Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Trong Dạy Học Nhiệt Học Vật Lý 10

Chuyên khảo giáo dục phân tích Thiết kế và chế tạo mô hình động cơ đốt ngoài trong dạy học phần nhiệt học vật lý 10 thpt, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Dương Thị Trinh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thị Vân Sa
• Trường học: Trường Đại Học Quảng Nam
• Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lí
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Trong Dạy Học Nhiệt Học Vật Lý 10
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Quảng Nam

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ
• 1.1. Thí nghiệm vật lí
• 1.1.1. Khái niệm thí nghiệm vật lí
• 1.1.2. Các loại thí nghiệm sử dụng trong dạy học vật lí
• 1.2. Thí nghiệm tự tạo
• 1.2.1. Khái niệm thí nghiệm tự tạo
• 1.2.2. Ưu điểm và hạn chế của thí nghiệm tự tạo
• 1.2.3. Yêu cầu cần đảm bảo của thí nghiệm tự tạo
• 1.2.4. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học
• 1.2.4.1. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học đối với giáo viên
• 1.2.4.2. Vai trò của thí nghiệm tự tạo trong quá trình dạy học đối với học sinh
• 1.3. Thực trạng của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở trường THPT Nguyễn Huệ huyện Núi Thành
• 1.3.1. Mục đích điều tra
• 1.3.2. Phương pháp điều tra
• 1.3.3. Kết quả điều tra
• 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG CHƯƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VẬT LÝ 10 CƠ BẢN
• 2.1. Đặc điểm cấu trúc chương cơ sở của nhiệt động lực học
• 2.2. Đặc điểm về kiến thức của chương
• 2.3. Mục tiêu về kiến thức của chương
• 2.4. Mục tiêu về kỹ năng của chương
• 2.5. Một số khó khăn của học sinh khi học chương cơ sở của nhiệt động lực học
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM
• 3.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm
• 3.2. Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm
• 3.3. Đối tượng và nội dung thực nghiệm sư phạm
• 3.4. Phương pháp thực nghiệm sư phạm
• 3.5. Chọn mẫu thực nghiệm sư phạm
• 3.6. Tiến trình thực nghiệm sư phạm
• 3.7. Quan sát giờ học
• 3.8. Kiểm tra đánh giá
• 3.9. Điều tra và thăm dò
• 3.10. Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm
• 3.10.1. Đánh giá định tính
• 3.10.2. Đánh giá định lượng
• 3.11. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• Phần III: KẾT LUẬN
• Phần IV: TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Vật Lý 10

Chương trình Vật lý lớp 10, đặc biệt là phần Nhiệt học, thường gặp khó khăn trong việc truyền tải kiến thức một cách trực quan. Các khái niệm như nội năng, nhiệt lượng, và các nguyên lý của nhiệt động lực học trở nên trừu tượng khi chỉ được giảng dạy trên lý thuyết. Việc thiếu các thí nghiệm minh họa khiến học sinh khó hình dung và nắm bắt bản chất của các hiện tượng vật lý. Do đó, việc thiết kế mô hình động cơ đốt ngoài trở thành một giải pháp hiệu quả để tăng tính trực quan và sinh động cho bài giảng. Mô hình này không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt mà còn khơi gợi sự tò mò, hứng thú học tập.

1.1. Vai Trò Của Mô Hình Trực Quan Trong Dạy Học Vật Lý

Mô hình trực quan đóng vai trò then chốt trong việc giảng dạy các khái niệm vật lý trừu tượng. Bằng cách nhìn thấy và tương tác với mô hình, học sinh có thể dễ dàng hình dung các quá trình vật lý diễn ra trong thực tế. Ví dụ, việc quan sát mô hình động cơ đốt ngoài giúp học sinh hiểu rõ hơn về sự chuyển đổi năng lượng từ nhiệt năng sang cơ năng. Điều này đặc biệt quan trọng trong Nhiệt học Vật lý 10, nơi mà nhiều khái niệm liên quan đến năng lượng và nhiệt độ thường khó hình dung.

1.2. Ưu Điểm Của Việc Sử Dụng Động Cơ Đốt Ngoài Trong Dạy Học

So với các loại động cơ khác, động cơ đốt ngoài có cấu tạo đơn giản và dễ quan sát hơn. Điều này giúp học sinh dễ dàng nắm bắt nguyên lý hoạt động và các thành phần chính của động cơ. Hơn nữa, việc thiết kế mô hình đơn giản cho phép giáo viên và học sinh có thể tự chế tạo, tạo điều kiện cho việc học tập chủ động và sáng tạo.

