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

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

Alice Nguyen
Alice Nguyen

12/06/20223 phút đọc

Mục lục bài viết

Kể từ cuối thế kỷ XVII khi James Watt chế tạo được chiếc máy hơi nước đầu tiên trên thế giới thì đến nay, con người đã có những bước tiến khổng lồ trong lĩnh vực chế tạo động cơ nhiệt và có thể nói động cơ nhiệt là động cơ được sử dụng rộng rãi nhất tính đến thời điểm hiện tại. Con người sử dụng từ những động cơ bé nhỏ để chạy xe gắn máy, ô tô, tàu thủy,... đến những động cơ nhiệt khổng lồ dùng trong việc phóng những con tàu vũ trụ, nhà máy điện nguyên tử,...

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.

Động cơ nhiệt là gì? Hoạt động như thế nào? 

Động cơ nhiệt là loại động cơ có một phần năng lượng bị đốt cháy chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng và được dùng trong việc thực hiện công cơ học.

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:

Hình ảnh minh họa về nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt. (Ảnh: Sưu tầm Internet)

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. 

Nếu có một dòng điện chạy qua stator (cuộn dây quấn xung quanh lõi được làm bằng sắt non), roto sẽ chịu tác động của lực từ. Khi đó, cạnh bị tác động một lực có chiều hướng lên trên là cực dương và ngược lại cạnh bên cực âm sẽ bị tác động của một lực có chiều hướng xuống dưới. Cơ chế này được hình thành theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming.

Hình ảnh quy tắc bàn tay trái. (Ảnh:Sưu tầm Internet)

Quy tắc bàn tay trái của Fleming: Nếu duỗi ngón tay thứ nhất, ngón thứ hai và ngón cái của tay trái vuông góc với nhau. Hướng của từ trường được sẽ được biểu thị bằng ngón thứ nhất, chiều của dòng điện được biểu thị bằng ngón thứ hai thì ngón tay cái biểu thị hướng của lực tác dụng bởi vật dẫn dòng điện.

Khi roto bị tác dụng bởi lực từ, roto sẽ bắt đầu quay. Tuy nhiên, để có thể duy trì được chuyển động này thì động cơ điện phải trang bị thêm một bộ cổ góp điện. Thiết bị này có thể chuyển mạch dòng điện sau một thời gian ứng với ½ chu kỳ quay. Roto sẽ không chịu tác dụng của lực từ mà nó sẽ quay theo quán tính khi mặt của cuộn dây nằm song song với các đường sức từ của từ trường.

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).

Hình ảnh cấu tạo của động cơ nhiệt. (Ảnh: Sưu tầm Internet)

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: 

Hình ảnh trình tự hoạt động của động cơ 4 kỳ. (Ảnh: Sưu tầm Internet)

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.

Xem thêm: Kiến thức về phương trình cân bằng nhiệt Vật lý 8 (có bài tập thực hành)

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: 

H = A/Q

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)

Hình ảnh ứng dụng động cơ nhiệt trong đời sống. (Ảnh: Sưu tầm Internet)

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. 

Hình ảnh động cơ tiêu cực của động cơ điện với môi trường. (Ảnh: Sưu tầm Internet)

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.

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 Monkey muốn mang lại nhé. 

Alice Nguyen
Alice Nguyen
Biên tập viên tại Monkey

Các chuyên gia trẻ em nói rằng thời điểm vàng uốn nắn con trẻ là khi bé còn nhỏ. Vì vậy tôi ở đây - cùng với tiếng Anh Monkey là cánh tay đắc lực cùng cha mẹ hiện thực hoá ước mơ của mình: “yêu thương và giáo dục trẻ đúng đắn”. Ước mơ của bạn cũng là ước mơ của chúng tôi cũng như toàn xã hội.

Bài viết liên quan

Bạn đang quan tâm đến các kiến thức nuôi dạy con đúng cách và hiệu quả?

Nhận tư vấn Monkey