Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm khoa học tự nhiên: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo học cụ chuyển hoá nhiệt năng thành điện năng để ứng dụng trong dạy học chủ đề “năng lượng và sự biến đổi” thuộc môn khoa học tự nhiên 6

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINHLÊ TRÀN GIA LINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KE VA CHE TẠO HỌC CỤ CHUYEN HOÁ NHIET NĂNG THÀNH ĐIỆN NANG DE UNG DỤNG TRONG DẠY HỌC

TP HO CHÍ MINH

NGHIEN CUU, THIET KE VA CHE TAO

HOC CU CHUYEN HOA NHIET NANG THANH DIEN NANG UNG DUNG TRONG DAY HỌC CHU DE “NANG LƯỢNG VA SỰ

BIEN DOI” THUOC MON KHOA HOC

TU NHIEN 6

KHOA LUAN TOT NGHIEP DAI HOC

NGANH SƯ PHAM KHOA HỌC TỰ NHIÊN

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH - 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

LÊ TRÀN GIA LINH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KE VA CHE TẠO

HỌC CỤ CHUYEN HOÁ NHIET NĂNG

THÀNH ĐIỆN NANG DE UNG DỤNG TRONG

DẠY HỌC CHU DE “NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ

BIEN DOI” THUỘC MON KHOA HỌC

KHOA LUẬN TOT NGHIỆP ĐẠI HỌCNGANH SƯ PHAM KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGƯỜI HƯỚNG DÁN KHOA HỌC

TS Nguyễn Lâm Duy

THÀNH PHO HO CHÍ MINH - 2024

LOI CẢM ON

Đề hoàn thành đề tai này, từ tận đáy lòng, em xin gửi lời cảm ơn đến quý thay

có đã ho trợ, giúp đỡ trong quá trình em thực hiện đề tài:

Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Lâm Duy - người trực tiếp hướng

dan khoa học đã luôn đành nhiều thời gian, công sức động viên, hướng dan em.

Thử hai, em xin cảm ơn đến tập thé các thay, cô giảng viên khoa Hóa hoc, khoa

Sinh học, khoa Vật lý - Trường Đại học Sư phạm Thành pho Hỗ Chí Minh, đã cungcấp cho em những kién thức nên tang cân thiết cho quá trình học tập, nghiên cứu délàm khoá luận, đặc biệt là TS Nguyễn Lâm Duy với những góp ý cho đê tài

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, người thân và bạn

bè đã luôn bên cạnh, động viên em trong suốt quá trình thực hiện dé tài Mac dù, đã

no lực rat nhiều, nhưng dé tài không tránh khỏi thiếu sót; em rất mong nhận được sự

thông cam, chi dan, giúp đỡ, đóng góp ý kiến từ các nhà khoa học, của quý thay cô

Xin chân thành cam on!

TP Hỗ Chi Minh, ngày 26 thang 04 năm 2024

SINH VIEN

Lé Tran Gia Linh

LOI CAM DOAN

Tôi cam đoan dé tài khoá luận tốt nghiệp “Nghién cứu, thiết kế và chế tạo học

cụ chuyển hoá nhiệt năng thành điện năng dé ứng dung trong day học chủ dé "Năng

hượng và sự biển doi” thuộc môn Khoa hoc tự nhiên 6” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dan của TS Nguyên Lâm Duy Kết quả trình bày trong đề tài là

DANE MUC CAC 6ƒ 24 00) j1 2v j0: (10 TT TT ng v

DANH WUC BANG Qoiiaiiiiatiiiiiiiiiiitdibbtoitiiit1404413031043134G510004448023363 vỉ

VAI TUG EEN ER AB es (ao ẽẼẽẼẰẽẰšẽĂẽẰẽẰẽšẰäĂằẽẰẽĂẽẰẽĂẰằẽằĂăẽẰẽ=Ă=ẽ.e=== vii

DANE MUC BILU DO tuaaaainaniiiooraintiitiiiiiittttiotiotiotititgtiittissoas viii

MO DAG ssssisssnissniinisnrnninmimnmimiinnniMRRRRI 1

1 Tổng quan đề DÀÌcnaannaniiiiiiiiiitiitgiitiiiisii1014400431046151301360363338046356 1

2 i | iinoioieiiiibikotioiit11000101021G1860116346333036636058656E 2

3 Tổng quan vấn đề nghiên cứu scccssscssessssessseesssecsseesssecsnecenscesnecssecssnecesees 2

4 Câu hồi nghiên CỨU sọ TH 00 086 3

5 Phạm vi nghiên CWA sscsesescuscsnscescseneconecsncsonccensconscenescncsenscenscanesenesensssnssenetene 3

1.I Hiệu ứng Seebeck co co Q0 ác TH TT 0 0 0 001001106 5

1.2 Hiệu ứng Peltier eceeĂĂĂSĂS Sen ng ng ng ng ngeg 5

1.3 SO nóng lạnh co HH HT HH 000000888001 808.6 7

1L5:1 Kháinltdi về SB Mihi HH seeceeieiaiioboioiiieioiooiioooieioeoe 7

1.32 Ứbg đụng căn ed) | §1.3.3 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của tế bào nhiệt điện Peltier §