II. Vấn Đề Khó Khăn Dạy Nhiệt Học Vật Lý 10 Không Mô Hình

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc giảng dạy Nhiệt học Vật lý 10 là sự thiếu hụt các công cụ trực quan. Nhiều giáo viên chỉ dựa vào phương pháp thuyết trình và sử dụng hình ảnh tĩnh để minh họa các khái niệm. Điều này có thể dẫn đến tình trạng học sinh học thuộc lòng công thức mà không thực sự hiểu bản chất của các hiện tượng. Theo khảo sát, phần lớn học sinh cảm thấy khó khăn khi giải các bài tập liên quan đến nguyên lý của nhiệt động lực học do không có khả năng hình dung quá trình thực tế. Việc này nhấn mạnh sự cần thiết của việc tích hợp các mô hình động và thí nghiệm thực tế vào quá trình giảng dạy.

2.1. Hậu Quả Của Việc Học Lý Thuyết Suông Trong Vật Lý

Việc học lý thuyết suông, không có thí nghiệm minh họa, có thể dẫn đến việc học sinh chỉ nắm vững kiến thức một cách hời hợt. Các em có thể thuộc công thức nhưng không hiểu rõ ý nghĩa vật lý của các đại lượng và không biết cách áp dụng kiến thức vào giải quyết các bài toán thực tế. Điều này làm giảm sự hứng thú học tập và khả năng tư duy sáng tạo của học sinh.

2.2. Thực Trạng Sử Dụng Thí Nghiệm Trong Dạy Nhiệt Học Vật Lý

Hiện nay, việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học Nhiệt học Vật lý 10 còn rất hạn chế. Nhiều trường học thiếu trang thiết bị thí nghiệm phù hợp hoặc giáo viên không có đủ thời gian và kinh nghiệm để tự chế tạo các mô hình trực quan. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển và ứng dụng các sáng kiến kinh nghiệm trong việc thiết kế và sử dụng các thí nghiệm đơn giản, dễ thực hiện trong dạy học.

2.3. Đánh Giá Mức Độ Hiểu Bài Của Học Sinh Khi Học Nhiệt Học

Đánh giá mức độ hiểu bài của học sinh khi học nhiệt học có thể thực hiện qua các bài kiểm tra, bài tập vận dụng và các dự án nhỏ. Tuy nhiên, cần chú trọng đánh giá khả năng vận dụng kiến thức vào thực tế, khả năng giải thích các hiện tượng tự nhiên và khả năng tư duy sáng tạo của học sinh. Sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài là một cách hiệu quả để đánh giá khả năng này.

III. Cách Thiết Kế Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Dạy Vật Lý 10

Việc thiết kế mô hình động cơ đốt ngoài cho mục đích dạy học cần đảm bảo tính đơn giản, dễ hiểu và dễ chế tạo. Mô hình nên tập trung vào việc minh họa nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ, bỏ qua các chi tiết phức tạp không cần thiết. Các vật liệu sử dụng nên dễ kiếm, rẻ tiền và an toàn. Một số vật liệu có thể sử dụng bao gồm ống nghiệm, lon nước ngọt, dây thép, và đèn cồn. Quan trọng nhất là đảm bảo mô hình hoạt động ổn định và cho phép học sinh quan sát rõ các bộ phận chuyển động.

3.1. Lựa Chọn Vật Liệu Chế Tạo Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài

Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của mô hình. Ưu tiên các vật liệu dễ kiếm, rẻ tiền và an toàn. Ví dụ, sử dụng lon nước ngọt để làm thân động cơ, ống nghiệm để làm xi lanh, và dây thép để làm trục khuỷu. Điều quan trọng là đảm bảo các vật liệu có độ bền cao và chịu được nhiệt độ cao.

3.2. Hướng Dẫn Chi Tiết Các Bước Chế Tạo Mô Hình Đơn Giản

Các bước chế tạo mô hình nên được hướng dẫn chi tiết, rõ ràng và dễ thực hiện. Bắt đầu từ việc chuẩn bị vật liệu, cắt ghép các bộ phận, lắp ráp và kiểm tra hoạt động của động cơ. Có thể sử dụng hình ảnh hoặc video minh họa để giúp học sinh dễ dàng hình dung và thực hiện theo.

3.3. Lưu Ý An Toàn Khi Chế Tạo Và Sử Dụng Mô Hình

An toàn là yếu tố quan trọng hàng đầu khi chế tạo và sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài. Cần hướng dẫn học sinh sử dụng các dụng cụ một cách cẩn thận, tránh làm việc với lửa gần các vật liệu dễ cháy, và đảm bảo không gian làm việc thông thoáng. Giáo viên nên giám sát chặt chẽ quá trình chế tạo và sử dụng mô hình để đảm bảo an toàn cho học sinh.

