Khảo sát động cơ khí nóng hoạt động theo chu trình stirling

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM KHOA VẬT LÝ    ĐỀ TÀI: GVHD: Th S Lương Hạnh Hoa SVTH : Lê Anh Đức MSSV : K32.102.013 Niên khóa 2006 – 2010 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa LỜI NÓI ĐẦU Nhiệt động lực học khoa học tương đối trẻ, đời vào đầu kỷ XIX Nhiệt động lực học đời khoa học truyền nhiệt nghiên cứu trình xảy máy nhiệt cỗ máy làm thay đổi văn minh nhân loại Việc phát minh máy nhiệt, đặc biệt động nước, có tầm ảnh hưởng vô quan trọng với lịch sử cách mạng công nghiệp Động Stirling thuộc nhóm động đốt ngồi động nước, phát minh Robert Stirling vào năm 1816, trước động Otto Diesel Hiện động nhiều hạn chế cần khắc phục, nhà chế tạo không ngừng quan tâm nghiên cứu ưu điểm mà khó có loại động có khả sử dụng nguồn nhiên liệu từ than củi, than đá, dầu mỏ, cồn, lượng mặt trời… Với mục tiêu nghiên cứu tổng quan Nhiệt động lực học, máy nhiệt đặc biệt động Stirling để từ đề xuất khả ứng dụng sử dụng động Stirling thí nghiệm Vật Lý Nâng Cao, em chọn đề tài luận văn: “KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ KHÍ NĨNG HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH STIRLING” Luận văn bao gồm ba nội dung chính: PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC – MÁY NHIỆT PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING PHẦN 3: BÀI THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ STIRLING Em mong luận văn xem tài liệu để bạn sinh viên tham khảo, nâng cao kiến thức vận dụng để tiến hành thí nghiệm thực tiễn Tuy nhiên, nội dung luận văn kiến thức nằm phạm vi hệ thống kiến thức rộng lớn, địi hỏi phải có nghiên cứu lâu dài, mà thời gian cho phép luận văn em khơng thể tìm hiểu hết Hơn nữa, với tầm hiểu biết kiến thức nhiều hạn chế, chắn em tránh khỏi sai sót thực khóa luận Em mong nhận ý kiến đóng góp Thầy Cô bạn sinh viên Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô khoa Vật Lý , Trường ĐH Sư Phạm Tp HCM tạo điều kiện thuận lợi trình học tập, thời gian em thực luận văn Tiếp đến, em xin chân thành cảm ơn Cô Lương Hạnh Hoa Thầy Nguyễn Hoàng Long – người Cơ, người Thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt thời gian làm luận văn Sinh viên thực luận văn: Lê Anh Đức Luận văn tốt nghiệp PHẦN GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa TỔNG QUAN VỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC – MÁY NHIỆT I Nhiệt động lực học Nhiệt động lực học khoa học truyền nhiệt – lĩnh vực tương đối trẻ, đời vào đầu kỷ XIX Nhiệt động lực học đời ngành khoa học trình xảy máy nhiệt ( máy nước, máy lạnh, động đốt ), nghĩa khoa học chuyển hóa nhiệt thành cơng học ngược lại Trong trình phát triển lĩnh vực nghiên cứu Nhiệt động lực học mở rộng mang tính chất khoa học vật lý Ngày đối tượng nghiên cứu trình chuyển hóa vật chất có gắn với tỏa hay hấp thụ nhiệt lượng, thực công Nhiệt động lực học môn học chuyên nghiên cứu mối liên hệ dạng lượng khác với nhiệt lượng cơng học, chuyển hóa từ dạng lượng sang dạng lượng khác Nó dựa hai qui luật thực nghiệm bản: Qui luật thứ nói lên tương đương dạng lượng Qui luật không cho biết dạng lượng khác hay không mà cho biết tương đương số lượng chúng mà Qui luật thứ hai nói lên tỉ lệ nhiệt lượng biến thành cơng học điều kiện, cho biết chiều hướng diễn biến qui luật tự nhiên Cũng thuyết động học phân tử, đối tượng Nhiệt động lực học hệ gồm nhiều phân tử, quy luật qui luật thống kê với đa số trường hợp với hệ có nhiều phân tử mà thơi Nó khơng thể áp dụng cho phân tử riêng lẽ trường hợp cụ thể có nhiều sai lệch so với thực tế Đối với hệ lớn ( Hệ mặt trời, thiên hà…) qui luật Nhiệt động lực học ý nghĩa, ta khơng thể khái qt hóa qui luật quan sát phạm vi hẹp vào không gian rộng lớn Thuật ngữ nhiệt động học (hoặc nhiệt động lực học) có hai nghĩa: - Khoa học nhiệt động nhiệt (nhiệt động học cổ điển) - Khoa học hệ thống trạng thái cân (nhiệt động học cân bằng) Ban đầu, nhiệt động học mang nghĩa thứ Về sau, cơng trình tiên phong Ludwig Boltzmann đem lại nghĩa thứ hai Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Các nguyên lý nhiệt động lực học áp dụng cho hệ vật lý, cần biết trao đổi lượng với môi trường mà không phụ thuộc vào chi tiết tương tác hệ Albert Einstein dựa vào nhiệt động học để tiên đoán phát xạ tự nhiên “Nhiệt động lực học lý thuyết vật lý tổng quát, khả ứng dụng sở lý thuyết nó, mà tin không bị lật đổ.” - Albert Einstein Nhiệt động học phận vật lý thống kê Cả hai nằm số lý thuyết lớn làm tảng cho kiến thức đương đại vật chất Khái niệm trung tâm nhiệt động lực học nhiệt độ Từ quen thuộc hầu hết chúng ta, hình thành nên từ cảm giác nóng lạnh, có xu hướng tin hiểu Thực ra, cảm giác nhiệt độ luôn Và khái niệm quan trọng nhiệt động học khái niệm nội Nội tất dạng lượng chứa hệ lập Như có nghĩa nội gồm động phân tử, tương tác phân tử hệ, kể lượng hạt nhân Đối tượng nhiệt động học hệ vĩ mơ, tức hệ vật chất có chứa số lớn hạt thành phần Các hệ vĩ mô gọi vật thể hay vật Các hệ khảo sát điều kiện có chuyển động nhiệt nên gọi hệ nhiệt Sau nói hệ vật lý mà khơng nói cụ thể, ta hiểu ngầm định hệ nhiệt Mục đích nhiệt động học nghiên cứu tính chất hệ nhiệt II Sơ lược lịch sử môn nhiệt động lực học Trái với nhiều chuyên ngành vật lý khác, môn nhiệt động học xuất cách chưa lâu Những nghiên cứu mà xếp vào ngành nhiệt động học cơng việc đánh dấu đo nhiệt độ, lần thực nhà khoa học người Đức Gabriel Fahrenheit (1686-1736) - người đề xuất thang đo nhiệt độ mang tên ông Trong thang nhiệt này, 32 độ F 212 độ F nhiệt độ tương ứng với thời điểm nóng chảy nước đá sôi nước Nhà bác học Thụy Sĩ Anders Celsius (1701-1744) xây dựng nên thang đo nhiệt độ đánh số từ đến 100 mang tên ông dựa vào giãn nở thủy ngân Những nghiên cứu liên quan đến trình truyền nhiệt vật thể Nếu nhà bác học Daniel Bernoulli (1700-1782) nghiên cứu động học chất khí đưa liên hệ khái niệm nhiệt độ với chuyển động vi mô hạt Ngược lại, nhà bác học Antoine Lavoisier Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa (1743-1794) lại có nghiên cứu kết luận trình truyền nhiệt liên hệ mật thiết với khái niệm dòng nhiệt dạng chất lưu Tuy nhiên, đời thật môn nhiệt động học phải chờ đến kỉ thứ 19 với tên nhà vật lý người Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) với sách ông mang tên "Ý nghĩa nhiệt động động ứng dụng loại lượng này" Ông nghiên cứu cỗ máy gọi động nhiệt: Một hệ nhận nhiệt từ nguồn nóng để thực cơng dạng học đồng thời truyền phần nhiệt cho nguồn lạnh Chính từ dẫn nguyên lý bảo toàn lượng (tiền đề cho nguyên lý thứ nhiệt động học), đặc biệt, khái niệm trình thuật nghịch mà sau liên hệ chặt chẽ với nguyên lý thứ hai Ông bảo vệ cho ý kiến Lavoisier nhiệt truyền dựa vào tồn dòng nhiệt dòng chất lưu Những khái niệm công nhiệt nghiên cứu kĩ lưỡng nhà vật lý người Anh James Prescott Joule (1818-1889) phương diện thực nghiệm nhà vật lý người Đức Robert von Mayer (1814-1878) phương diện lý thuyết xây dựng từ sở chất khí Cả hai tới kết tương đương công nhiệt năm 1840 đến định nghĩa q trình chuyển hố lượng Chúng ta biết đời nguyên lý thứ nhiệt động học công lao to lớn Mayer Nhà vật lý người Pháp Émile Clapeyron (1799-1864) đưa phương trình trạng thái chất khí lý tưởng vào năm 1843 Tuy nhiên, đến năm 1848 khái niệm nhiệt độ nhiệt động học định nghĩa cách thực nghiệm nhà vật lý người Anh, nhà q tộc có tên Sir William Thomson hay gọi Huân tước Kelvin (1824-1907) Nguyên lý thứ hai nhiệt động học giới thiệu cách gián tiếp kết Sadi Carnot cơng thức hố cách xác nhà vật lý người Đức Rudolf Clausius (1822-1888) - người đưa khái niệm entropy vào năm 1860 Những nghiên cứu cho phép nhà phát minh người Tô