Nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt

Chào mừng bạn đến với vatly.edu.vn, nơi chia sẻ đam mê vật lý. Hôm nay, chúng ta sẽ khám phá động cơ nhiệt – trái tim của nhiều phát minh kỹ thuật và động lực của công nghiệp hiện đại. Cùng tìm hiểu về hoạt động và ứng dụng của chúng trong cuộc sống hàng ngày và công nghiệp.

Tìm hiểu tổng quan về động cơ nhiệt

Khái niệm động cơ nhiệt

Động cơ nhiệt là loại động cơ có khả năng chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng. Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển đổi năng lượng từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác.

Nguyên lý hoạt động

Động cơ nhiệt hoạt động dựa trên chu trình nhiệt động lực học, bao gồm các giai đoạn sau:

• Nhiệt lượng được đưa vào động cơ: Nhiệt lượng này có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau như nhiên liệu đốt cháy, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, v.v.
• Nhiệt năng được chuyển đổi thành cơ năng: Một phần nhiệt năng được đưa vào động cơ sẽ được chuyển đổi thành cơ năng thông qua các bộ phận chuyển động như piston, turbine, cánh quạt, v.v.
• Nhiệt lượng bị thải ra môi trường: Một phần nhiệt năng còn lại sẽ bị thải ra môi trường xung quanh thông qua hệ thống làm mát.

Hiệu suất của động cơ nhiệt được xác định bởi tỷ lệ giữa cơ năng được tạo ra và nhiệt năng được đưa vào. Hiệu suất của động cơ nhiệt luôn nhỏ hơn 100% do một phần nhiệt năng luôn bị thất thoát ra môi trường.

Ví dụ về động cơ nhiệt

• Động cơ ô tô: Chuyển đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu (xăng, dầu) thành năng lượng cơ học để di chuyển xe.
• Máy phát điện: Chuyển đổi năng lượng nhiệt từ nhiên liệu (than đá, khí đốt) thành năng lượng điện.
• Máy điều hòa: Chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt để làm mát hoặc sưởi ấm không khí.

Các loại động cơ nhiệt 

• Động cơ đốt trong: Nhiên liệu được đốt cháy bên trong động cơ, tạo ra năng lượng nhiệt để đẩy piston di chuyển, tạo ra công cơ học. Ví dụ: xe máy, ô tô, xe tải, máy bay, tàu thuyền, máy phát điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, …
• Động cơ đốt ngoài: Nhiên liệu được đốt cháy bên ngoài động cơ, tạo ra năng lượng nhiệt đun sôi chất lỏng (thường là nước), hơi nước được tạo ra sẽ đẩy piston di chuyển, tạo ra công cơ học. Ví dụ: máy hơi nước, tua bin khí, nhà máy điện nhiệt điện, …

Ngoài ra, còn có một số loại động cơ nhiệt khác ít phổ biến hơn, như:

• Động cơ Stirling: Sử dụng sự giãn nở và co lại của khí do thay đổi nhiệt độ để tạo ra công cơ học.
• Động cơ Rankine: Sử dụng chu trình Rankine để biến đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ học.

Cấu trúc cơ bản của động cơ nhiệt

Động cơ nhiệt là loại động cơ biến đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ. Chúng ta có thể phân chia cấu tạo chung của động cơ nhiệt thành 3 bộ phận chính:

• Nguồn nóng: Cung cấp nhiệt lượng cho động cơ hoạt động. Nguồn nóng có thể là nhiên liệu đốt cháy (xăng, dầu, than đá,…), năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân,…
• Bộ phận phát động: Gồm hai thành phần là chất trung gian nhận nhiệt từ nguồn nóng và sinh công. Tác nhân thường là chất khí hoặc chất lỏng và các bộ phận như xi lanh, piston, trục khuỷu,… giúp biến đổi chuyển động của tác nhân thành công cơ học.
• Nguồn lạnh: Thu nhận nhiệt lượng do tác nhân tỏa ra sau khi sinh công, giúp tác nhân trở lại trạng thái ban đầu để tiếp tục chu trình hoạt động. Nguồn lạnh thường là môi trường xung quanh (không khí, nước,…).

Cấu tạo cụ thể của động cơ nhiệt có thể thay đổi tùy theo từng loại động cơ. Ví dụ:

• Động cơ hơi nước: Sử dụng nước làm tác nhân, có cấu tạo phức tạp hơn so với động cơ đốt trong.
• Động cơ đốt trong: Sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm tác nhân, có cấu tạo đơn giản hơn so với động cơ hơi nước.

Động cơ nổ 4 kỳ là gì?

Động cơ nổ 4 kỳ là loại động cơ hoạt động dựa trên 4 giai đoạn riêng biệt được thực hiện bởi sự chuyển động lên xuống của piston trong xi lanh. 4 giai đoạn này bao gồm: Kỳ nạp, kì nén, kỳ nổ, kỳ xả

Cấu tạo của động cơ nổ 4 kỳ:

• Xi lanh: Là bộ phận hình trụ, nơi piston di chuyển lên xuống.
• Piston: Là bộ phận di chuyển lên xuống trong xi lanh, có nhiệm vụ nén và đẩy hỗn hợp khí.
• Trục khuỷu: Là bộ phận nhận lực từ piston và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay.
• Bugi: Là bộ phận tạo ra tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và khí.
• Cửa nạp và cửa xả: Là các van đóng mở để điều khiển luồng khí vào và ra khỏi buồng đốt.

Công thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt

Hiệu suất hoạt động của động cơ nhiệt được đánh giá dựa trên tỷ lệ phần năng lượng nhiệt được chuyển đổi thành công cơ học so với tổng năng lượng nhiệt mà nhiên liệu cung cấp.

H = A / Q

Trong đó:

• H: Hiệu suất của động cơ nhiệt (đơn vị: %)
• A: Công có ích mà động cơ thực hiện (đơn vị: J)
• Q: Nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra (đơn vị: J)

Tầm quan trọng của động cơ nhiệt đối với cuộc sống con người

Động cơ nhiệt đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống con người, thể hiện qua các khía cạnh sau:

Chuyển đổi năng lượng:

• Động cơ nhiệt là thiết bị giúp chuyển đổi năng lượng từ dạng năng lượng nhiệt sang dạng năng lượng cơ học, tạo ra lực để vận hành các máy móc, thiết bị.
• Nhờ động cơ nhiệt, con người có thể khai thác hiệu quả các nguồn năng lượng như nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt), năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, v.v.

Động lực cho các phương tiện vận tải:

• Hầu hết các phương tiện vận tải hiện nay như ô tô, xe máy, tàu hỏa, máy bay, tàu thuyền đều sử dụng động cơ nhiệt để di chuyển.
• Nhờ động cơ nhiệt, con người có thể di chuyển nhanh chóng và thuận tiện hơn, thúc đẩy giao thương, kết nối và phát triển kinh tế.

Cung cấp năng lượng cho sản xuất công nghiệp:

• Động cơ nhiệt được sử dụng để vận hành các máy móc, thiết bị trong các nhà máy, xí nghiệp, góp phần vào quá trình sản xuất công nghiệp.
• Nhờ động cơ nhiệt, năng suất lao động được nâng cao, thúc đẩy sản xuất hàng hóa, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người.

Ứng dụng trong đời sống sinh hoạt:

• Động cơ nhiệt được sử dụng trong các thiết bị như máy phát điện, máy điều hòa, máy giặt, tủ lạnh, v.v., cung cấp năng lượng cho các hoạt động sinh hoạt của con người.
• Nhờ động cơ nhiệt, đời sống con người được cải thiện, nâng cao chất lượng cuộc sống.

Bài tập ứng dụng về động cơ nhiệt

Câu hỏi trắc nghiệm

Câu 1: Động cơ nhiệt là gì?

A .Máy biến đổi năng lượng từ nhiên liệu thành điện năng.

B. Máy biến đổi năng lượng từ nhiên liệu thành cơ năng.

C. Máy biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng.

D. Máy biến đổi năng lượng từ quang năng thành cơ năng.

Đáp án: B

Câu 2: Nhiên liệu của động cơ nhiệt là gì?

A. Nước.

B. Gió.

C. Xăng, dầu.

D. Than đá.

Đáp án: C

Câu 3: Năng lượng nào không phải là năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy trong động cơ nhiệt?

A .Năng lượng ánh sáng.

B. Năng lượng âm thanh.

C. Năng lượng nhiệt.

D. Năng lượng hóa học.

Đáp án: A

Câu 4: Hiệu suất của động cơ nhiệt là gì?

A. Tỉ số giữa công mà động cơ thực hiện và nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu.

B. Tỉ số giữa nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu và công mà động cơ thực hiện.

C. Tỉ số giữa nhiệt lượng mà động cơ tỏa ra môi trường và nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu.

D. Tỉ số giữa công mà động cơ thực hiện và nhiệt lượng mà động cơ tỏa ra môi trường.

Đáp án: A

Câu 5: Động cơ nào sau đây không phải là động cơ nhiệt?

A .Động cơ ô tô.

B. Động cơ máy giặt.

C. Động cơ quạt điện.

D. Động cơ tàu hỏa.

Đáp án: C

Câu 6: Trong các động cơ nhiệt, phần năng lượng nào không thể biến thành công?

A. Nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu.

B. Nhiệt lượng mà động cơ tỏa ra môi trường.

C. Năng lượng hóa học của nhiên liệu.

D. Năng lượng cơ học của động cơ.

Đáp án: B

Câu 7: Hiệu suất của động cơ nhiệt luôn nhỏ hơn 100% vì:

A. Một phần năng lượng của nhiên liệu bị hao phí dưới dạng nhiệt lượng.

B. Một phần năng lượng của nhiên liệu bị hao phí dưới dạng công.

C. Một phần năng lượng của nhiên liệu bị hao phí dưới dạng năng lượng ánh sáng.

D. Một phần năng lượng của nhiên liệu bị hao phí dưới dạng năng lượng âm thanh.

Đáp án: A

Câu 8: Để nâng cao hiệu suất của động cơ nhiệt, ta cần:

A. Giảm nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu.

B. Tăng nhiệt lượng mà động cơ tỏa ra môi trường.

C. Giảm nhiệt lượng mà động cơ tỏa ra môi trường.

D. Tăng công mà động cơ thực hiện.

Đáp án: C

Câu 9: Một động cơ nhiệt nhận được 1000J nhiệt lượng từ nhiên liệu, nhưng chỉ thực hiện được 200J công. Hiệu suất của động cơ là:

A. 20%.

B. 30%.

C. 40%.

D. 50%.

Đáp án: A

Câu 10: Một ô tô chạy được 100km với lực kéo trung bình là 700N, tiêu thụ hết 5 lít xăng (khoảng 4kg). Tính hiệu suất của động cơ ô tô. Biết năng suất tỏa nhiệt của xăng là 4,6.10^7J/kg.

Đáp án: 36,04%

Bài tập tự luận

Bài 1: Một ôtô chạy 100km với lực kéo không đổi là 700N thì tiêu thụ hết 6 lít xăng. Tính hiệu suất của động cơ ôtô.

Hướng dẫn chi tiết

Năng lượng do ô tô tiêu thụ: A = F.s = 700N.100000m = 70000000J

Năng lượng có ích: Q = m.q = 6kg.4,6.10^7J/kg = 276000000J

Hiệu suất của động cơ: H = (Q/A).100% = (276000000J/70000000J).100% = 40%

=> Vậy hiệu suất của động cơ ô tô là 40%.

Bài 2: Một máy bơm nước sau khi tiêu thụ hết 8kg dầu thì đưa được 700m3 nước lên cao 8m. Tính hiệu suất của máy bơm.

Hướng dẫn chi tiết

Năng lượng do máy bơm tiêu thụ: A = m.q = 8kg.4,6.10^7J/kg = 368000000J

Năng lượng có ích: Q = P.h.V = 1000kg/m^3.8m.700m^3 = 5600000J

Hiệu suất của máy bơm: H = (Q/A).100% = (5600000J/368000000J).100% = 1,5%

=> Vậy hiệu suất của máy bơm là 1,5%.

Bài 3: Với 2 lít xăng, một xe máy có công suất là 6kW chuyển động với vận tốc 36km/h. Tính quãng đường xe đi được.

Hướng dẫn chi tiết

Năng lượng do xe máy tiêu thụ: A = Q = m.q = 2kg.4,6.10^7J/kg = 92000000J

Năng lượng có ích: Q = P.t = 6000W.t

Quãng đường xe đi được: s = v.t = 36km/h.t = 10t (m)

Hiệu suất: H = (Q/A).100% = (6000W.t/92000000J).100% = 6,52%

Thay H = 6,52% vào ta có: 6,52% = (6000W.t/92000000J).100%

=> t = 4320s

=> s = 10t = 43200m = 43,2km

=> Vậy quãng đường xe đi được là 43,2km.

Bài 28.4: Động cơ của một máy bay có công suất 2.106W và hiệu suất 30%. Hỏi với 1 tấn xăng (năng suất tỏa nhiệt của xăng là 4,6.107J/kg), máy bay bay được quãng đường xa nhất là bao nhiêu?

Hướng dẫn chi tiết

Năng lượng do động cơ tiêu thụ: A = Q = m.q = 1000kg.4,6.10^7J/kg = 4,6.10^10J

Năng lượng có ích: Q = P.t = 2.10^6W.t

Quãng đường bay xa nhất: s = v.t = (Q/P) = (2.10^6W.t/2.10^6W) = t

Hiệu suất: H = (Q/A).100% = (2.10^6W.t/4,6.10^10J).100% = 30%

Thay H = 30% vào ta có: 30% = (2.10^6W.t/4,6.10^10J).100%

=> t = 4,6.10^10J/(2.10^6W.0,3) = 766666,67s

=> s = v.t = 766666,67s = 27600000m = 27600km

=> Vậy quãng đường bay xa nhất là 27600km.

Qua bài viết ngắn gọn này trên vatly.edu.vn, hy vọng bạn đã có cái nhìn rõ ràng hơn về động cơ nhiệt và vai trò của nó trong thế giới công nghệ. Động cơ nhiệt là cơ sở cho nhiều ứng dụng quan trọng, định hình cuộc sống hiện đại của chúng ta. Hãy tiếp tục theo dõi để khám phá thêm nhiều kiến thức vật lý thú vị. Cảm ơn bạn đã theo dõi!