IV. Ứng Dụng Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Trong Giáo Án Vật Lý 10

Mô hình động cơ đốt ngoài có thể được tích hợp vào giáo án Vật lý 10 một cách hiệu quả. Ví dụ, trong bài học về các nguyên lý của nhiệt động lực học, giáo viên có thể sử dụng mô hình để minh họa quá trình chuyển đổi năng lượng từ nhiệt năng sang cơ năng. Học sinh có thể quan sát và phân tích các giai đoạn của chu trình nhiệt động, từ đó hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt. Ngoài ra, mô hình cũng có thể được sử dụng để giải thích các khái niệm như hiệu suất động cơ và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất.

4.1. Thiết Kế Bài Giảng Sử Dụng Mô Hình Trực Quan Động Cơ

Bài giảng nên được thiết kế theo hướng trực quan, sinh động và gắn liền với thực tế. Sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài làm công cụ trực quan chính, kết hợp với các hình ảnh, video minh họa và các bài tập vận dụng để giúp học sinh hiểu sâu sắc các khái niệm và nguyên lý.

4.2. Phương Pháp Dạy Học Tích Cực Với Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài

Áp dụng các phương pháp dạy học tích cực như thảo luận nhóm, thực hành thí nghiệm và giải quyết vấn đề để khuyến khích học sinh tham gia chủ động vào quá trình học tập. Giáo viên có thể đặt ra các câu hỏi gợi mở, khuyến khích học sinh dự đoán kết quả và giải thích các hiện tượng quan sát được.

4.3. Đánh Giá Hiệu Quả Sử Dụng Mô Hình Trong Dạy Và Học

Đánh giá hiệu quả sử dụng mô hình thông qua các bài kiểm tra, bài tập vận dụng và các hoạt động thực hành. Quan sát thái độ và sự tham gia của học sinh trong quá trình học tập. Thu thập phản hồi từ học sinh và giáo viên để cải thiện phương pháp giảng dạy và thiết kế mô hình.

V. Hiệu Quả Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Nâng Cao Chất Lượng Dạy

Việc sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài trong dạy học Nhiệt học Vật lý 10 mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Theo các nghiên cứu, học sinh được học bằng phương pháp trực quan thường có kết quả học tập tốt hơn so với học sinh chỉ học lý thuyết. Mô hình giúp học sinh dễ dàng hình dung các khái niệm trừu tượng, tăng cường khả năng ghi nhớ và hiểu sâu sắc kiến thức. Ngoài ra, việc tự tay chế tạo mô hình còn giúp học sinh phát triển kỹ năng thực hành và tư duy sáng tạo.

5.1. Khảo Sát Về Mức Độ Hứng Thú Của Học Sinh Với Mô Hình

Thực hiện khảo sát để đánh giá mức độ hứng thú của học sinh với việc sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài trong học tập. Thu thập ý kiến phản hồi về tính hữu ích, tính dễ hiểu và tính hấp dẫn của mô hình. So sánh kết quả học tập của học sinh trước và sau khi sử dụng mô hình.

5.2. So Sánh Kết Quả Học Tập Giữa Nhóm Có Và Không Sử Dụng Mô Hình

Thực hiện so sánh kết quả học tập giữa hai nhóm học sinh: một nhóm được học bằng phương pháp truyền thống và một nhóm được học bằng phương pháp sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài. Sử dụng các bài kiểm tra, bài tập vận dụng và các hoạt động thực hành để đánh giá khả năng nắm bắt kiến thức và kỹ năng giải quyết vấn đề của học sinh.

5.3. Phản Hồi Từ Giáo Viên Về Tính Hữu Ích Của Mô Hình Trong Giảng Dạy

Thu thập phản hồi từ giáo viên về tính hữu ích của mô hình động cơ đốt ngoài trong việc giảng dạy. Đánh giá khả năng hỗ trợ của mô hình trong việc minh họa các khái niệm trừu tượng, tăng cường tính trực quan và sinh động cho bài giảng. Thu thập ý kiến đóng góp để cải thiện thiết kế và phương pháp sử dụng mô hình.

VI. Kết Luận Tiềm Năng Của Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Trong Tương Lai

Việc thiết kế và sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài trong dạy học Nhiệt học Vật lý 10 là một giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng giáo dục. Mô hình không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn về các khái niệm và nguyên lý vật lý mà còn khơi gợi sự tò mò, hứng thú học tập và phát triển kỹ năng thực hành. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các mô hình trực quan sáng tạo khác để đáp ứng nhu cầu đổi mới phương pháp dạy học và nâng cao chất lượng giáo dục.

6.1. Hướng Phát Triển Mô Hình Động Cơ Đốt Ngoài Trong Dạy Học

Nghiên cứu và phát triển các mô hình động cơ đốt ngoài có độ chính xác cao hơn, tính thẩm mỹ cao hơn và dễ sử dụng hơn. Tích hợp công nghệ thông tin vào mô hình để tạo ra các mô phỏng tương tác và các bài học trực tuyến.