Cách Lan - James Watt (17361819) hoàn thiện máy nước tạo cách mạng công nghiệp kỉ thứ 19 Cũng cần phải nhắc đến nhà vật lý người Áo Ludwig Boltzmann (1844-1906), người góp phần khơng nhỏ việc đón nhận entropy theo quan niệm thống kê phát triển lý thuyết chất khí vào năm 1877 Tuy nhiên người thời không hiểu cơng nhận, đến sau Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa tên tuổi ông công nhận người ta khắc lên mộ ông, thành phố Vienne, công thức tiếng “ S = k.lnWT” mà ơng tìm Riêng lĩnh vực hoá nhiệt động, phải kể đến tên tuổi nhà vật lý Đức Hermann von Helmholz (1821-1894) nhà vật lý Mỹ Willard Gibbs (1839-1903) Chính Gibbs người có đóng góp vô to lớn phát triển vật lý thống kê Cuối cùng, để kết thúc lược sử ngành nhiệt động học, xin nhắc đến nhà vật lý người Bỉ gốc Nga Ilya Prigonine (sinh năm 1917) - người nhận giải Nobel năm 1977 phát triển cho ngành nhiệt động học không cân III Phương pháp nghiên cứu nhiệt động học Có hai phương pháp nghiên cứu hệ nhiệt: - Phương pháp vật lý thống kê hay phương pháp động học phân tử - Phương pháp nhiệt động lực học Phương pháp vật lý thống kê hay phương pháp động học phân tử: Phương pháp vật lý thống kê không đặt vấn đề xét chuyển động phân tử riêng lẽ, mà xét chuyển động chung tập hợp lớn phân tử cấu tạo nên vật Để đặc trưng cho chuyển động chung phân tử, dĩ nhiên lấy giá trị đại lượng riêng phần tử mà rõ ràng phải lấy giá trị trung bình đại lượng tồn phân tử Để xét giá trị trung bình vừa nói trên, ta phải dựa vào khái niệm xác suất, phương pháp thống kê xây dựng sở lý thuyết xác suất Ưu điểm phương pháp thống kê sâu vào chất tượng dựa vào khảo sát chi tiết trình phân tử cấu nên tượng từ vấp phải nhược điểm tính chất gần kết định lượng phức tạp cơng việc tính tốn Khơng vậy, trường hợp mà lực tương tác phân tử khơng thể bỏ qua khí thực, chất lỏng…thì phương pháp thống kê trở nên hiệu lực Nó khơng mơ tả giải thích đắn tượng xảy đo tương tác phân tử Vì vậy, để nghiên cứu tượng liên quan đến chuyển động nhiệt, ngồi phương pháp thống kê người ta cịn dùng phương pháp nghiên cứu khác gọi phương pháp nhiệt động lực học Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Phương pháp nhiệt động lực học: Phương pháp nhiệt động lực học hồn tồn khơng khảo sát chi tiết trình phân tử mà khảo sát tượng xảy với quan điểm biến đổi lượng kèm với tượng Theo nguồn gốc lịch sử phương pháp phát sinh khảo sát biến đổi lượng chuyển động nhiệt (nhiệt năng) thành để chạy máy nhiệt, nên có tên gọi phương pháp nhiệt động lực học Tuy nhiên ngày phương pháp vượt xa phạm vi nghiên cứu ban đầu vận dụng để xét biến đổi lượng nói chung cho tượng xảy Khi nghiên cứu tính chất vật chất gây chuyển động hỗn loạn tập hợp lớn phân tử mà phải kể đến lực tương tác chúng người ta vận dụng định luật tổng quát luôn nghiệm với thực tiễn, không phụ thuộc vào tính chất chuyển động tương tác phân tử Bộ môn vật lý nghiên cứu tính chất chung vật chất liên quan chặt chẽ đến chuyển động nhiệt phương pháp nhiệt động lực học gọi nhiệt động lực học IV Những nguyên lý nhiệt động lực học: Các nguyên lý nhiệt động lực học gọi định luật nhiệt động lực học Nguyên lý Nguyên lý 0, hay nguyên lý cân nhiệt động, nói cân nhiệt động Hai hệ nhiệt động nằm cân nhiệt động với chúng cho tiếp xúc với khơng có trao đổi lượng Nó phát biểu sau: "Nếu hai hệ có cân nhiệt động với hệ thứ ba chúng cân nhiệt động với nhau" Với ngôn ngữ quy hơn, nội dung nguyên lý thứ khơng là: Mỗi vật có tính chất gọi nhiệt độ Khi hai vật trạng thái cân nhiệt với nhau, nhiệt độ chúng Bây biến nhiệt nghiệm vật thành nhiệt kế số đọc có ý nghĩa vật lý Chỉ cịn việc chia độ cho xong Chúng ta thường xuyên dùng ngun lý thứ khơng phịng thí nghiệm Ngun lý phát biểu muộn nguyên lý lại lại quan trọng nên đánh số Nguyên lý thứ 0, gọi theo cách giải thích logic, đến sau đến năm 