1.4 Sự tàn nhiệt cho mặt lạnh của sò Peltier c<e<e<eeseeeesees 9

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHE TAO HỌC CỤ CHUYEN HOA NHIỆT NANG

2.1 Dinh hướng EHtipIR0EEUDS Sẻ {5ằ{ẽẰẽeẰằẽẰ=ễ-e==eằeằ=.- 11DD: “Wider tinbbt EE GC 0p casscsssasssssssssssscssscsssasssasscassssssassssssasssasamsansanasnanass 11Z3 ae tet) os 12

2.3.1 Phiên bản Í c << << Họ TH HH 00800010088 0 12

2.3.2 Phiên bản 2 cuc HH HH Ho HT TH T009 1c 14

2.3.3 Phiên bản 3 c0 00010008806 0 16 2.4 Lưu ý khi sử dụng sò nóng lạnhh Ăn nh HH HH nang ne 21

2.5 Khảo sat và đánh giá bộ học cụ ccĂĂSĂ Ăn 22

2.5.1 Mục đích khảo sát HH TH HH ng 22

DISD KUNRIKHSDIBấÌbsssooooitiittiittoitGiG1000010001004310060056100360163833601380360308 22

CHƯƠNG 3 HƯỚNG DAN SỬ DỤNG BỘ HỌC CỤ THÍ NGHIỆM MACH NỘI

DUNG “NANG LƯỢNG VA SỰ BIEN DOI” MON KHOA HỌC TỰ NHIEN 626

3.1 Vị trí của mach nội dung liên Quan ccscsscsesssssessesseseeseesessesees 26

3.2 Xây dựng kế hoạch bài day bài “Bảo toàn năng lượng và sử dụng năng

lượng” thuộc chủ đề “Năng lượng và sự biến đôi” có sử dụng bộ học cụ 26IKETLEUANEAIKIDN NGHĨ seuauaieeaaaaaaaaiaadaadidadbioiididiiiabaiibaioa 38

Bang 2.4 Kết quả khảo sát giá trị hiệu điện thé khi đo học cụ nếu thay thế nến

Dš BE HUẾ HỆNŠ te thiieetcoiiniiteoi000200000000000102000300031010 0H 8GH<tHHiansesunsnte 20 Bang 2.5 Kết quả khảo sát giá trị hiệu điện thé khi do học cụ nếu thay thé nến bằng nhiệt năng từ ánh sáng mặt trời trong 90 giây - -«ccccccecccessces 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hiệu ứng S€€bccÌk c << cọ HH HH TH 0180118180156 5 Hình 1.2 Hiệu ứng Peltier ccccssscssesrsssessssscesscesscssecssecsnessesssesssnsssssesssessessecens 6 Hình 1.3 So sánh hiệu ứng Seebeck và hiệu ứng Peltier «.-<«<< 7 Hình 1.4 SO nóng lạnÌh 5 HH THỌ THỦ THÍ TH TH THỦ THÍ HT 4003000400818 876 7

Hình 1.5 Cấu tạ của té bảo nhiệt đIỆNH cccccSẴeSEeiiiiiiieieesiore 9

Hình 1.6 Nhôm tan nhhiỆC 0 (có Họ THÍ THỦ THÍ TH HH H000 00 196 9

Hình 1.7 Keo tắn nhiỆt «cung ng 10

Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn quy trình EDP . s< se ©ssecscsseseerszrsses 11 Hình 2.2 Phác thảo ¥ tưởng thiết kế phiên bản thứ nhất của học cụ chuyển hoá

năng ÏƯỢT c << cọ ọÌ TT cọ II 0000 8000180.080800808008080808898 12

Hình 2.3 Hai kim loại khác nhau 7G Sóng 0 03 g9 12

Hình 2.4 Nỗa:. . -ckeebeiiesiiiiitisiiioiiE01103510000133600018010053000013361001300083980583000008 13

Hình 2.5 Bát nước lạnh co có THỦ TH TỦ TH TT THÍ 40080801109 13 Hình 2.6 Máy đo điện co HH HH no HT nọ 0090060 13 Hình 2.7 Học cụ phiên bản 2 HH HH ng H0 ng 14

