7. Đóng góp của đề tài
2.3.2. Các thí nghiệm định tính và định lượng các định luật chất khí
2.3.2.1. Định luật Sác-lơ
a) Thí nghiệm định tính
- Mục đích thí nghiệm: Minh họa sự phụ thuộc của áp suất vào nhiệt độ trong quá trình đẳng nhiệt
* Dạng 1:
- Dụng cụ thí nghiệm: + Trứng đã luộc chín
+ Bình cầu không nhánh đáy bằng + Kẹp đốt hóa chất
+ Bông gòn, cồn, bật lửa. - Tiến hành thí nghiệm
Đốt cháy bông đã tẩm cồn rồi cho vào bình cầu. Trong lúc bông đang cháy bên trong bình, đặt quả trứng đã luộc chín lên miệng bình hình cầu. Quả trứng từ từ chui tọt vào miệng bình rồi vào bên trong bình.
Hình 2.6. Thí nghiệm đơn giản minh họa định tính định luật Sác-lơ - Giải thích thí nghiệm:
Khi ta đặt quả trứng lên miệng bình hình cầu, ta đã cô lập khối khí bên trong bình. Khi cháy hết ô-xi, nhiệt độ bên trong bình giảm xuống đột ngột làm cho áp suất giảm theo, tạo nên một lực hút làm cho quả trứng chui vào bên trong bình. * Dạng 2:
- Dụng cụ thí nghiệm:
+ Bình cầu không nhánh đáy bằng, đường kính miệng 3cm. + Nắp nhựa có đường kính bé hơn 3cm.
+ Khay có đựng một ít nước pha màu đỏ. + Kẹp đốt hóa chất.
+ Bông gòn, cồn, bật lửa. - Tiến hành thí nghiệm:
Đốt cháy bông đã tẩm cồn rồi cho vào nắp nhựa đặt trên khay. Úp miệng bình hình cầu lên nắp nhựa. Nước dâng lên trong bình
Hình 2.7. Thí nghiệm đơn giản giải thích hiện tượng liên quan đến định luật Sác-lơ - Giải thích thí nghiệm
Khi ta úp miệng bình hình cầu lên nắp nhựa, ta đã cô lập khối khí trong bình. Khi cháy hết oxi trong bình, nhiệt độ khối khi trong bình giảm xuống đột ngột làm cho áp suất giảm theo tạo nên lực hút cột chất lỏng dâng lên trong bình.
b) Thí nghiệm định lượng
- Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự thay đổi áp suất của khối khí theo nhiệt độ của nó trong quá trình biến đổi đẳng tích, trên cơ sở đó kiểm chứng định luật Sác-lơ. - Dụng cụ thí nghiệm:
+ Xi-lanh có pít-tông bằng thủy tinh (trong pít-tông có chứa một lượng dầu nhờn, mức dầu cao hơn 5mm so với lỗ hở nằm ở chính giữa thân của pít-tông).
+ Áp kế khí 0,5.105
– 2,0.105 Pa.
+ Thanh trượt có vít hãm ở phía sau giá đỡ. + Ống nhựa đường kính 3mm.
+ Bình khí bằng nhôm, có nắp cao su trên có lỗ cắm với ống nhựa. + Chân đế có trụ thép inox D10mm.
+ Bình đun nước siêu tốc 220V-300W. + Nhiệt kế rượu.
+ Que thủy tinh.
+ Cốc thủy tinh có vòi dẫn nước. + Chậu thủy tinh.
+ Lắp giá đỡ vào trụ thép, điều chỉnh độ cao của xi-lanh cách bàn khoảng 20cm. Dùng ống nhựa nối đầu dưới của xi-lanh với lỗ cắm phía trên bình khí.
+ Cho bình khí vào cốc thủy tinh, vòi của cốc thủy tinh cho vào chậu thuỷ tinh.
+ Lắp nhiệt kế vào giá đỡ, sao cho đầu dưới của nhiệt kế cho vào cốc thủy tinh.