1930 nguyên lý đời, lâu sau nguyên lý Vì khái niệm nhiệt độ tảng hai nguyên lý nói nên nguyên lý thiết lập nhiệt độ thành khái niệm vững chắc, phải có số thứ tự thấp số Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Cân nhiệt động bao hàm cân nhiệt, cân học cân hoá học Đây tảng phép đo nhiệt Nguyên lý I Nguyên lý I hay định luật I, ngun lý bảo tồn lượng, khẳng định lượng ln bảo tồn Nói cách khác, tổng lượng hệ kín khơng đổi Các kiện xảy hệ chẳng qua chuyển lượng từ dạng sang dạng khác Như lượng sinh từ hư khơng, ln biến đổi tự nhiên Trong tồn vũ trụ, tổng lượng khơng đổi, chuyển từ hệ sang hệ khác Người ta "tạo ra" lượng, người ta "chuyển dạng" lượng mà Phát biểu: Nhiệt truyền vào hệ thay đổi nội hệ cộng với công mà hệ sinh cho môi trường Q= ∆U + A Hay: Không thể thực động vĩnh cửu loại Nếu xét q trình kín – chu trình, ngun lý I phát biểu sau: Nếu hệ xảy biến đổi trạng thái theo chu trình xảy tổng nhiệt lượng trao đổi cơng thực chu trình phải không Nội hệ không đổi ∆U= hay Q= A Ý nghĩa: Nguyên lý I nhiệt động học nguyên lý tổng quát cho tất lý thuyết vật lý (cơ học, điện từ học, vật lý hạt nhân, ) Chưa thấy ngoại lệ nguyên lý này, người ta nghi ngờ nó, phân rã phóng xạ Nguyên lý I đóng vai trò quan trọng việc nhận thức tự nhiên khoa học kỹ thuật Nguyên lý I nghiên cứu lâu với nhiều người, song có Ăngghen người nêu lên tính tổng qt ngun lý, ơng khẳng định ngun lý I ngun lý bảo tồn biến đổi vận động kết luận : “Nguyên lý I quy luật tuyệt đối thiên nhiên” Q trình thiết lập ngun lý I có liên quan chặt chẽ có ý nghĩa quan trọng việc giải đáp vấn đề to lớn hấp dẫn lịch sử vật lý “ Có thể thực động vĩnh cửu loại không?” Đó loại động sinh cơng mà không tiêu thụ lượng Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa tiêu thụ phần lượng cơng sinh Ngun lý I nhiệt động lực học cho thấy động thực Nguyên lý II Nguyên lý thứ hai hay định luật II, gọi nguyên lý entropy, liên quan đến tính khơng thể đảo ngược q trình nhiệt động lực học đề khái niệm entropy Nguyên lý cho entropy hệ kín có hai khả năng, tăng lên, giữ nguyên Từ dẫn đến nguyên lý chuyển từ trạng thái trật tự sang trạng thái trật tự khơng có can thiệp từ bên Một số cách phát biểu nguyên lý II: Thompson : “ Một động nhiệt sinh cơng trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt nhất.” Hay nói cách khác: Khơng thể thực động vĩnh cửu loại hai Cách phát biểu nguyên lý II Thompson có liên quan đến động nhiệt Clausius: “ Không thể tồn trình nhiệt động mà kết truyền nhiệt từ nguồn lạnh cho nguồn nóng.” Cách phát biểu nguyên lý II Clausius lại liên quan đến máy lạnh Cách phát biểu thứ ba nguyên lý II Clausius liên quan đến entropy – cách phát biểu tổng quát nhất, vừa có tính chất định tính lại vừa có tính chất định lượng: Một hệ lớn không trao đổi lượng với mơi trường có entropy ln tăng khơng đổi theo thời gian Hay: Khơng có cách làm cho entropy hệ môi trường giảm Nguyên lý thứ hai khơng có mâu thuẫn với ngun lý thứ mà làm sáng tỏ thêm nguyên lý thứ Vì entropy mức độ hỗn loạn hệ, nguyên lý nói vũ trụ ngày "hỗn loạn" Cơ học thống kê chứng minh nguyên lý định lý, cho hệ lớn thời gian dài Đối với hệ nhỏ thời gian ngắn, có thay đổi ngẫu nhiên không tuân thủ nguyên lý Nói cách khác, khơng ngun lý I, ngun lý vật lý chi phối giới vi mô tuân theo nguyên lý II cách gián tiếp có tính thống kê Ngược lại, ngun lý II độc lập so với tính chất nguyên lý đó, lẽ thể người ta trình bày ngun lý cách giản lược hóa quy mơ nhỏ Ý nghĩa: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Nguyên lý II cho thấy nhiệt tự động từ vật lạnh sang vật nóng Entropy hệ lập giảm Vậy chất Entropy gì? Theo quan điểm động học Entropy thước đo mức độ hỗn loạn phân tử hệ Điều kết phù hợp với hai nguyên lý nhiệt động học Khi làm lạnh đẳng tích hệ hệ liên tục tỏa nhiệt ( Q < O ), Entropy hệ giảm, tính