HN: B8 6n(f085 60 011cc ÝŸÝŸ.Ÿ.-n e.ee=s.ằằẰằẽẰẽ= 15 Hình 2.9 Sơ đồ biểu diễn sự hao phí của nhiệt lượng từ nguồn nến qua các bộ

phận khác nhau của học CỤ cc HH TH Họ THÍ TT TH TH ng 8010308198 16

Hình 2.10 Học cụ phiên bản 3 cọ HH HH ng nung ng 17

Hình 2.11 Giá đỡ sau khi được thiết kế thêm chỗ đặt nến và sò nóng lạnh 17Hình 2.12 Giá đỡ sau khi được thiết kế thêm chân gỗ - .55-++ 17

Hình 2:14 Hiện trợng đổi eee sssssasccssassecsscsscsccsscsssassccsssssascsscssssccsecascasassscassansasosse 18

Hình 2.14 Học cụ khi thay thế nến bằng hơi nóng của nước sôi « 19Hình 2.15 Học cụ khi thay thé nến bằng nước nóng . -.s-s<ss<s 20Hình 2.16 Học cụ khi thay thế nến bằng nhiệt năng từ ánh sáng mặt trời 21

DANH MUC BIEU DO

Biểu đồ 2.1 Kết quả khảo sát các yêu cầu cần đạt mà bộ học cu đã đáp ứng được

ộš9686336494 3336584 36356394395695453560536568658666163586833035580380365465863653648484984596508669680346595633663386330863Sö8 23

Biểu đồ 2.2 Kết quả khảo sát tính thầm mỹ của bộ học cụ -.‹ 23

Biểu đồ 2.3 Kết quả khảo sát nguồn nhiên liệu phù hợp khi sử dụng học cu 23

Biểu đồ 2.4 Kết quả khảo sát mức độ phù hợp của bộ học cụ khi ứng dụng vào

các hoạt động Cay hỌC óc TT HH TT TT 400100040004884400804010806 24

Biểu đồ 2.5 Kết quả khảo sát các câu hỏi định tính ‹«-<<5-<<° 24 Biểu đồ 2.6 Kết quả khảo sát ý kiến đề xuất cải tiến học cụ của quý thầy/cô 37

MO DAU

1 Tông quan dé tài

Chương trình giáo dục phô thông 2018 là một chương trình giáo dục

được áp dụng trong hệ thông giáo dục phô thông tại Việt Nam Chương trình này

có một số điểm khác biệt và quan trọng như sau [1]:

se Quan điểm: Chương trình GDPT 2018 tập trung vào việc phát triển

phẩm chất và năng lực người học, chú trọng thực hành và vận dụng:

trong khi đó, chương trình GDPT 2006 là chi day học theo mức độ

kiến thức.

¢ Mục tiêu: Giúp học sinh nắm vững kiến thức phỏ thông, biết áp dụng

hiệu quả kiến thức và kỹ năng học vào cuộc sống.

Một trong những đặc thù của môn Khoa học tự nhiên là tính ứng dụng và

tính thực tiễn: Môn Khoa học tự nhiên 6 cũng như ở các lớp khác tập trung vào

việc áp dụng kiến thức khoa học vào thực tế cuộc sông HS được khám phá và tìmhiểu về các hiện tượng tự nhiên thông qua các thí nghiệm quan sat và thực hành.

Vì thế, chúng ta thấy rõ được tâm quan trọng của học cụ - là phương tiện nhằm

hỗ trợ GV và HS trong quá trình dạy học Nó góp phần đáp ứng được các mụctiêu như tăng cường sự tương tác và hiểu biết của HS, phát triển kĩ năng thựchành, khám phá và khuyến khích sáng tạo Ở khía cạnh HS, học cụ ứng dụng giúptạo ra môi trường học tập thú vị và hứng thú HS được tham gia vào các hoạt động thực hành và trực quan, từ đó tạo ra sự tương tác tích cực và hứng thú với mônhọc Khoa học tự nhiên và dé dàng áp dụng kiến thức khoa học vào cuộc sống hang

ngày.