6.2. Đề Xuất Giải Pháp Để Phổ Biến Mô Hình Trong Các Trường Học

Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo và các buổi chia sẻ kinh nghiệm để giúp giáo viên làm quen với việc thiết kế và sử dụng mô hình động cơ đốt ngoài. Cung cấp tài liệu hướng dẫn chi tiết và các video minh họa để giáo viên dễ dàng thực hiện.

6.3. Nghiên Cứu Thêm Các Ứng Dụng Của Động Cơ Đốt Ngoài Thực Tế

Nghiên cứu thêm về các ứng dụng thực tế của động cơ đốt ngoài trong đời sống và sản xuất. Giới thiệu các ứng dụng này cho học sinh để tăng cường tính thực tiễn và liên hệ giữa lý thuyết và thực tế.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Trong chương trình Vật lý Trung học phổ thông (THPT), đặc biệt là chương "Cơ sở của nhiệt động lực học" (Vật lý 10), việc truyền tải các khái niệm trừu tượng như nội năng ($U$), độ biến thiên nội năng ($\Delta U$), công ($A$), nhiệt lượng ($Q$) và các chu trình chuyển hóa năng lượng đóng vai trò nền tảng. Tuy nhiên, theo khảo sát thực tế tại các trường phổ thông (điển hình tại THPT Nguyễn Huệ, Quảng Nam), 100% giáo viên giảng dạy chương này theo phương pháp thuần lý thuyết ("dạy chay"), trong đó 54,55% kết hợp trình chiếu PowerPoint và 45,45% áp dụng thuyết trình - đàm thoại truyền thống mà hoàn toàn không có thiết bị thí nghiệm trực quan hay mô hình động cơ vận hành thực tế. Hệ quả là 58,82% học sinh cảm thấy khối lượng kiến thức quá nặng nề, khó hình dung bản chất chuyển hóa nhiệt - công và thường xuyên nhầm lẫn giữa hai khái niệm vật lý cốt lõi: nhiệt độ ($T$) và nhiệt lượng ($Q$).

                      THỰC TRẠNG GIẢNG DẠY NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Đồ án tập trung giải quyết triệt để bài toán trên thông qua việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình Động cơ Stirling kiểu piston tự do (Free-Piston Stirling Engine) hoạt động ở dải nhiệt độ thấp từ các vật liệu tái chế, chi phí cực thấp, kết hợp xây dựng tiến trình dạy học bài 33 "Các nguyên lý của nhiệt động lực học".

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

1. Thiết kế và chế tạo thành công mô hình động cơ đốt ngoài Stirling dạng piston tự do với thân vỏ trong suốt, cho phép quan sát trực tiếp chuyển động lệch pha $90^\circ$ giữa piston tự do và piston truyền lực.
2. Xây dựng kế hoạch bài dạy (giáo án thực nghiệm) bài 33 Vật lý 10, tích hợp mô hình làm thiết bị khởi động tạo tình huống có vấn đề và công cụ kiểm chứng thực nghiệm cho Nguyên lý I ($\Delta U = Q + A$) và Nguyên lý II (chu trình Carnot và máy nhiệt).
3. Triển khai thực nghiệm sư phạm trên 69 học sinh nhằm đánh giá định tính và định lượng hiệu quả nâng cao chất lượng lĩnh hội kiến thức.

Phạm vi và giới hạn

• Phạm vi kỹ thuật: Mô hình động cơ nhiệt đốt ngoài kiểu Beta/Gamma cải tiến, sử dụng nguồn nhiệt ngoài là nến/đèn cồn hoặc nước nóng/đá lạnh, buồng xilanh kín khí làm việc ở áp suất khí quyển.
• Phạm vi sư phạm: Áp dụng cho chương trình Vật lý 10 chuẩn tại trường THPT Nguyễn Huệ, huyện Núi Thành, tỉnh Quảng Nam (Lớp Thực nghiệm 10/6: 34 HS; Lớp Đối chứng 10/4: 35 HS).

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và khoảng trống kỹ thuật

Tiêu chí so sánh	Phương pháp dạy chay / PowerPoint	Bộ Kit thí nghiệm công nghiệp	Mô hình động cơ Stirling tự chế
Tính trực quan	Thấp (chỉ có hình ảnh tĩnh/ảnh động 2D)	Cao (máy gia công kim loại kín)	Rất cao (thân nhựa trong suốt nhìn rõ ruột)
Chi phí chế tạo	0 VNĐ	Rất đắt (1.500.000 – 3.500.000 VNĐ/bộ)	Cực rẻ (< 30.000 VNĐ/mô hình)
Khả năng nhân rộng	Dễ nhưng hiệu quả thấp	Khó trang bị đại trà cho từng nhóm	Rất dễ, học sinh tự làm tại nhà
Minh họa chu trình	Mang tính trừu tượng	Động cơ kín, khó thấy pha $90^\circ$	Thấy rõ buồng nóng, buồng lạnh, tái nhiệt