chuyển động hỗn loạn phân tử giảm hay tích trật tự tăng lên Khi chuyển pha từ khí sang lỏng hay lỏng sang rắn tương ứng với giảm nhảy bậc tính hỗn loạn phân tử giảm nhảy bậc Entropy Cũng theo quan điểm động học phân tử, trạng thái vĩ mơ hệ có thông số trạng thái xác định giá trị trung bình, bao gồm thay khơng ngừng trạng thái vi mô hệ Số trạng thái vi mô cho biết khả tồn trạng thái vi mơ tổng số trạng thái vĩ mơ xảy hệ Số trạng thái vi mơ nhiều khả xảy trạng thái vĩ mô tương ứng cành nhiều, kí hiệu W gọi xác suất nhiệt động trạng thái vĩ mơ Thuyết động học phân tử nêu phép tính xác W cơng thức tiếng Boltzmann quan hệ W S: S = klnW , với k số Boltzmann Đối với hệ vĩ mô cô lập, q trình biến đổi tự phát theo chiều tiến tới trạng thái cân (q trình khơng thuận nghịch), tức từ trạng thái khả tồn đến trạng thái có nhiều khả tồn Nói khác, q trình tự phát diễn biến theo chiều tăng xác suất nhiệt động W Khi trạng thái cân W đạt cực đại.Từ lý luận ta ln có: ∆S≥0 Đối với hệ có phân tử xảy thăng giáng, tức hệ tự phát biến đổi từ trạng thái có xác suất lớn sang trạng thái có xác suất nhỏ hơn, tức Entropy hệ giảm Ví dụ chuyển động Brown, bay nhiệt độ sôi,v.v… Như nguyên lý II áp dụng cho hệ vĩ mô gồm số lớn hạt ảnh hưởng thăng giáng bỏ qua Nguyên lý III Nguyên lý thứ ba, hay nguyên lý Nernst, gọi nguyên lý độ không tuyệt đối, bàn cãi nhiều nhất, gắn liền với tụt xuống trạng thái lượng tử nhiệt độ hệ tiến đến giới hạn độ không tuyệt đối Nguyên lý phát biểu sau: Trạng thái hệ không thay đổi nhiệt độ không tuyệt đối (0°K) Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa H B 32 Một số hình ảnh sử dụng động Stirling lĩnh vực phát điện Động ôtô, tàu thu H B 33 Sử dụng động Stirling ôtô tàu ngầm Phillips hãng có lịch sử dài nghiên cứu động Stirling trang bị cho ôtô Cho đến nay, xét mặt kinh tế, động Stirling chưa thể trở thành thách thức ĐCĐT lĩnh vực ơtơ Tuy nhiên, nhiều chun gia tiên đốn điều thay đổi áp lực vấn đề ô nhiễm môi trường khí thải ĐCĐT nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu gốc dầu mỏ Sử dụng động Stirling trang bị cho tàu thuỷ, đặc biệt tàu ngầm hướng nghiên cứu nhà quân quan tâm có độ ồn rung động nhỏ so với động diesel Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Thiết bị làm lạnh Mọi quan tâm cơng ty Phillips vào máy làm lạnh chu trình Stirling bắt đầu sản phẩm phụ họ ngày đầu sản xuất máy động lực Máy làm lạnh công ty Phillips phát triển hướng dẫn tiến sỹ J.W.L.Kohler, sau chiếm vị trí dẫn đầu hệ thống máy làm lạnh cỡ nhỏ đến cỡ trung bình Các máy làm lạnh dẫn đến phát triển thiết bị kỹ thuật sinh hàn kết hợp Quả thực người ta tính lợi nhuận từ phận sản xuất thiết bị sinh hàn thực tế trả cho cơng ty Phillips tất chi phí cho việc nghiên cứu máy động lực Rất nhiều loại máy làm lạnh công ty Phillips đưa thị trường từ động cơ mẫu thu nhỏ có cơng suất nhỏ 1W đến hệ thống thiết bị làm lạnh có cơng suất tới hàng ngàn kW Hiện thị trường bị giới hạn máy phải cạnh tranh với loại máy khác đa dạng Với phát triển vật liệu siêu dẫn có khả chịu nhiệt độ cao hơn, áp dụng kỹ thuật tia hồng ngoại, xuất hội cho máy làm lạnh cỡ nhỏ, máy trở nên nhỏ giá thành thấp Bên cạnh công ty Phillips Bắc Mỹ cịn có cơng ty khác nhanh chóng đưa thị trường loại động làm lạnh cỡ nhỏ ví dụ cơng ty Malaker, Laboraties, cơng ty hàng không The Hughes California, nhiều công ty khác quan tâm tới việc nghiên cứu lĩnh vực Động Stirling chạy lượng mặt trời Hiện thị trường dành cho động chạy lượng mặt trời lớn Loại động sử dụng quốc gia vùng nhiệt đới chưa phát triển để dẫn động bơm nước tưới tiêu để dẫn động máy phát điện công suất nhỏ Động Stirling loại chế tạo thử nghiệm hãng Ericsson từ năm 1959 Khó khăn việc đưa loại động thị trường giá thành Động Stirling sử dụng lượng mặt trời đối tượng nghiên cứu lĩnh vực chinh phục vũ trụ Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa H B 34 Động Stirling sử dụng lượng mặt trời Động Stirling sử dụng lượng mặt trời để chạy động nhiệt - động Stirling ngày nghiên cứu ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới nông trại Ở Việt Nam động Stirling chạy lượng mặt trời nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế Cấu tạo nguyên lý hoạt động bơm nước sử dụng lượng mặt trời hoạt động dựa theo nguyên tắc động Stirling H B 35 Động Stirling sử dụng lượng mặt trời dùng làm bơm nước Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Bức xạ mặt trời chiếu đến bề mặt hấp thụ truyền nhiệt cho khơng khí bên trong, khơng khí nóng lên làm cho áp suất bên tăng lên, đẩy pittong lực xuống Không khí sau giãn nở sinh cơng làm mát nhờ cánh tản nhiệt phía nên nguội đi, áp suất khơng khí bên động giảm xuống kéo pittong lực lên Hành trình pittong kết nối với bánh đà làm bánh đà quay Đầu bơm nước nối kết với bánh đà nên hoạt động bánh đà quay Bơm nước dùng để bơm nước từ lên bể chứa cao dùng để bơm nước từ ao hồ để tưới tiêu nông thôn Động Stirling lĩnh vực giải trí Động Stirling với chức nguồn lượng học lĩnh vực giải trí nhiều nhà nghiên cứu kinh doanh quan tâm Hàng loạt động Stirling có cơng suất từ vài phần W đến vài W chạy sức nóng lòng bàn tay, lượng đèn dầu, bình ga, chế tạo giới thiệu trang WEB Luận văn tốt nghiệp H.3-7 Một số hình ảnh động Stirling GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa PHẦN BÀI THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ KHÍ NĨNG LÀM VIỆC THEO CHU TRÌNH STIRLING I Mục đích thí nghiệm: – Tìm hiểu chu trình thuận nghịch, động Stirling – Tìm hiểu trình chuyển đổi nhiệt máy nhiệt (động nhiệt, bơm nhiệt) – Xác định hệ số phát nhiệt đèn cồn – Tính lượng tổng cộng tạo động diện tích đường cong kín dao động ký điện tử Dùng giấy suốt vẽ lại đường trịn Chỉ cơng học vịng quay – Tính hiệu suất, công suất động H C Bộ dụng cụ thí nghiệm II Cơ sở lý thuyết: Giới thiệu động – chu trình Stirling Động Stirling loại động nhiệt thuộc nhóm động đốt ngồi có piston, Robert Stirling phát minh vào năm 1816 Môi chất công tác động Stirling (thường khơng khí, hydrogen hay helium) di chuyển khơng gian làm kín có thành phần không thay đổi tất giai đoạn khác chu trình cơng tác Khi mơi chất cơng tác nguồn nhiệt từ bên ngồi (có thể đốt cháy nhiên liệu, lượng mặt trời ) đốt nóng giãn nở đẩy pittong xuống để sinh công học Sau làm mát pittong khác đẩy trở lại không gian nén để thực chu trình làm việc Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Chu trình nhiệt động động Stirling – chu trình Stirling: Động stirling hoạt động theo chu trình cơng tác nối tiếp Mỗi chu trình cơng tác giai đoạn làm việc tương ứng với lần sinh cơng Nó bao gồm trình: trình nén, trình cấp nhiệt, q trình giãn nở sinh cơng q trình làm mát Chu trình lý thuyết động Stirling cấu thành từ bốn trình nhiệt động sau: H C Chu trình Stirling Các trình : Nén đẳng nhiệt 1-2 Cấp nhiệt đẳng tích 2-3 Giãn nở đẳng nhiệt 3-4 Làm mát đẳng tích 4-1 Nguyên tắc hoạt động H C Sơ đồ động Stirling Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa 1- Xy lanh, 2- Pittong, 3- Thanh truyền, 4- Bánh đà, 5- Puli, 6- Dây cáp, 7- Giá đỡ, 8- Đèn cồn Với động khí nóng Stirling, chu trình nhiệt động lực học nghiên cứu đo đạc thực nghiệm Động khí nóng hoạt động chế độ động nhiệt đèn cồn đóng vai trị nguồn cung cấp lượng cho động nhiệt hoạt động Motơ máy phát điện nối bánh đà động nhiệt dây cua-roa, máy phát tạo lượng điện (Ví dụ: dùng làm nguồn điện thắp sáng bóng đèn) Ngồi động khí nóng hay máy nhiệt cịn hoạt động chế độ khác cung cấp điện áp cho máy phát điện nối motơ với bánh đà dây cua-roa động khí nóng hoạt động bơm nhiệt máy lạnh… Áp suất đo đầu mở, thể tích xác định sợi dây ngắn tùy theo vị trí Từ giá trị áp suất thể tích vừa đo vẽ đồ thị pV động (dùng dao động ký điện tử) Hai vị trí đo nhiệt độ nối với cảm ứng nhiệt, từ cho phép xác định tăng hay giảm nhiệt độ pittông  Các thơng số kỹ thuật động khí nóng Stirling: Hoạt động chế độ động nhiệt: - Tốc độ quay: khoảng 600 vòng/ phút - Điện áp chiều: 3V (DC) - Chênh lệch áp suất: 250hPa/-150hPa Hoạt động chế độ bơm nhiệt hay máy lạnh: - Độ biến thiên áp suất: 250hPa/-150hPa - Điện áp mô tơ: 9V - Tốc độ quay: khoảng 600 vịng/ phút III Dụng cụ thí nghiệm:  Giới thiệu dụng cụ thí nghiệm: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Động khí nóng Stirling suốt Đèn cồn Cảm biến Sensor unit pVn Dao động ký điện tử kênh Biến trở chạy Đồng hồ đo điện đa (Ampe kế, vôn kế) Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Máy biến áp Bộ chuyển đổi lượng – máy phát điện H C Các dụng cụ thí nghiệm H C Các phận động Stirling - Bánh đà, - Trục quay, - Pittong - Giá để đèn cồn, - Xylanh - Vị trí đo nhiệt độ cặp nhiệt điện - Pittong phụ, - Bộ phận tản nhiệt IV Tiến hành thí nghiệm Tháo đế động ra, lắp cảm biến Sensor pVn vào, sau lắp lại đế Trước bật thiết bị đo ta phải kiểm tra lại xem Sensor pVn kết nối hay chưa Nối lối áp suất p thể tích V vào kênh X Y dao động ký điện tử cách tương ứng Sau bật thiết bị đo, thiết bị hiển thị Cal Hai cặp nhiệt điện phải đặt nhiệt độ, ta ấn nút ∆T Sự chuẩn hóa đơn ảnh hưởng tới hiệu nhiệt độ hai đầu cặp nhiệt điện mà không ảnh hưởng đến nhiệt độ hiển thị riêng chúng Màn hiển thị hiển thị OT, lúc động tích nhỏ Ta chuyển pittong vị trí thấp cách lấy tay xoay trục quay động cơ, ấn nút V Màn hình hiển thị lên revs/min, nhiệt độ thực T1 T2 Luận văn tốt nghiệp Xác định hệ số phát nhiệt đèn cồn ( GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Q ) t Xác định Q = m.q Xác định thời gian t đồng hồ bấm → Hệ số nhiệt Q ( Lưu ý hệ số phát nhiệt số) t Tiến hành: Xác định khối lượng cồn cân: + Cân khối lượng bình chứa + Cân khối lượng bình chứa cồn → khối lượng cồn sử dụng m ( Lưu ý thời gian thí nghiệm có hạn nên lần đong khoảng 10→15ml cồn) Tính Q = m.q, với q suất tỏa nhiệt nhiên liệu cồn (qcồn= 29,7 MJ/kg) Chỉnh đèn cồn cháy để đốt nóng động cơ, xác định thời gian t cồn cháy hết đốt Xác định cơng chu trình, biễu diễn vẽ giản đồ Giá trị áp suất p thể tích V trạng thái khí xi lanh động Stirling chuyển sang Sensor Unit pVn qua cổng p-V-n Sensor Tín hiệu p,V từ Sensor chuyển qua dao động ký điện tử (tín hiệu vào qua cổng CH1, CH2) Đồ thị p-V chu trình Stirling hình dao động ký điện tử đường cong kín Chỉnh dao động ký, lấy chuẩn p-V Công động chu kỳ diện tích đường cong kín hệ tọa độ p-V Dùng giấy suốt vẽ lại đường trịn dùng phần mềm Cassy để chuyển tín hiệu qua máy tính Tính diện tích đường cong kín → A = Sđường cong kín Tính hiệu suất động Stirling hoạt động theo chế độ động nhiệt Đèn cồn đóng vai trị nguồn cung cấp lượng để động hoạt động Nhiệt lượng cung cấp làm cho khối khí bên động giãn nỡ sinh công làm cho pittong chuyển động, pittong nối với đầu tay quay, đầu lại tay quay nối với bánh đà Khi Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa pittong chuyển động làm cho bánh đà quay Bánh đà động làm quay motơ máy phát điện thông qua dây cua-roa, từ tạo điện áp hai đầu máy phát Ở chế độ này, động thực việc chuyển đổi lượng từ nhiệt năng→ năng→ điện Tiến hành: Lắp đặt dụng cụ thí nghiệm hình… Dùng đèn cồn đốt nóng mơi chất ống thủy tinh động để động hoạt động Khi hiệu nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh xấp xỉ 80K (hay 800C), quay nhẹ bánh đà theo chiều kim đồng hồ làm cho động bắt đầu hoạt động Trước thực phép đo ta đợi cho nhiệt độ chu kỳ quay ổn định Dùng chuyển đổi lượng (motơ – máy phát điện), để chuyển lượng động thành lượng điện Trước đo nên để động không tải tần số quay nhiệt độ với thí nghiệm ban đầu Quấn sợi dây cuaroa vào bánh đà động bánh đà