Cho đến hiện nay, một số tác giá cũng đã thực hiện một số học cụ liênquan đến nội dung “Nang lượng” [2] [3] Mặc dù các sản phẩm ấy thê hiện đượctính ứng dụng hiệu quả rõ nét trong việc day học có dùng học cụ, nhưng chúngcòn gặp nhiều hạn chế như: giá thành cao, học cụ còn thô sơ chưa gây hứng thúmạnh mẽ đến HS, chưa có tính tích hợp, vẫn còn riêng lẻ, rời rạc, chỉ nhằm mụcđích dạy cho một nội dung chủ đề riêng lẻ

Đối tượng nghiên cứu của môn Khoa học tự nhiên gan gũi với đời song

hằng ngày của HS “Ban thân tự nhiên là khoa học thực nghiệm Vì vậy, thực

hành, thí nghiệm trong phòng thực hành và phòng học bộ môn, ở thực địa và các

cơ sở sản xuất có vai trò, ý nghĩa quan trọng vả là hình thức dạy học đặc trưng

của môn học nảy” [4] Tuy nhiên, ở những vùng sâu vùng xa, cơ sở vật chat không

day đủ, hiện trạng thiểu phòng thực hành, thiểu học cụ, dụng cụ thí nghiệm là điều

chac chăn có thê xảy ra.

Vì lý đo trên, cũng như mong muốn cải tiễn các học cụ được tối ưu hoá

và hiệu quả, GV thậm chí là HS cũng có thé chế tạo học cụ một cách dé dang, tácgiả đã lựa chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo học cụ chuyên

hoá nhiệt năng thành điện năng ứng dụng trong day học chủ đề “Năng lượng và

sự biến đôi” thuộc môn Khoa học tự nhiên 6” dé tiến hành thực hiện.

2 Mục tiêu của dé tài

- Chế tạo học cụ chuyền hoá nhiệt năng thành điện năng dé ứng dụng day học chủ đề khoa học “Năng lượng và sự biến đôi" thuộc môn Khoa học tự nhiên

6 chương trình giáo đục phổ thông 2018 nhằm phát triển tư duy thiết kế của HS

- HS có thé phân biệt được hiệu ứng Peltier và Seebeck.

- GV và HS có thé tự chế tạo được học cụ nhằm phục vụ việc giảng dạy

cũng như học tập giúp bài học mang tính trực quan vả không khí học tập trở nênsôi nôi hon

3 Tông quan van đề nghiên cứu

Tác giả Phạm Lê Gia Dũng đã thực hiện việc chế tạo học cụ thí nghiệmliên quan đến nội dung bai học “Bao toàn năng lượng va sử dụng năng lượng” làmáy phát điện gió để làm sáng bóng đèn LED, tạo ra dòng điện có hiệu điện thé

là 5V [2] Ngoài ra, năm 2017, tác giả Huỳnh Kim Ly cũng chế tạo học cụ thí

nghiệm ứng dụng kĩ thuật phần “Nhiệt hoc” — Vật lí 8 là may lọc nước biển va

may say thực phẩm sử đụng năng lượng mặt trời [3] Bên cạnh đó, thị trường Việt

Nam còn lưu hành các bộ học cụ thí nghiệm như: Robot vẽ tranh (sử dụng hoá

năng), xe hơi chạy bằng năng lượng mặt trời, máy phát điện quay tay dé dang tìmkiểm tại các nhà sách thiết bị trường học [5] hoặc ở ứng dụng Shopce [6]

4 Câu hỏi nghiên cứu

Có những cách thức nào đơn gián dé chế tạo học cụ chuyển hoá nhiệt năng thành điện nang ứng dụng cho dạy học chủ dé khoa học “Nang lượng và sự biến đôi” mà ứng dụng hiệu ứng Peltier và Seebeck?

Š Phạm vi nghiên cứu

5.1 Không gian

Không gian làm việc vả chế tạo học cụ: Phòng thực hành vật lí đại

cương nâng cao — Trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh.

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lí luận

+ Nghiên cứu kiến thức trong môn Khoa học Tự nhiên 6 và các tài liệu

khoa học, bài báo liên quan.

+ Nghiên cứu cơ sở lí luận về các bước thực hiện sản phẩm thông qua

quy trình chế tạo học cụ EDP (Engineering Design Process).

- _ Phương pháp tham vấn chuyên gia

Tham van ý kiến của giáo viên trường THCS - đê xin ý kiến, góp ý

- Chỉ ra được cách sử dụng học cụ trong việc dạy học thông qua Kế

hoạch bài dạy minh hoa.

Cấu trúc khoá luận tốt nghiệp

Ngoài phan “Mo dau” và phân “Ket luận và kiên nghị”, kêt quả nghiên

cứu của tôi được giới thiệu trong 3 chương.

Chương 1 Cơ sở lí thuyết.

Chuơng 2 Nghiên cứu ché tạo học cụ chuyền hoá nhiệt năng thành điện

năng.

Chương 3 Hướng dẫn sử dụng bộ học cụ thí nghiệm mạch nội dung

“Năng lượng vả sự biến đôi” thuộc môn Khoa học tự nhiên 6

CHUONG 1 CO SO Li THUYET

1.1 Hiệu ứng Seebeck

“Nam 1821, nha vật lí người Đức Thomas Seebeck đã phát hiện ra rằng

khi hai đây làm từ các kim loại khác nhau được nối ở hai đầu đề tạo thành một

vòng Nếu hai điểm nỗi duy trì ở nhiệt độ khác nhau thì sẽ xuất hiện điện áp trong

mạch” [7] Do đó, hiện tượng này được đặt theo tên ông.