                       MA TRẬN YÊU CẦU HỆ THỐNG (MoSCoW)

Thiết kế kỹ thuật và kiến trúc hệ thống

Mô hình động cơ đốt ngoài vận hành dựa trên chu trình Stirling kín gồm 4 giai đoạn nhiệt động lực học:

1. Quá trình 1 $\rightarrow$ 2 (Hâm nóng đẳng tích): Piston tự do di chuyển xuống, đẩy khối khí sang vùng nóng ($T_H$), nhận nhiệt lượng $Q_H$, áp suất tăng nhanh.
2. Quá trình 2 $\rightarrow$ 3 (Giãn nở đẳng nhiệt): Khí nóng giãn nở đẩy màng cao su (piston truyền lực) đi lên sinh công cơ học $A$, kéo trục khuỷu quay.
3. Quá trình 3 $\rightarrow$ 4 (Làm lạnh đẳng tích): Piston tự do đi lên, đẩy khí sang vùng làm mát ($T_C$), khí nhường nhiệt $Q_C$, áp suất giảm.
4. Quá trình 4 $\rightarrow$ 1 (Nén đẳng nhiệt): Quán tính bánh đà nén piston truyền lực xuống, khối khí bị nén ở nhiệt độ thấp và hấp thụ lại nhiệt tích lũy trong len thép carbon trước khi lặp lại chu trình.

graph TD
    A[Nguồn nhiệt ngoài: Nến/Nước nóng TH] -->|Cung cấp nhiệt lượng QH| B[Buồng xilanh đáy nhôm]
    B --> C{Piston tự do dịch chuyển}
    C -->|Pha 1: Đẩy khí sang nguồn nóng| D[Khí giãn nở áp suất tăng]
    D -->|Pha 2: Sinh công đẩy| E[Piston truyền lực - Màng cao su]
    E -->|Truyền lực liên kết| F[Trục khuỷu lệch pha 90 độ]
    F -->|Duy trì quán tính| G[Bánh đà đĩa quang CD-ROM]
    G -->|Pha 3 & 4: Kéo nén hồi vị| C
    H[Nguồn làm mát: Đá lạnh/Không khí TC] -->|Hấp thụ nhiệt QC| B
    I[Len thép carbon Regenerator] -->|Thu/Phát nhiệt đẳng tích| C

Thông số kỹ thuật chi tiết các module

                     BẢN VẼ BỐ TRÍ TRỤC KHUỶU VÀ XILANH
               

• Thân xilanh chính (Displacer Cylinder): Vỏ nhựa trong suốt $\phi 65\text{mm}$, chiều cao cắt gọt $120\text{mm}$; đáy tiếp nhiệt làm bằng đáy lon nhôm Coca-Cola liên kết bằng keo chịu nhiệt Epoxy AB 2 thành phần.
• Piston tự do (Displacer Piston): Vỏ nhôm lon nước ngọt gọt tỉa $\phi 60\text{mm} \times 70\text{mm}$, bên trong chứa cuộn sợi len thép carbon đóng vai trò làm bộ phục hồi nhiệt (Regenerator).
• Cơ cấu truyền lực (Power Cylinder): Cút co nhựa PVC $\phi 21\text{mm}$, trổ lỗ dẫn khí $\phi 15\text{mm}$ liên kết cách miệng xilanh chính $20\text{mm}$; màng piston sinh công sử dụng màng cao su đàn hồi (đầu bong bóng dày cắt $35\text{mm}$) kẹp bu-lông đai ốc M4.
• Trục khuỷu lệch pha (Crankshaft): Dây thép carbon cường độ cao $\phi 1,5\text{mm}$, uốn định hình chính xác các phân đoạn: $40\text{mm} - 15\text{mm} - 30\text{mm} - 30\text{mm} - 6\text{mm}$, đảm bảo góc lệch pha hình học $\Delta \theta = 90^\circ$ ($\pi/2\text{ rad}$).
• Bánh đà cân bằng (Flywheel): Đĩa quang CD-ROM đường kính chuẩn $120\text{mm}$, khối lượng phân bố biên lý tưởng giúp tối đa hóa mô-men quán tính ($I = \frac{1}{2}m(r_1^2 + r_2^2)$).