lớn motơ máy phát điện Biến trở nối với ra, điều chỉnh cho điện trở lớn Mắc biến trở, ampe kế vôn kế vào máy phát điện theo mạch điện hình vẽ: R Generator H C Sơ đồ mạch điện Điện thế, cường độ dòng điện, nhiệt độ số vòng quay/phút động ghi lại + Điện U cường độ dòng điện I đo đồng hồ đo điện đa (ampe kế, vôn kế) + Nhiệt độ T đo cặp nhiệt điện số vòng quay/phút động ghi lại Sensor Thay đổi giá trị biến trở bước một, giá trị u i phép đo ghi lại Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Lặp lại thí nghiệm với bánh đà nhỏ motơ chuyển đổi lượng Tính cơng suất dịng điện: P = U.I Tính cơng dịng điện: A = P.t = U.I.t = I2.R.t → H= A Q Khảo sát động Stirling hoạt động với chế độ máy lạnh – bơm nhiệt Với chế độ này, nguồn điện bên đưa vào máy phát điện làm cho máy phát quay, chuyển động quay máy phát truyền tới bánh đà động Stirling (lúc hoạt động theo chế độ bơm nhiệt) làm cho động chuyển động đưa nhiệt từ bên xilanh Ở chế độ máy thực trình bơm nhiệt, tức chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp (bên xilanh) đến nơi có nhiệt độ cao (mơi trường bên ngồi) Hai cảm biến nhiệt độ, đặt bên xi lanh bên xi lanh giúp cho việc xác định nhiệt độ hai vùng, nối với hộp nhiệt độ nối với cảm biến Cassy Ở chế độ này, động thực việc chuyển đổi lượng từ điện → → nhiệt Tiến hành: Khơng sử dụng đèn cồn thí nghiệm Sử dụng máy biến chuyển hiệu điện 220V sang hiệu điện khoảng 10V Dùng chuyển đổi lượng để cung cấp lượng điện từ máy biến cho máy lạnh hoạt động Quấn sợi dây cuaroa vào bánh đà động bánh đà lớn motơ chuyển đổi lượng Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa Quay nhẹ bánh đà theo ngược chiều kim đồng hồ làm cho động bắt đầu hoạt động Kiểm tra nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh cặp nhiệt điện mắc với cảm biến nhiệt Sensor Kết luận V Câu hỏi: Câu 1: Nêu nguyên tắc hoạt động động nhiệt, viết biểu thức hiệu suất, cho biết đại lượng biểu thức đó? Câu 2: Phát biểu nguyên lý I nguyên lý II Nhiệt động lực học, nêu ý nghĩa nguyên lý ? Câu 3: Trình bày chu trình nhiệt động động Stirling? Một vài số liệu thực tế:  Xác định hệ số phát nhiệt đèn cồn: mlọ= 74,41g mlọ + cồn= 84,32 g t = 32 phút = 1920 s → mcồn = 9,91g → Nhiệt lượng đèn cồn tỏa ra: Q = m q = 294327 J → Hệ số phát nhiệt đèn cồn: Q = 153, 29 J/s t  Xác định công suất hiệu suất động cơ: U (V) I (mA) Lần 2,67 24,06 Lần 2,38 29,60 Lần 1,88 55,70 Lần 2,28 45,56 Lần 2,05 57,78 U = 2,26 I = 42,54 → A = P t = 184,64 J → H= A 100% = 0.063 % Q P  U I = 0,0962 W Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn, Vật lý phân tử nhiệt học , Nhà xuất giáo dục 1997 Lê Văn Thơm, Động Stirling – Luận văn thạc sĩ PGS.TS Trương Quang Nghĩa, Giáo trình Vật lý đại cương A1, NXB ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, năm 2002 Đàm Trung Đồn, Nguyễn Viết Kính, Vật lý phân tử nhiệt học, NXB Đại học trung học chuyên nghiệp, năm 1985 David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker , Cơ sở vật lý (Tập 3: Nhiệt Học) Người dịch: Nguyễn Viết Kính, NXB Giáo Dục Lương Duyên Phu, NHIỆT ĐỘNG HỌC, Khoa Vật Lý, trường ĐH Đà Lạt 7.http://vi.wikipedia.org/wiki/Nhi%E1%BB%87t_%C4%91%E1%BB%99ng_l%E1%BB%B1c_h% E1%BB%8Dc http://google.com.vn ... Hạnh Hoa Chu trình Rankine Chu trình Rankine chu trình gần giống chu trình Carnot , tác nhân chu trình nước,( động nước hoạt động theo chu trình Rankine) H.A 20 Chu trình Rankine Thoạt đầu nước... chứng minh chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch chu trình kết hợp chu trình Carnot nhỏ Trong số chu trình hoạt động máy nhiệt chu trình Carnot có ý nghĩa đặc biệt Đây chu trình gồm hai trình. .. bốc cháy VII Động đốt Động đốt loại động tạo công học cách đốt nhiên liệu bên xilanh động Động đốt gồm loại động như: động nước, động Stirling, động Cyclone… Động nước Động Stirling Động Cyclone