6. Phương pháp nghiên cứu
2.2. Thiết kế một số thí nghiệm gắn kết cuộc sống trong phần Nhiệt học – vật lí
2.2.2. Mơ hình động cơ Stirling
a) Mục đích làm thí nghiệm
- Minh họa một cách trực quan các kiến thức trong bài “Các nguyên lí của nhiệt động lực học”.
b) Dụng cụ thí nghiệm
Bảng 2.6: Các dụng cụ để chế tạo động cơ Stirling.
Máy khoan, các loại mũi khoan
Compa Các loại kiềm Keo AB
Dao rọc giấy Đèn cồn Keo 502
Bảng 2.7: Các vật liệu để chế tạo động cơ Stirling. Tên vật liệu Số lượng Hình ảnh Tên vật liệu Số lượng Hình ảnh
Vỏ lon 04
Bong bóng 01
Căm xe đạp 03
Ống dây 01
Ốc, tán 05
Mặt bích ớng 01
Bùi nhùi thép 01
Tấm nhôm 01
Nắp chai nước 02
c) Cách thức chế tạo và tiến trình thực hiện
Gia công sản phẩm:
- Bước 1: Cắt lon (A) cao 10cm, lon (B) cao 6cm và lon (C) như hình vẽ. Dùng máy khoan khoan một lỗ ngay tâm, 2 lỗ trên thành, 2 lỗ dưới đáy của lon (B), khoan 1 lỗ ngay tâm của đáy lon (C).
- Bước 2: Cắt 2 đế chặn pittong tự do ( lưu ý đường kính phải nhỏ hơn đường kính lon (A) một chút).
- Bước 3: Dùng tấm nhôm cắt thanh chữ L để làm giá đỡ để xi lanh của pittong truyền lực.
- Bước 4: Dùng kéo cắt mặt bích ớng có chiều cao 3 cm. Dùng máy khoan khoan 2 lỗ lên thành mặt bích ớng và khoan một lỗ nhỏ ở giữa đáy mặt bích như hình vẽ.
- Bước 5: Dùng bùi nhùi thép ćn lại thành hình trụ cao 5 cm để làm pittong tự do cho động cơ (cuốn vừa phải không quá chặt).
- Bước 6: Dùng căm xe đạp uốn trục khuỷu cho pittong. (biên độ vừa phải để kéo bong bóng khơng q căng).
- Bước 7: Dùng máy cắt cắt 2 đầu nối domino, 2 nan hoa xe đạp. Dùng máy khoan khoan 3 đầu nối domino.
- Bước 8: Khoan lỗ ngay tâm 2 nắp chai. Lắp ráp sản phẩm:
- Bước 1: Lắp mặt bích ớng và vỏ lon (B) vơ thanh giá đỡ chữ L bằng ốc, tán và siết chặt.
- Bước 2: Sau đó, dùng ớng dây nới từ đáy lon (B) qua thành lon (B) vào mặt bích ớng thơng qua các lỗ đã khoan.
- Bước 3: Dùng keo AB dán các chỗ hở để khí trong lon kín.
- Bước 4: Gắn 2 đế chặn vào bùi nhùi thép đã cuốn cố định để làm pittong tự do bằng căm xe đạp và siết chặt cố định bằng đầu domino.
- Bước 5: Dùng 2 nắp chai gắn vào bong bóng bằng nan hoa xe đạp để làm pittong truyền lực.
- Bước 6: Gắn pittong truyền lực vào mặt bích ớng. Để cho kín khí, có thể dùng ruột xe đạp bao quanh mặt bích ớng để bong bóng khơng bị sứt ra.
- Bước 7: Gắn trục khuỷu đã uốn vào lon (C). Dùng 2 miếng nhựa nhỏ gắn vô hai bên đầu trục để trục quay không bị lắc. Dùng 2 đầu nối domino đã cắt khóa 2 bên đầu trục để trục khuỷu không bị dịch qua lại.
- Bước 8: Gắn chặt lon (A) đã có pittong tự do vào lon (B) bằng keo 502. - Bước 9: Gắn chặt lon (C) lên lon (B) bằng keo 502.
- Bước 10: Dùng đầu nối domino nối pittong tự do lên trục khuỷu. - Bước 11: Gắn đĩa vào trục khuỷu và cố định bằng keo nến.
- Bước 12: Nối pittong truyền lực vào trục khuỷu bằng đầu nối domino. - Bước 13: Làm két nước gắn vào lon (A), cách đáy lon 5 cm.
Sản phẩm hoàn thành:
Hình 2.11: Mơ hình động cơ Stirling.
Vận hành sản phẩm:
- Bước 1: Đốt đèn cồn và đặt vào giá đỡ, đổ nước vào két nước của động cơ. - Bước 2: Đặt động cơ lên giá đỡ, di chuyển pittong tự do lên vị trí giữa lon (để bùi nhùi bên trong không bị cháy khi nhiệt độ cao).
- Bước 3: Đợi khoảng 1 phút, dùng tay di chuyển bành đà để tạo đà cho động cơ hoạt động tớt nhất.
d) Ngun lí hoạt động
Động cơ Stirling hoạt động theo một chu trình gờm bớn giai đoạn, mỗi giai đoạn là một q trình thuận nghịch, và cả bớn q trình thuận nghịch này tạo nên chu trình Stirling như hình:
- Ở vị trí 1 như hình, pittong 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 pittong truyền lực di chuyển lên phía trên.
- Ở vị trí 2, pittong truyền lực ở vị trí cao nhất của quỹ đạo chuyển động (khới khí
đạt thể tích lớn nhất V2). Giai đoạn pittong truyền lực di chuyển chậm lên vị trí cao nhất được xem như q trình đẳng tích. Pittong tự do lúc này di chuyển đến vùng nóng, đẩy khí di chuyển lên vùng lạnh. Trong thiết kế này, pittong tự do sẽ trữ nhiệt lượng QC của khí khi nó được làm lạnh từ nhiệt độ TH đến TC.
- Ở vị trí 3, tồn bộ lượng khí đang ở vùng lạnh, lúc này khí sẽ co lại và kéo pittong truyền lực đi x́ng.
- Ở vị trí 4, pittong truyền lực di chuyển chậm và bị nén hoàn toàn ở vị trí thấp nhất của quỹ đạo (khới khí có thể tích nhỏ nhất V1). Pittong tự do di chuyển lên trên và đẩy khới khí x́ng vùng nóng. Khi khới khí lạnh đi ngang qua pittong tự do, nó sẽ nhận lại nhiệt lượng QH đã trữ trước đó. Động cơ Stirling khi hồn tất chu trình sẽ trở về vị trí 1, và cứ thế lặp đi lặp lại.
e) Đề xuất sử dụng thí nghiệm
- Phương án 1: Ta có thể sử dụng thí nghiệm này để vào phần vận dụng trong bài các nguyên lí của Nhiệt động lực học hoặc có thể sử dụng vào phần mở đầu bài học này để kích thích sự hứng thú của học sinh, rèn luyện tính kiên nhẫn và kĩ năng thực hành thí nghiệm của học sinh.
- Phương án 2: Dạy học chủ đề STEM trong dạy bài các nguyên lí nhiệt động lực học.