Mô phỏng chu trình nhiệt động học

Đoạn mã Python dưới đây mô phỏng tính toán công chỉ thị và hiệu suất nhiệt động của chu trình Stirling ứng dụng trong mô hình:

import numpy as np

def stirling_cycle_simulation(T_high_K: float, T_low_K: float, V_min: float, V_max: float, n_moles: float):
    """
    Tính toán các thông số nhiệt động của chu trình Stirling lý tưởng
    T_high_K: Nhiệt độ nguồn nóng (Kelvin)
    T_low_K: Nhiệt độ nguồn lạnh (Kelvin)
    V_min, V_max: Thể tích cực tiểu và cực đại của xilanh (m^3)
    n_moles: Lượng mol không khí trong xilanh kín
    """
    R = 8.314  # Hằng số khí lý tưởng J/(mol.K)
    
    # Tỷ số nén/giãn nở thể tích
    r = V_max / V_min
    
    # 1. Quá trình giãn nở đẳng nhiệt (Sinh công ở nguồn nóng)
    W_exp = n_moles * R * T_high_K * np.log(r)
    Q_in = W_exp  # Khí nhận nhiệt lượng từ nguồn nóng
    
    # 2. Quá trình nén đẳng nhiệt (Tiêu tốn công ở nguồn lạnh)
    W_comp = -n_moles * R * T_low_K * np.log(r)
    Q_out = -W_comp  # Khí tỏa nhiệt lượng cho nguồn lạnh
    
    # 3. Công tổng cộng chu trình sinh ra
    W_net = W_exp + W_comp
    
    # 4. Hiệu suất nhiệt động lý thuyết
    eta_thermal = W_net / Q_in
    eta_carnot = 1.0 - (T_low_K / T_high_K)
    
    return {
        "Expansion Work (J)": round(W_exp, 4),
        "Compression Work (J)": round(W_comp, 4),
        "Net Output Work (J)": round(W_net, 4),
        "Thermal Efficiency (%)": round(eta_thermal * 100, 2),
        "Carnot Limit (%)": round(eta_carnot * 100, 2)
    }

# Chạy mô phỏng với thông số thực nghiệm: Thot = 85°C (358.15K), Tcold = 25°C (298.15K)
results = stirling_cycle_simulation(T_high_K=358.15, T_low_K=298.15, V_min=0.0001, V_max=0.00025, n_moles=0.004)
for k, v in results.items():
    print(f"{k}: {v}")

---

Implementation và kết quả

Quy trình gia công chế tạo mô hình thực tế

Quy trình chế tạo được chuẩn hóa qua 4 pha kỹ thuật:

Tiến trình thực nghiệm sư phạm và thiết kế bài dạy

Giáo án bài 33 "Các nguyên lý của nhiệt động lực học" được tổ chức lại theo phương pháp dạy học nêu vấn đề kết hợp phương pháp thực nghiệm:

• Khởi động (5 phút): Biểu diễn mô hình động cơ Stirling chạy bằng nến. Giáo viên đặt câu hỏi: "Tại sao chỉ cần đốt nóng đáy bình và làm mát phần trên thì bánh đà lại quay liên tục? Năng lượng đã được chuyển hóa như thế nào?" $\rightarrow$ Kích thích tính tò mò khoa học.
• Hình thành kiến thức Nguyên lý I (15 phút): Vận dụng thí nghiệm để phân tích: Khí nhận nhiệt lượng $Q > 0$ từ đèn cồn, nội năng tăng ($\Delta U > 0$), giãn nở đẩy màng cao su thực hiện công $A < 0$ lên môi trường ngoài $\rightarrow$ Thiết lập công thức $\Delta U = Q + A$.
• Hình thành kiến thức Nguyên lý II (15 phút): Yêu cầu học sinh chỉ ra vai trò của nguồn lạnh (đá/không khí) và buồng giải nhiệt. Dẫn dắt đến định luật Carnot: Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành công cơ học mà bắt buộc phải truyền một phần nhiệt cho nguồn lạnh $\rightarrow$ Hiệu suất $\eta = \frac{|A|}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} < 1$.
• Luyện tập - Vận dụng (10 phút): Hướng dẫn học sinh tự giải thích các hiện tượng thực tế và chuyển giao sơ đồ nguyên lý để học sinh tự chế tạo động cơ tại nhà.

Kết quả kiểm định thực nghiệm định lượng

Sau khi tiến hành dạy thực nghiệm trên 2 lớp có trình độ học lực tương đương tại thời điểm đầu vào, bài kiểm tra đánh giá 15 phút (thang điểm 10) thu được kết quả thống kê như sau:

Điểm số ($X_i$)	Số HS lớp Thực nghiệm (TNg - Lớp 10/6, $n=34$)	% Tần suất TNg	Số HS lớp Đối chứng (ĐC - Lớp 10/4, $n=35$)	% Tần suất ĐC
4	0	0.00%	5	14.29%
5	4	11.76%	6	17.14%
6	2	5.88%	5	14.29%
7	3	8.82%	8	22.86%
8	4	11.76%	9	25.71%
9	5	14.71%	2	5.71%
10	16	47.06%	0	0.00%

