BẠNHỌC - mm TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM sp SỐ TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP DE TAI: KHAO SÁT DONG CƠ KHÍ NÓNG HOAT DONG THEO CHU TRÌNH STIRLING SVTH: Lê Anh Đức MSSV : K32.013 Nién khóa 2006 — 2010 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa LỜI NÓI ĐÀU Nhiệt động lực học là một khoa học tương đối trẻ, ra đời vào đầu thế kỷ XIX. Nhiệt động lực học ra đời như một khoa học vẻ sự truyền nhiệt và nghiên cứu về các quá trình xảy ra trong máy nhiệt - những cỗ máy đã lam thay đôi cá nên văn minh của nhân loại.
Việc phát minh ra các máy nhiệt, đặc biệt là động cơ hơi nước, có một tầm ảnh hưởng vỏ cùng quan trọng với lịch sử của các cuộc cách mạng công nghiệp. Động cơ Stirling cũng thuộc nhóm động cơ đốt ngoài như động cơ hơi nước, nd được phát minh bởi Robert Stirling vào năm 1816, trước ca động co Otto và Diesel. Hiện tại động cơ này vẫn còn rất nhiều những hạn chế can khắc phục, nhưng các nha chế tạo vẫn không ngừng quan tâm nghiên cứu bởi một ưu điểm ma khó có một loại động cơ nao có được đó là khả nang sử dụng bat ki nguôn nhiên liệu nào từ than củi, than đá, dầu mỏ, côn, năng lượng mặt trời. Với mục tiêu chính là nghiên cứu tông quan vẻ Nhiệt động lực học, máy nhiệt và đặc biệt là động cơ Stirling dé từ đó dé xuất khả năng ứng dung cũng như là sử dụng động cơ Stirling trong các bai thi nghiệm Vật Lý Nâng Cao.
em đã chọn đẻ tài luận văn: "KHẢO SÁT DONG CƠ KHÍ NÓNG HOẠT DONG THEO CHU TRINH STIRLING”. Luận văn sẽ bao gồm ba nội dung chính: PHAN I: TONG QUAN VE NHIỆT DONG LỰC HỌC - MAY NHIỆT PHAN 2: TONG QUAN VE DONG CO STIRLING PHAN 3: BÀI THÍ NGHIEM SU DUNG ĐỘNG CO STIRLING Em mong luận văn này sẽ được xem như một tải liệu dé các bạn sinh viên có thẻ tham khảo, nâng cao kiến thức và có thê vận dụng dé tien hành thí nghiệm thực tiễn. Tuy nhiên, nội dung của luận văn chi là những kien thức năm trong một phạm vi hệ thong kien thức rộng lớn, đòi hỏi phải có sự nghiên cứu lâu dai, mà trong thời gian cho phép của luận văn thì em không thé tìm hiểu hết được. Hơn nữa, với tam hiểu biết và kiến thức còn nhiều hạn che, chắc chắn em sẽ không thẻ tránh khỏi những sai sót trong khi thực hiện khóa luận này.
Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các Thay Cô và của các bạn sinh viên. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Quý Thay Cô khoa Vật Lý , Trường DH Sư Phạm Tp. HCM đã tạo điều kiện thuận lợi trong qua trình học tập, cũng như trong thời gian em thực hiện luận văn. Tiếp đến, em xin chân thành cảm ơn Cô Lương Hạnh Hoa và Thay Nguyễn Hoang Long — những người Cô, người Thây đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian lảm luận văn.
Sinh viên thực hiện luận văn: Lê Anh Đức Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa PHAN1. TONG QUAN VE NHIỆT DONG LỰC HỌC - MAY NHIET I. Nhiệt động lực hoc Nhiệt động lực học là khoa học về sự truyền nhiệt — là một lĩnh vực tương đối trẻ, ra đời vào đầu thé kỷ XIX. Nhiệt động lực học ra đời như một ngảnh khoa học về các quá trình xảy ra trong các máy nhiệt ( máy hơi nước, máy lạnh, động cơ đốt trong.), nghĩa là như một khoa học về sự chuyên hóa nhiệt thành công cơ học và ngược lại.