Hình 2.8. Bố trí dụng cụ thí nghiệm kiểm chứng định luật Sác-lơ - Tiến hành thí nghiệm:
+ Cho nước vào bình và đun nước.
+ Cố định vị trí pít-tông để giữ thể tích khí không đổi. Cho nước vào cốc thủy tinh, ghi nhiệt độ và áp suất ban đầu của khí trong bình vào bảng.
P (105Pa) T (K) p
T
α = ∆α
+ Cho nước sôi vào cốc thủy tinh sao cho mỗi lần đo, áp suất tăng lên 0,05.105 Pa (tương ứng một vạch trên áp kế) thì dừng rót nước sôi. Dùng que thủy tinh khuấy đều, khi nhiệt độ trên nhiệt kế ổn định thì ta ghi cặp giá trị (p, T) này vào bảng. Làm như vậy 5 lần để có 5 cặp giá trị.
+ Tính giá trị thương số α = p T/ và sai số tỉ đối ∆α . Từ đó rút ra mối liên hệ giữa áp suất p và nhiệt độ tuyệt đối T trong quá trình đẳng tích.
+ Kết quả tham khảo khi tiến hành thí nghiệm:
P (105Pa) T (K) p T α = ∆α 1,00 303 330 8,8 1,05 315 333 5,8 1,10 324 339 0,2 1,15 336 342 3,2 1,20 342 350 11,2 338,8 α = ∆α =5,8 Sai số tỉ đối: 5.8 0, 017 1, 7% 338.8 α δ α ∆ = = = = - Chú ý:
+ Áp kế được lắp sẵn vào xi-lanh nên không tháo áp kế ra sau khi làm xong thí nghiệm.
+ Khi vặn vít để cố định pít-tông và cố định vị trí của giá đỡ xi-lanh, ta cần vặn nhẹ.
+ Khi dùng bình đun nước bằng điện, cần lưu ý quy tắc an toàn điện. - Nhận xét:
Với cách bố trí lại thí nghiệm với sự hỗ trợ của cốc và chậu thủy tinh, ta có thể dễ dàng thay đổi nhiệt độ của nước và từ đó thay đổi được nhiệt độ của khí trong bình kim loại. Ban đầu, ta cho nước vào cốc thủy tinh với nhiệt độ khoảng 25oC. Sau đó, cho từ từ nước sôi vào, vòi nước ở cốc thủy tinh sẽ dẫn nước ra chậu thủy tinh nhờ đó mà nhiệt độ của nước thay đổi rất chậm.
Hình 2.9. Cách bố trí cốc và chậu thủy tinh để làm thay đổi nhiệt độ của nước. Ta sử dụng bình nhôm chứa khí, để sự truyền nhiệt diễn ra nhanh, nhiệt độ khối khí bên trong bình mau chóng cân bằng với nhiệt độ bên ngoài. Sau mỗi lần cho nước sôi vào, ta cần dùng đũa thủy tinh khuấy đều, và chờ cho số chỉ của nhiệt kế ổn định thì bắt đầu ghi cặp số liệu (p, T). Giai đoạn này ảnh hưởng rất lớn đến sai số tỉ đối của thí nghiệm, vì thế cần tiến hành thí nghiệm đúng theo qui trình đã hướng dẫn.
2.3.2.2. Định luật Gay Luy-xắc
a) Thí nghiệm định lượng
- Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự thay đổi thể tích của khối khí theo nhiệt độ của nó trong quá trình biến đổi đẳng áp, trên cơ sở đó kiểm chứng định luật Gay Luy- xắc.
- Dụng cụ thí nghiệm:
+ Xi-lanh kín có pít-tông.
+ Bình khí bằng nhôm, có nắp cao su, trên có lỗ để cắm ống dẫn khí đến xi- lanh.
+ Cốc thủy tinh có vòi dẫn nước. + Chậu thủy thinh.