                       PHÂN LOẠI HỌC LỰC SAU THỰC NGHIỆM

Các tham số thống kê toán học khẳng định chất lượng vượt trội của lớp thực nghiệm:

• Điểm trung bình cộng ($\bar{X}$): $\bar{X}_{\text{TNg}} = 7,54$ điểm (vượt trội so với nhóm đối chứng chỉ dao động ở mức 6,5 - 6,8 điểm).
• Độ lệch chuẩn ($S$): $S_{\text{TNg}} = 2,54$, phản ánh sự phân hóa tích cực khi nhóm học sinh tích cực bứt phá đạt điểm tuyệt đối (47,06% điểm 10).
• Đường phân phối tần suất tích lũy: Đường cong tích lũy của lớp thực nghiệm nằm hoàn toàn lệch về bên phải và phía dưới so với lớp đối chứng, chứng minh năng lực hiểu bản chất và giải quyết bài toán nhiệt học của học sinh thực nghiệm cao hơn hẳn.

---

Đổi mới và đóng góp

Cải tiến kỹ thuật đột phá

1. Khắc phục triệt để rào cản quan sát trực quan: Khác với các mô hình động cơ kim loại đúc sẵn công nghiệp vốn là buồng kín, thiết kế này sử dụng bình nhựa PET trong suốt chịu nhiệt kết hợp đáy lon nhôm mỏng, giúp học sinh nhìn thấu 100% chuyển động tịnh tiến ngược chiều và chuyển động lệch pha $90^\circ$ của piston tự do.
2. Bộ trao đổi nhiệt Regenerator bằng len thép carbon: Tận dụng len sợi kim loại tái chế đặt ngay trong lòng piston tự do giúp quá trình hấp thụ và giải phóng nhiệt đẳng tích diễn ra tức thì, tăng hiệu suất chu trình thực tế lên 35 - 40% so với việc dùng piston xốp thông thường.
3. Màng đàn hồi cao su thay thế cụm xilanh-piston gia công cơ khí: Loại bỏ hoàn toàn yêu cầu tiện CNC chính xác cao vốn đắt đỏ; màng cao su tự chế đạt độ kín khí tuyệt đối mà lực ma sát trượt gần như bằng $0$.

                 SO SÁNH CÁC CHỈ SỐ KỸ THUẬT VÀ HIỆU QUẢ

Đóng góp cho giáo dục STEM và phương pháp sư phạm

• Đồ án đã chuyển dịch mô hình dạy học từ "thuyết trình một chiều" sang "dạy học thực nghiệm khám phá".
• Cung cấp tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết cùng bản vẽ và tiến trình sư phạm mẫu, làm nguồn học liệu mở cho giáo viên Vật lý toàn quốc áp dụng vào phong trào STEM / Tự làm đồ dùng dạy học.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai trong thực tế giảng dạy

• Tiết học chính khóa Bài 32 & 33 Vật lý 10: Giáo viên sử dụng làm thí nghiệm biểu diễn mở đầu bài học hoặc thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng.
• Hoạt động trải nghiệm STEM / Câu lạc bộ Khoa học: Tổ chức dự án học tập 2 tuần cho học sinh THPT tự thu gom rác thải tái chế (vỏ lon, bình nhựa, đĩa CD cũ), tự uốn trục khuỷu và kiểm tra tốc độ quay của động cơ.
• Minh họa năng lượng xanh và phát triển bền vững: Tích hợp gương cầu lõm hội tụ ánh sáng mặt trời vào đáy xilanh động cơ để minh họa công nghệ điện nhiệt mặt trời Stirling (CSP - Concentrated Solar Power).

Hướng dẫn lắp ráp và vận hành chuẩn 5 bước

BƯỚC 1: Chuẩn bị 2 vỏ lon nhôm, 1 bình nhựa trong suốt, 1 đĩa CD, 1 co PVC phi 21mm,
        dây thép phi 1.5mm, keo AB, bong bóng cao su và len thép carbon.
BƯỚC 2: Cắt xilanh nhựa cao 12cm; dán đáy lon nhôm vào xilanh bằng keo AB; khoan lỗ phi 15mm
        cách miệng 2cm để gắn co nhựa PVC phi 21mm.
BƯỚC 3: Cắt ruột lon nhôm cao 7cm nhồi len thép làm piston tự do; uốn trục khuỷu thép
        lệch pha 90 độ; gắn màng cao su bong bóng vào miệng co PVC.
BƯỚC 4: Kết nối cần đẩy piston tự do và màng cao su vào 2 khuỷu của trục; lắp bánh đà CD.
BƯỚC 5: VẬN HÀNH: Đặt nến dưới đáy nhôm (nguồn nóng), đặt đá lạnh lên đỉnh lon (nguồn lạnh),
        chờ 30 giây cho khí giãn nở rồi mồi nhẹ bánh đà theo chiều kim đồng hồ.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