Trong quá trình phát trién lĩnh vực nghiên cứu của Nhiệt động lực học đã mở rộng va mang tính chat của một khoa học vật lý cơ ban. Ngày nay đối tượng nghiên cứu của nó là mọi quá trình chuyên hóa vật chất có gắn với sự tỏa hay hấp thụ nhiệt lượng. sự thực hiện công. Nhiệt động lực học la môn học chuyên nghiên cứu mỗi liên hệ giữa các dang năng lượng khác với nhiệt lượng và công cơ học, và sự chuyên hóa từ đạng năng lượng này sang đạng năng lượng khác.
Nó dựa trên hai qui luật thực nghiệm cơ bản: Qui luật thứ nhất nói lên sự tương đương giữa các dạng năng lượng. Qui luật này không cho biết dạng năng lượng khác nhau hay không mà chỉ cho biết sự tương đương vẻ số lượng giữa chúng ma thôi. Qui luật thứ hai nói lên tỉ lệ nhiệt lượng có thé biến thành công cơ học trong mỗi điều kiện, do đó cho biết chiều hướng diễn biến của các qui luật tự nhiên. Cũng như thuyết động học phân tử, đối tượng của Nhiệt động lực học 14 các hệ gồm rất nhiều các phân tử, vả quy luật của nó lả các qui luật thong kê chi đúng với đa số trường hợp va với các hệ có rất nhiều phân tử mả thôi.
Nó không thẻ áp dụng cho từng phân tử riêng lẽ vả trong từng trường hợp cụ thẻ đều có ít nhiều sai lệch so với thực tế. Đỗi với những hệ quá lớn ( Hệ mật trời, thiên ha.) thì các qui luật của Nhiệt động lực học cũng mat đi ý nghĩa, vì ta không the khái quát hóa các qui luật quan sát được trong một phạm vi hẹp vào một không gian rộng lớn hơn. Thuật ngữ nhiệt động học (hoặc nhiệt động lực học) có hai nghĩa: - Khoa học về nhiệt va các động cơ nhiệt (nhiệt động học cô điền) - Khoa học vẻ các hệ thống ở trạng thái cân bằng (nhiệt động học cân bằng) Ban đầu, nhiệt động học chi mang nghĩa thứ nhất. Vé sau, các công trình tiên phong của Ludwig Boltzmann đã đem lại nghĩa thứ hai.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa Các nguyên lý nhiệt động lực học có thé áp dụng cho mọi hệ vật lý, chi can biết sự trao đổi năng lượng với môi trường mà không phụ thuộc vao chỉ tiết tương tác trong các hệ ấy. Albert Einstein đã dựa vào nhiệt động học đề tiên đoán vẻ phát xạ tự nhiên. “Nhiệt động lực học là lý thuyết vật lý duy nhất tổng quát, trong khả năng ứng dung và trong các cơ sở lý thuyết của nó, mà tôi tin rằng sẽ không bao giờ bị lật đổ. "- Albert Einstein Nhiệt động học là một bộ phận của vật lý thong kê.
Cá hai đều nằm trong số những lý thuyết lớn làm nén tảng cho những kiến thức đương đại về vật chất. Khái niệm trung tâm của nhiệt động lực học là nhiệt độ. Từ nay quen thuộc đến nỗi hau hết trong chúng ta, vì hình thành nên từ cam giác nóng và lạnh, có xu hướng tin rằng chúng ta đã hiểu nó. Thực ra, cảm giác nhiệt độ của chúng ta không phải luôn luôn đúng.