Đặc tính dẫn điện của đây dan kim loại là có các electron tự do, các

electron nay sẽ di chuyên khi áp đặt hiệu điện thé lên hai dau day dẫn Ngoài nănglượng điện thì các dây kim loại còn có năng lượng nhiệt Khi nhiệt độ tăng lên,các electron di chuyén với tốc độ lớn hon Do đó, các electron ở đầu nóng sẽ di

chuyên nhanh hơn, và có xu hướng đây các electron về đầu lạnh (theo quy tắc

khuéch tan), dan đến việc đầu nóng sẽ thiếu electron (mang điện tích đương) vađầu lạnh sẽ dư electron ( mang điện tích âm) => xuất hiện hiệu điện the giữa haiđầu Nếu các kim loại được kết nỗi thông qua một mạch điện, dòng điện một chiều

sẽ chạy qua mạch Với sự khác biệt nhiệt độ càng lớn, điện thế sinh ra sẽ lớn hơn

vả do đó sẽ sinh ra điện nhiêu hơn.

MaterialB Material B =>

B (Heat Applied)

1.2 Hiéu img Peltier

“Nam 1834, Jean Peltier, một thợ đồng hé người Pháp, đã phát hiện ra

một hiệu ứng nhiệt điện thứ hai khác mà sau này được đặt tên là hiệu ứng Peltier.

Ông quan sát thấy rằng, khi một dòng điện một chiều chạy qua một mạch chứamột điểm nỗi của hai vật liệu ban dan, nhiệt được hap thụ hoặc giải phóng tại điểmnoi” [7] Sự hap thụ hoặc giải phóng nhiệt lượng này phụ thuộc vào cặp kim loạiđược sử dụng và hướng của dòng điện.

Khi điện tích đi chuyên qua các vùng khác nhau trong vật liệu dẫn điện,

nó sẽ tương tác với các ion trong mạng tinh thé va làm chúng dao động Sự dao động của các ion nay sẽ tạo ra sự thay đôi nhiệt lượng, khiến cho một bề mặt của

vật liệu trở nên nóng hơn và bẻ mặt kia trở nên lạnh đi.

Hình 1.2 Hiệu ứng Peltier [8]

Trong thực tế khi áp dụng hiệu ứng Peltier, ta không sứ dụng kim loại

mà thay vào đó sử dụng vật liệu bán dẫn Vì nó có khả năng dẫn điện tốt hơn, kha

năng tạo ra hiệu ứng Peltier mạnh hơn và tản nhiệt tốt hơn so với kim loại: “hệ số

sẽ rất thấp đối với kim loại (chi vài microvolt trên một độ Kelvin) và cao hơnnhiều đối với chất ban dẫn (thường 1a vai tram microvolt trên một độ Kelvin)” [9]

Đó là lựa chọn tốt nhất trong các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ Hiện tượng

nhiệt điện này được ứng dụng nhiều trong các mô đun làm mát nhiệt điện

Nhiệt lượng tỏa ra tỷ lệ thuận với điện trở của nó và bình phương cường

trong đó, o - alpha là hệ số Seebeck được xác định bởi cả vật liệu tiếp xúc,

tính chat và nhiệt độ của chúng T 1a nhiệt độ tính bing nhiệt Kelvins.

Hiệu ứng Seebeck và hiệu ứng Peltier đều là hiệu ứng nhiệt điện, liênquan đến các mạch làm từ các kim loại khác nhau Cả hai cũng là quá trình đáongược của nhau Ngoài những điểm tương đồng nay, chúng cũng có một số khác

biệt giữa các hiệu ứng.

EMF

Junction

Seebeck Effect Peltier Effect Hình 1.3 So sánh hiệu ứng Seebeck và hiệu ứng Peltier [10]

Hiệu ứng Seebeck sẽ tạo ra một điện thế (EMF) khi có sự khác biệt nhiệt

độ giữa hai bề mặt của một vật liệu dẫn điện.Trong khi hiệu ứng Peltier sẽ tạo ra

sự truyền nhiệt lượng giữa 2 điểm nối khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật

liệu dan điện khác nhau, sự truyền nhiệt lượng được tạo ra bởi đòng điện chạy qua

một vật liệu dẫn điện.

1.3 Sd nóng lạnh

1.3.1 Khái niệm về sò nóng lạnh

Sò nóng lạnh có tong cộng 6 loại khác nhau Ngoài trọng lượng, nhiệt

độ hoạt động và điện áp cấp tôi đa thì kích thước và dòng tiêu thụ tối đa của

Sò nóng lạnh còn gọi là chip Peltier có cầu tạo đơn giản với hai mặt

là mặt nóng và mặt lạnh (là mặt có in chữ kí hiệu) và hai nguồn âm và đương.

1.3.2 Ứng dụng của sò nóng lạnh

Sò nóng lạnh thường được ứng dụng rộng rãi trong các san phẩm lam

lạnh, làm mát, tản nhiệt hoặc thậm chí là gia nhiệt như: tủ lạnh, tủ mát, bình

nước nóng lạnh, bộ tản nhiệt CPU, máy lạnh, làm mát di động,

1.3.3 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của tế bào nhiệt điện Peltier

Chúng ta có thé tìm hiéu cau tạo của tế bào nhiệt điện bao gồm các bộ

phận chính [12]:

e Các vật liệu bán dẫn loại P vả loại N được mắc nối tiếp với nhau; hai bản

mặt cách điện nhưng dẫn nhiệt tốt được kết nỗi với nguồn nóng và nguồn lạnh (một ban áp sát mỗi tiếp xúc P-N, bản còn lại áp sát hai bán din P va bán dẫn N).

© Các ban kim loại dẫn điện tốt dùng dé kết nỗi các bán dẫn P va ban dẫn N;

va hai bản điện cực đề nỗi vào chân bán din P vả chan ban dẫn N.

e Hai mặt lạnh va nóng của module là 2 tắm gỗm Các tam gồm này cung cap

tính toan vẹn cơ học cho một module TE Chúng phải đáp ứng các yêu câu

nghiêm ngặt vẻ cách điện từ vật the được làm lạnh và tản nhiệt Các tâm phải

có độ dẫn nhiệt tốt dé cung cắp truyền nhiệt với trở kháng tôi thiêu Gỗm sứ Alumina trioxide AlzOs được sử dụng rộng rãi nhất do tỷ lệ chi phi/ hiệu suất tôi ưu vả kỹ thuật chế biến được phát triển Các loại gốm khác, như Nhôm

nitrit (AIN) va Beryllium oxide (BeO), cũng được sử dụng Chúng có độ đân

nhiệt tốt hơn nhiêu - gap 5-7 lần so với AlzO: - nhưng cả hai đều dat hơn.

Ngoài ra, công nghệ BeO còn độc hai.

Bin din loại N NX = <

Ban kim loạ dẫn đện tốt >>

Điện cực âm

Nhiệt sinh ra (phía nóng)

Hình 1.5 Cau tạo của tế bao nhiệt điện [12]

1.4 Sự tản nhiệt cho mặt lạnh của sò Peltier

Chúng ta cần sử dụng thêm thanh tan nhiệt đẻ tang tốc độ tán nhiệt của

mặt nóng sò Peltier vì khi sử dụng, nhiệt độ quá cao sẽ làm cho vật liệu ban dẫn

bên trong con sò không thé chịu nôi và din đến hư hỏng con sò Thông thường,nhiệt độ tối đa được khuyến nghị cho sử dụng hiệu ứng Peltier là khoảng 70 -

80°C, Do đó, tản nhiệt là một phần quan trọng của hiệu ứng Peltier và được sử

dụng rộng rãi trong các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ

Hình 1.6 Nhôm tản nhiệt [13]

Bên cạnh đó, khi sử dụng sò nóng lạnh, keo tản nhiệt là một thành phần

bê trợ cần thiết để giúp truyền nhiệt hiệu quả từ vật nóng đến vật lạnh Nó có tính

ôn định hiệu suất tản nhiệt cao vì keo tản nhiệt giúp tạo một liên kết chắc chan,lắp day những khoảng trống cực nhỏ giữa sò lạnh và nhôm tản nhiệt, giảm điềukiện tạo ra các khe hở không mong muốn, giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa hai bè

mặt, tạo ra một kênh truyền nhiệt tối ưu.

Hinh 1.7 Keo tan nhiét [14]

Thanh phan của keo tản nhiệt thường được tạo thành từ một số chất khác

nhau, tùy thuộc vào loại keo tản nhiệt cụ thể Có một số sản phẩm sẽ có thêm kim loại lỏng vì chúng có độ đẫn nhiệt cao hơn Tuy nhiên, một số thành phần chính thường có trong keo tan nhiệt bao gồm:

“1 Oxit kẽm (Zine oxide): Chất này có khá năng dẫn nhiệt tốt,

2 Silicon: Chat này có độ nhớt, giúp keo tan nhiệt được trải đều và dính chặt với bề mặt của vi xử lý và tản nhiệt, tạo ra một liên kết chắc chăn đề truyền nhiệt hiệu qua.” [15], [16].