+ Bình đun nước siêu tốc 220V-300W. + Que thủy tinh.
- Lắp ráp thí nghiệm:
+ Lắp ống dẫn khí nối từ bình khí vào xi-lanh. + Quay đế thiết bị đỡ xi-lanh trên mặt bên của nó.
+ Đặt bình khí vào cốc thủy tinh, vòi của cóc thủy tinh cho vào chậu thủy tinh.
+ Đặt nhiệt kế vào cốc thủy tinh để đo nhiệt độ.
Hình 2.10. Cách bố trí dụng thí nghiệm kiểm chứng định luật Gay – Luy-xắc - Tiến hành thí nghiệm:
+ Cho nước vào bình và đun nước.
+ Cho nước vào cốc thủy tinh, sau đó cho nước sôi từ từ vào cốc, sao cho pít- tông dịch chuyển một đoạn khoảng 2 mm thì dừng lại, dùng đũa thủy tinh khuấy đều, khi nhiệt độ trên nhiệt kế ổn định thì ghi cặp giá trị (V, T) vào bảng.
Ở đây, thể tích khí tính theo công thức :
2 2 3 πd 3,14(32,5) V=S.h= .h= .h(mm ) 4 4 (d là đường kính pít-tông, d = 32,5mm) V (mm3) T (K) α =V T/ ∆α - Nhận xét:
Ở thí nghiệm kiểm chứng định luật Gay – Luy-xắc, để thu số liệu nhiệt độ thích hợp, ta cũng tiến hành giống như thí nghiệm kiểm chứng định luật Sác-lơ. Đặc biệt, trong quá trình cho nước sôi vào cốc thủy tinh, vì pít-tông rất nhạy khi dịch chuyển trong xi-lanh nên ta cần tiến hành thật chậm kết hợp quan sát pít-tông dịch chuyển, mỗi lần pít-tông dịch chuyển khoảng 2-3 mm thì dừng lại, chờ nhiệt độ ổn định rồi ta ghi cặp số liệu (V, T).
2.3.3. Xây dựng mô hình động cơ Stirling 2.3.3.1. Giới thiệu động cơ Stirling 2.3.3.1. Giới thiệu động cơ Stirling
Động cơ Stirling, được phát minh bởi Robert Stirling vào cuối thế kỉ XIX, là một loại động cơ nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý biến nhiệt lượng thành công. Có hai loại động cơ nhiệt phổ biến là động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài. Động cơ đốt trong sử dụng sự đốt cháy nhiên liệu bên trong xi-lanh của động cơ, trong khi đó, động cơ đốt ngoài sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài để đốt nóng tác nhân sinh công bên trong động cơ. Nguồn nhiệt này có được từ việc đốt cháy các loại nhiên liệu (xăng, dầu hỏa, than…), từ năng lượng Mặt trời, từ nhiệt sinh ra do phân hủy các chất hữu cơ… Động cơ Stirling thuộc loại động cơ đốt ngoài, tất cả các động cơ Stirling hoạt động đều đòi hỏi sự chênh lệch nhiệt độ được tạo ra từ một vùng tiếp xúc với nguồn nóng và một vùng khác trên động cơ được làm mát. Khác với động cơ đốt trong, khí (tác nhân sinh công) bên trong xi-lanh của động cơ Stirling là một khối khí cô lập và không bị đốt cháy, do đó không tiêu thụ nhiên liệu và xả khí thải ra môi trường. Nếu nguồn nhiệt bên ngoài dùng để cung cấp nhiệt lượng cho động cơ Stirling là sạch thì đây là loại động cơ thân thiện với môi trường hơn rất nhiều so với các loại động cơ tiêu thụ nhiên liệu, xả khí thải ra môi trường. Động cơ Stirling cũng ít gây ra ô nhiễm tiếng ồn vì nó không có các van lấy khí và xả khí, không có giai đoạn đánh lửa đốt cháy nhiên liệu, đây là những nguồn chính gây ra ô nhiễm tiếng ồn của các loại động cơ đốt trong hiện nay. Và đặc biệt, động cơ Striling có thể dùng trong dạy học để minh họa một cách trực quan các kiến thức của chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”.