Và khái niệm quan trọng nhất trong nhiệt động học là khái niệm nội năng. Nội năng lả tat cả các đạng năng lượng chứa trong một hệ cô lập. Như vậy có nghĩa 14 nội năng gồm động năng phân tử, thé năng tương tác phân tử của hệ, và kế cả năng lượng hạt nhân. Đối tượng của nhiệt động học là các hệ vi mô, tức 14 các hệ vật chất có chứa một số lớn các hạt thành phan, Các hệ vi mô cũng được gọi là vật thé hay vật.
Các hệ này được khảo sát trong điều kiện có chuyên động nhiệt nên còn gọi là các hệ nhiệt. Sau này khi nói về hệ vật lý mà không nói cụ thé, ta sẽ hi¢u ngam định là hệ nhiệt. Mục đích của nhiệt động học như vậy là nghiên cứu các tinh chất của các hệ nhiệt. Sơ lược lịch sử môn nhiệt động lực học Trái với nhiều chuyên ngành vật lý khác, bộ môn nhiệt động học mới chỉ xuất hiện cách đây chưa lâu.
Nhữừng nghiên cứu đầu tiên ma chúng ta có thé xếp vào ngành nhiệt động học chính là những công việc đánh dấu và đo nhiệt độ, lần đầu tiên được thực hiện bởi nhà khoa học người Đức Gabriel Fahrenheit (1686-1736) - người đã dé xuất ra thang đo nhiệt độ đầu tiên mang tên ông. Trong thang nhiệt này, 32 độ F và 212 độ F 1a nhiệt độ tương ứng với thời điểm nóng chảy của nước đá vả sôi của nước. Nhà bác học Thụy Si Anders Celsius (1701-1744) cũng xây dựng nên một thang đo nhiệt độ đánh số từ 0 đến 100 mang tên ông dựa vào sự giãn nở của thủy ngân. Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến quá trình truyền nhiệt giữa các vật thể.
Nếu như nhà bác học Daniel Bernoulli (1700-1782) đã nghiên cứu động học của các chất khí và đưa ra liên hệ giữa khái niệm nhiệt độ với chuyên động vi mô của các hạt. Ngược lại, nhà bác học Antoine Lavoisier Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa (1743-1794) lại có những nghiên cứu và kết luận rằng quá trình truyền nhiệt được liên hệ mật thiết với khái niệm đòng nhiệt như một đạng chất lưu. Tuy nhiên, sự ra đời thật sự của bộ môn nhiệt động học là phải chờ đến mãi thé ki thứ 19 với tên của nhà vật lý người Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) cùng với cudn sách của ông mang tên "Y nghĩa của nhiệt động năng và các động cơ ứng dung loại năng lượng này". Ong đã nghiên cứu những cỗ máy được gọi là động cơ nhiệt: Một hệ nhận nhiệt từ một nguồn nóng đẻ thực hiện công đưới đạng cơ học đồng thời truyền một phần nhiệt cho một nguồn lạnh.
Chính từ đây đã dẫn ra nguyên lý bao toàn năng lượng (tiên dé cho nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học), va đặc biệt, khái niệm về quá trình thuật nghịch mà sau nảy sẽ liên hệ chặt ché với nguyên lý thứ hai. Ông cũng bảo vệ cho ý kiến của Lavoisier rằng nhiệt được truyền di dựa vao sự tổn tại của một dong nhiệt như một dòng chất lưu. Những khái niệm về công và nhiệt được nghiên cứu kĩ lưỡng bới nha vật lý người Anh James Prescott Joule (1818-1889) trên phương diện thực nghiệm vả bởi nha vật lý người Đức Robert von Mayer (1814-1§7§) trên phương diện lý thuyết xây dựng từ cơ sở chất khí. Cả hai đều đi tới một kết quả tương đương về công và nhiệt trong những năm 1840 và đi đến định nghĩa về quá trình chuyên hoá năng lượng.
Chúng ta đã biết rằng sự ra đời của nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là do công lao to lớn của Mayer. Nha vật lý người Pháp Emile Clapeyron (1799-1864) đã đưa ra phương trình trang thai của chất khi lý tưởng vào năm 1843.