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHE TẠO HỌC CU CHUYEN HOÁ

NHIỆT NANG THÀNH ĐIỆN NANG

2.1 Định hướng chế tạo học cụ

Quy trình thiết kế kĩ thuật (Engineering Design Process, EDP) là quy trình

được sử dụng trong lĩnh vực thiết kế kĩ thuật dé tạo ra các sản phẩm, hệ thong

hoặc giải pháp kĩ thuật Ngoài ra, mô hình nay cũng được ứng dụng rộng rãi trong

việc day học theo định hướng STEM/STEAM [17] Quy trình bao gồm các bước

chính sau: Xác định vấn đề; Nghiên cứu kiến thức; Phát triển các giải pháp/bản thiết kế; Lựa chọn giải pháp /bản thiết kế; Chế tạo/Thực hiện; Kiểm tra và đánh giá; Cải tiền.

Hình 2.8 Sơ đồ biéu diễn quy trình EDP [18]

Nhận thay EDP là quy trình phủ hợp đề có thê ứng dụng chế tạo học cụnên tác giả đã dựa theo quy trình này đề thực hiện cũng như thiết kế ra sản phẩm.2.2 Ý tưởng thiết kế học cụ

Tác giả đã định hướng bộ học cụ làm ra sẽ đáp ứng 03 yêu cầu cần đạtthuộc mạch nội dung “Năng lượng và cuộc sông” trong môn Khoa học tự nhiên 6

của chương trình GDPT 2018, cụ thê như sau [4]:

e Nêu được sự truyền nang lượng trong một số trường hợp đơn giản trong thực

tiễn.

© Lấy ví dụ chứng tỏ được: Năng lượng có thé chuyên từ dang nảy sang dang

khác, từ vật này sang vật khác.

© Nêu được: Năng lượng hao phí xuất hiện khi nang lượng được chuyên từ dang

nay sang dang khác, từ vật nay sang vật khác.

Dựa vào 03 yêu cầu can đạt trên, cùng những nguôn tài liệu tìm kiểm liên quan đến việc chế tạo, kết hợp với việc khảo sát ý kiến của giáo viên trong việc định hướng nhu cầu của bộ học cụ mà từ đó, tác giả đã tiến hành lên ý tưởng thiết

ké học cụ cho phiên ban thứ nhất thông qua bản vẽ được trình bày như Hình 2.9:

=

Hình 2.9 Phác thảo ý tưởng thiết kế phiên ban thứ nhất của học cụ

chuyên hoá nang lượng [19]

2.3 Thực hiện chế tạo học cụ

2.3.1 Phiên bản I1

- Vao ngày 23/7/2023, học cụ chuyên hoá năng lượng từ nhiệt thành điện

phiên bản đầu tiên được nghiên cứu làm ra

- Thanh phan chi tiét hoc cu:

Hình 2.10 Hai kim loại khác nhau

Hình 2.11 Nền

Hình 2.12 Bát nước lạnh

liệu được sử dụng là dây đồng và dây kẽm

- Đánh giá sơ bộ:

¢ Ưu điểm: Đáp ứng được các yêu câu can đạt; Giá thành rẻ

e© Nhược điềm: Điện năng sinh ra khá ít (chỉ tam ImV) không thê lam

quay được quạt mini; Tính thâm mỹ chưa cao, rườm rà; Khó thao tác.

- Nội dung cân cải tiền: Thay đôi ý tưởng về học cụ dé đảm bảo lượng điện

năng sinh ra đủ lớn đẻ có thé làm quay cánh quạt mini.

2.3.2 Phiên bản 2

- Vào ngày 25/7/2023, học cụ chuyên hoá năng lượng từ nhiệt thành điện

phiên bản thử hai được nghiên cứu chế tạo hoàn toàn khác biệt so với

- _ Cách bê trí thí nghiệm: Chuan bị day đủ các thành phần của bộ học cụ va

thực hiện các bước sau:

Bước 1 Khoan nhiều lỗ có đường kính khoảng 1 em tại vị tri phan thân

của lon sữa, Bước 2 Quét | lớp keo tan nhiệt vào giữa sò nóng lạnh và nhôm tản

nhiệt.

Bước 3 Gắn quạt mini vào động cơ, nỗi đây của sỏ nóng lạnh vào đúng

cực của quạt.

