Động cơ nhiệt là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động & giải bài tập Vật Lý 8

Video bài giảng

Động cơ nhiệt là gì?

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.

Động cơ nhiệt hoạt động như thế nào?

Nguyên lý hoạt động của động cơ điện dựa trên tác dụng lực của dòng điện trong từ trường.

1. Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây (stator)

• Stator là cuộn dây quấn quanh lõi sắt non.

• Khi dòng điện đi qua, stator tạo ra từ trường mạnh.

• Roto (phần quay) nằm trong từ trường này sẽ chịu lực tác dụng và bắt đầu quay.

2. Lực từ làm roto quay – theo quy tắc bàn tay trái của Fleming

Hãy tưởng tượng bạn giơ bàn tay trái ra, ba ngón cái – trỏ – giữa vuông góc với nhau:

• Ngón trỏ: hướng từ trường

• Ngón giữa: hướng dòng điện

• Ngón cái: hướng lực tác dụng

→ Khi dòng điện chạy trong roto, mỗi cạnh của cuộn dây sẽ chịu lực ngược chiều nhau, tạo ra mô-men quay làm roto chuyển động liên tục.

3. Vì sao roto có thể quay đều mà không bị dừng?

Bởi vì động cơ có bộ cổ góp điện (commutator):

• Cổ góp giúp đảo chiều dòng điện mỗi nửa vòng quay.

• Nhờ vậy, lực từ tác dụng lên roto luôn theo cùng một chiều quay.

• Khi cuộn dây đi vào vị trí “song song với đường sức từ”, lực gần như bằng 0 – nhưng roto vẫn tiếp tục quay nhờ quán tính → sau đó dòng điện được đảo chiều → lực sinh ra trở lại → roto quay tiếp.

Động cơ nhiệt có mấy loại?

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: 

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

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

3. 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.

Động cơ nổ 4 kỳ là gì?

1. Động cơ nổ 4 kỳ là gì?

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.

2. 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.

3. Chuyển vận - Trình tự hoạt động

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.

Các bài viết không thể bỏ lỡ

Monkey Math - Ứng dụng học toán tiếng Anh chỉ với 2K/Ngày

Giải thích định luật về công dễ hiểu nhất | Vật lý 8 bài 14

Chuyển động cơ là gì? Chất điểm là gì? Lý thuyết & bài tập chi tiết (Vật lý 10)

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).

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 động cơ nhiệt Vật Lý 8 (nâng cao)

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.

FAQ - Những thắc mắc khác về động cơ nhiệt

1. Động cơ nhiệt có phải luôn dùng nhiên liệu để hoạt động không?

Có. Hầu hết động cơ nhiệt hoạt động nhờ đốt cháy nhiên liệu để tạo nhiệt năng.

2. Động cơ nhiệt và động cơ đốt trong có giống nhau không?

Động cơ đốt trong là một loại của động cơ nhiệt, nhưng động cơ nhiệt còn bao gồm cả máy hơi nước, tuabin khí,…

3. Vì sao động cơ nhiệt thường gây ô nhiễm môi trường?

Vì quá trình đốt cháy nhiên liệu tạo ra khí CO₂, CO và các chất độc hại khác.

4. Tại sao động cơ nhiệt bị nóng khi hoạt động lâu?

Vì chỉ một phần nhiệt năng chuyển thành cơ năng; phần còn lại tỏa ra môi trường làm máy nóng lên.

5. Động cơ nhiệt có hiệu suất cao không?

Không cao; đa số chỉ đạt 20–40% vì thất thoát nhiệt lớn.

6. Hiệu suất động cơ nhiệt là gì?

Là đại lượng cho biết phần nhiệt năng được biến thành cơ năng có ích.

7. Hiệu suất của động cơ nhiệt cho biết điều gì?

Cho biết động cơ sử dụng nhiệt năng hiệu quả đến mức nào.

8. Hiệu suất của động cơ nhiệt h được xác định bằng biểu thức?

h = (A / Q1) x 100%

Trong đó: A là công có ích, Q1 là nhiệt lượng nhận vào.

9. Trong thực tế, hiệu suất của động cơ nhiệt là bao nhiêu?

Thường thấp, chỉ khoảng 20–40% do thất thoát nhiệt lớn.

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.