiệt là:

A. Động cơ trong đó toàn bộ phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyển hóa thành cơ năng.

B. Động cơ trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyển hóa thành nhiệt năng.

C. Động cơ trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyển hóa thành cơ năng.

D. Động cơ trong đó toàn bộ phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyển hóa thành nhiệt năng.

Kết luận 

Bài viết trên là những kiến thức và bài tập về động cơ nhiệt mà các bạn cần phải tìm hiểu trong chương trình Vật lí 8. Mong rằng những chia sẻ trên sẽ giúp mọi người có thể vận dụng vào đời sống. 

Ngoài ra, bạn có thể theo dõi trang kiến thức cơ bản để cập nhập cho mình những bài học mới nhất. Đừng quên ấn nút “chia sẻ bài viết” ở dưới bài đăng để cho bạn bè cũng như người thân quen nhận được giá trị hữu ích mà Wikihoc muốn mang lại nhé.