Bước 4 Đặt nên bên trong lon sữa

Bước 5 Thiết kế đỗ gắn động cơ quạt: tái sử dụng nap ly tra sữa, khoét

một lỗ nhỏ giữa nắp dé gắn động cơ quạt,

Một ý tưởng được nảy ra trong quá trình nghiên cứu của tác giả là thay

thế thanh nhôm tản nhiệt và keo tản nhiệt ở mặt lạnh bằng nước đá để tiết kiệm

chỉ phí Tuy nhiên, điều đó thực tế là không khả thi, vì với sức nóng của sò

nóng lạnh thì nước đá rat dé tan, khi không được tan nhiệt tốt sẽ dẫn đến nguy

cơ làm sé hư hỏng Ngoài ra, các lớp học không có tủ lạnh khiến khâu chuẩn

bị khá rườm rà.

- Danh giá:

Thiết kế này cơ bản đáp ứng được các yêu cầu cần đạt; giá thành rẻ;

dé sử đụng; đáp ứng được điểm chưa đạt ở phiên bản 1: tạo ra lượng điện năng

nhiều hơn Khi sử dụng học cụ nay, ta có thay đôi nguồn tạo nhiệt, ví dụ như:

đèn cây, khé lửa, đèn cồn

Bảng 2.1 Bảng sánh các nguồn nhiên liệu

| |JPhy J8" kh

Tam 40.0004/ đồ khẻ | Tâm 30.000đ bình lira, 10.000d/ bình gas | {hoặc có thể mượn ở

mini phỏng thí nghiệm}

trưởng sinh ra muội than lớn sinh ra lượng lớn

khí CO;

Tuy nhiên, khi sử dụng, nhận thấy năng lượng hao phi toa ra qua

nhiều, nên đây cũng là điểm cần phải khắc phục ở phiên bản cuối cùng.

Nhiên liệu > Đốt Tăng nhiệt độ

ni.

LJ.

Co} [mm)[m=)

Chú thích: Q là năng lượng hao phi toa ra

Hình 2.16 Sơ đồ biéu diễn sự hao phí nhiệt lượng từ nguồn nến qua

các bộ phận khác nhau của học cụ 2.3.3 Phiên bản 3

Vào ngày 20/8/2023, học cụ chuyên hoá năng lượng từ nhiệt thànhđiện — phiên bản tiếp theo đã được cải tiến Thay vì nhiệt phải truyền từ lon

sữa bột đến sò nóng lạnh, tạo ra lượng năng lượng hao phí khá nhiều, thì ở

phiên bản này, nhiệt được truyền trực tiếp đến sò; tính thâm mỹ cũng được cải

thiện hơn bằng cách thay lon sữa bột thanh lon sữa đặc.

Hình 2.17 Học cụ phiên bản 3

Trong thiết kế cải tiền này, chúng ta tận dụng phan nắp lon sữa đặc dé

chế tạo vị trí đặt nên và vị trí đặt sò bang phương pháp hàn.

Hình 2.18 Giá đỡ sau khi được thiết kế thêm chỗ đặt nên và sò nóng lạnh

Tuy nhiên, ta nhận thay rằng ngọn lửa cháy khá yếu do thiếu sự đốilưu của không khí giàu oxygen cho ngọn nến cũng như không thé khai tháchết năng suất tao ra điện của sò nên giá đỡ được thiết kế thêm chỉ tiết: gin 4chân bằng que gỗ dé tạo khoảng trong phía dưới cho giá đỡ

Hình 2.19 Giá đở sau khi được thiết kế thêm chân gỗ

Tác gia sử dụng hiện tượng Đối lưu dé tạo nên phiên bản cudi cùng.

Ta đã biết rằng "đối lưu 1a sự truyền nhiệt bằng các dong chất lỏng hoặc chất khí, đó là hình thức truyền nhiệt chủ yếu của chat long và chất khí." [20]

Hình 2.20 Hiện tượng đối lưu [21]

Khi nền cháy, nhiệt từ ngọn lửa làm nóng không khí xung quanh Không khí nóng có mật độ thấp hơn so với không khí lạnh, do đó nó sẽ tạo ra

một lực day lên, làm cho không khí nóng và khói từ ngọn lửa tăng lên Đồng

thời, không khí lạnh từ môi trường xung quanh sẽ chảy vào đề thay thế không

khí nóng đã tăng lên Quá trình này tạo ra một luông không khí lên và mộtluồng không khí xuống, tạo thanh hiện tượng đối lưu

Hiện tượng đối lưu này có thé làm cho ngọn lửa cháy cao và mạnh

hơn Nó cũng có thé làm cho ngọn lửa cháy ôn định hơn vả tạo ra một hiệuứng hấp dẫn khi nhìn vào

Bảng 2.2 Kết quả khảo sát giá trị hiệu điện thế khi đo học cụ ở phiên bản 3

Hiệu điện thẻ

1,46V