2.3.3.2. Nguyên lí hoạt động của động cơ Stirling
Động cơ Stirling hoạt động theo một chu trình gồm bốn giai đoạn, mỗi giai đoạn là một quá trình thuận nghịch, và cả bốn quá trình thuận nghịch này tạo nên chu trình Stirling như hình 2.11.
Động cơ Stirling kiểu pít-tông tự do như hình 2.12 có thể sử dụng trong dạy học ở các trường phổ thông. Động cơ Stirling loại này có một pít-tông nhỏ gọi là pít-tông truyền lực gắn liền với một xi-lanh nhỏ hoặc một lớp màng cao su (tùy trường hợp động cơ hoạt động ở nhiệt độ cao hay thấp); một pít-tông thứ hai nằm bên trong, không khít chặt với một xi-lanh lớn khác, gọi là pít-tông tự do. Vai trò của pít-tông này là di chuyển khối khí bên trong xi-lanh lên xuống giữa hai vùng có nhiệt độ khác nhau trên động cơ, một vùng được nguồn nhiệt nung nóng và một vùng được làm mát. Ở thiết kế như hình 2.12, đáy dưới của động cơ được nung nóng bằng một ngọn lửa và phía trên được làm mát bằng nước hoặc môi trường xung quanh. Hai pít-tông được liên kết với nhau sao cho chuyển động của chúng lệch pha nhau 90o để khi pít-tông truyền lực đang di chuyển chậm ở vị trí cao nhất hoặc thấp nhất thì pít-tông tự do ở điểm giữa của quỹ đạo chuyển động với vận tốc lớn nhất.
Hình 2.11. Giản đồ p–V của chu trình Stirling
Hình 2.12. Các giai đoạn hoạt động của chu trình Stirling loại pít-tông tự do
−Ở vị trí 1 của hình 2.12, pít-tông tự do đang ở vị trí trên cùng, lúc này lượng khí sẽ chiếm chỗ vùng nóng đang ở nhiệt độ TH. Khí nhận nhiệt lượng QH, dãn nở và đẩy pít-tông truyền lực di chuyển lên phía trên (đường 12 trên hình 2.12).
−Ở vị trí 2, pít-tông truyền lực ở vị trí cao nhất của quỹ đạo chuyển động (khối khí đạt thể tích lớn nhất V2). Giai đoạn pít-tông truyền lực di chuyển chậm lên vị trí cao nhất được xem như quá trình đẳng tích (đường 23 trên hình 2.12). Pít-tông tự do lúc này di chuyển đến vùng nóng, đẩy khí di chuyển lên vùng lạnh. Trong thiết kế này, pít-tông tự do sẽ trữ nhiệt lượng QC của khí khi nó được làm lạnh từ nhiệt độ TH đến TC.
− Ở vị trí 3, toàn bộ lượng khí đang ở vùng lạnh, lúc này khí sẽ co lại và kéo pít- tông truyền lực đi xuống (đường 34 trên hình 2.12).
− Ở vị trí 4, pít-tông truyền lực di chuyển chậm và bị nén hoàn toàn ở vị trí thấp nhất của quỹ đạo (khối khí có thể tích nhỏ nhất V1). Pít-tông tự do di chuyển lên trên và đẩy khối khí xuống vùng nóng. Khi khối khí lạnh đi ngang qua pít-tông tự do, nó sẽ nhận lại nhiệt lượng QH đã trữ trước đó (đường 41 trên hình 2.12). Động cơ Stirling khi hoàn tất chu trình sẽ trở về vị trí 1, và cứ thế lặp đi lặp lại.
2.3.3.3. Xây dựng động cơ Stirling từ vỏ lon, chai nhựa và các vật liệu đơn giản
Có hai mẫu động cơ Stirling loại pít-tông tự do có thể chế tạo dùng trong dạy học: loại hoạt động ở nhiệt độ thấp và loại hoạt động ở nhiệt độ cao.
- Động cơ Stirling loại pít-tông tự do, như hình 2.12, hoạt động với nguồn nóng có nhiệt độ thấp (hơi nóng của tách nước sôi…) có thể được chế tạo hoàn toàn từ những dụng cụ rẻ tiền. Thành phần cấu tạo chính:
+ Xi-lanh lớn là bộ phận chứa pít-tông tự do, hai đáy của xi-lanh được đóng kín bằng hai đĩa nhôm. Hai đĩa nhôm này có thể tận dụng từ các hộp đựng sơn hay những lon đồ hộp, phần thân xi-lanh hình trụ có thể lấy từ những ống nhựa lớn (dùng đề làm ống thoát nước mưa) hay các chai nhựa đựng nước ngọt loại lớn. Pít- tông tự do có thể tận dụng từ những miếng xốp.
+ Xi-lanh nhỏ chứa pít-tông truyền lực: Xi-lanh và pít-tông này có thể lấy từ các ống đồng mua ở các cửa hàng bán vật liệu cũ. Ta chọn kích thước của hai ống đồng sao cho một ống vừa khít và có thể trượt bên trong ống còn lại, ống này ta sẽ bịt kín hai đầu để làm pít-tông truyền lực.
+ Trục quay có thể lấy từ dây đồng hoặc dây kẽm. Bánh đà có thể lấy từ đĩa CD, đĩa DVD đã bị hỏng, hoặc miếng gỗ tròn.
- Động cơ Stirling loại pít-tông tự do hoạt động với nguồn nóng có nhiệt độ cao (đun bằng nến hay đèn cồn) có thể được chế tạo từ các loại vỏ lon và các vật dụng rẻ tiền. Ở mẫu động cơ này, ta có thể thay xi-lanh chứa pít-tông truyền lực bằng lớp màng cao su (có thể lấy từ bong bóng). Cơ chế hoạt động của động cơ loại này như sau:
+ Màng cao su được dán chặt vào lon kim loại. Khi lon kim loại được truyền nhiệt lượng, áp suất của khối khí tác dụng lên màng cao su làm nó dãn nở và căng ra, và khi được làm lạnh đi thì màng sẽ co lại.
Hình 2.13. Cấu tạo động cơ Stirling loại pít-tông tự do với nguồn nóng có nhiệt độ cao
+ Tiếp theo, ta cho pít-tông vào bên trong lon kim loại, pít-tông phải có đường kính nhỏ hơn đường kính của lon kim loại để khi pít-tông hoạt động, nó sẽ dễ dàng di chuyển khối khí lên xuống. Phần đáy của lon được nung nóng và phần trên của lon được làm lạnh. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ, ta dùng tay di chuyển pít-tông lên xuống. Vào thời điểm pít-tông di chuyển lên trên, khí bên trong lon được nung nóng và chiếm đầy phần thể tích phía dưới lon, màng cao su dãn ra như
hình 2.13b. Pít-tông di chuyển xuống dưới, phần không khí lạnh sẽ chiếm đầy thể tích phía trên, màng cao su sẽ co lại như hình 2.13c. Pít-tông có đường kính nhỏ hơn lon có thể di chuyển tự do, đẩy khối khí bên trong xi-lanh lên xuống, làm thay đổi áp suất nên pít-tông này gọi là pít-tông tự do. Ta nối pít-tông tự do với với trục quay được bẻ như hình 2.13a, khi trục quay quay sẽ làm di chuyển pít-tông lên xuống, làm màng cao su dãn ra hoặc co lại. Động cơ Stirling sẽ chuyển đổi sự co dãn của màng cao su thành chuyển động quay của trục quay. Nối màng cao su với trục quay bằng một thanh nhỏ, lực tạo ra từ màng cao su khi co dãn sẽ điều chỉnh