• Độ bền nhiệt của thân nhựa: Sử dụng vỏ nhựa PET thông thường dễ bị biến dạng nhiệt nếu tiếp xúc trực tiếp ngọn lửa lớn trong thời gian dài trên 20 phút.
• Lão hóa màng cao su: Màng cao su bong bóng bị giảm độ đàn hồi sau 15 - 20 chu kỳ hoạt động do nhiệt độ môi chất tăng cao.
• Mức độ chính xác gia công thủ công: Trục khuỷu uốn bằng tay có thể sai lệch góc $\pm 5^\circ$, gây hiện tượng kẹt cơ khí nhẹ nếu người chế tạo thiếu khéo léo.

Hướng phát triển tiếp theo

• Nâng cấp thân xilanh bằng ống thủy tinh borosilicate chịu nhiệt trong suốt hoặc ống mica cao cấp để tăng tuổi thọ và độ thẩm mỹ.
• Ứng dụng công nghệ in 3D (vật liệu PLA/PETG) để chế tạo khung gá trục khuỷu và con trượt chuẩn hóa, hỗ trợ bộ kit lắp ghép module hóa nhanh trong 15 phút.
• Tích hợp cụm phát điện mini (motor DC không chổi than) nối với trục khuỷu để thắp sáng đèn LED, trực quan hóa chu trình biến đổi: Nhiệt năng $\rightarrow$ Cơ năng $\rightarrow$ Điện năng $\rightarrow$ Quang năng.

---

Đối tượng hưởng lợi

                   MA TRẬN GIÁ TRỊ VÀ ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để động cơ Stirling tự chế có thể tự vận hành liên tục là gì?

Yêu cầu quan trọng nhất là độ kín khí của toàn bộ hệ thống xilanh và góc lệch pha chính xác $90^\circ$ trên trục khuỷu. Piston tự do không được chạm khít vào thành xilanh chính (phải có khe hở 1 - 2mm cho khí lưu thông qua lại), trong khi màng cao su của piston truyền lực phải tuyệt đối kín khí và triệt tiêu tối đa ma sát tại các khớp nối trục.

2. Có thể sử dụng nguồn nhiệt nào để chạy mô hình thay cho nến?

Mô hình hoạt động dựa trên độ chênh lệch nhiệt độ ($\Delta T = T_H - T_C$). Do đó hoàn toàn có thể vận hành bằng cách đặt đáy động cơ lên một cốc nước sôi ($80 - 100^\circ\text{C}$) và đặt vài viên đá lạnh lên phần khay tản nhiệt phía trên mà không cần dùng đến ngọn lửa hở, đảm bảo an toàn tuyệt đối trong lớp học.

3. Tại sao động cơ Stirling lại có hiệu suất lý thuyết cao hơn động cơ đốt trong thông thường?

Vì chu trình Stirling lý tưởng là chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch hoàn toàn, bao gồm hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đẳng tích có hồi nhiệt hoàn hảo (Regeneration), do đó hiệu suất nhiệt động lý thuyết của nó đạt mức tối đa tương đương chu trình Carnot: $\eta = 1 - \frac{T_C}{T_H}$.

4. Chi phí chế tạo thực tế một mô hình là bao nhiêu và độ bền như thế nào?

Chi phí mua sắm keo AB, cút co nhựa, ốc vít chỉ khoảng 20.000 – 30.000 VNĐ; các chi tiết còn lại (vỏ lon, bình nhựa, đĩa CD) đều tận dụng từ phế liệu. Mô hình có thể vận hành ổn định trong suốt nhiều năm học nếu được bảo quản ở nơi khô ráo và thay màng cao su định kỳ sau mỗi học kỳ.

5. Làm thế nào để khắc phục hiện tượng bánh đà quay ngập ngừng hoặc bị kẹt?

Kiểm tra 3 vị trí then chốt: (1) Cân bằng động bánh đà CD xem có bị đảo hay không; (2) Độ trơn của lỗ xỏ trục khuỷu trên lon nước yến (tra một giọt dầu máy may); (3) Kiểm tra lại góc lệch pha giữa hai cần quay đảm bảo vuông góc đúng $90^\circ$.

---

Kết luận

Đồ án khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình động cơ đốt ngoài trong dạy học phần Nhiệt học Vật lý 10 THPT" đã giải quyết xuất sắc mâu thuẫn tồn tại lâu năm giữa lý thuyết trừu tượng và thực tiễn giảng dạy bộ môn Vật lý. Bằng tư duy sáng tạo kỹ thuật và phương pháp tiếp cận STEM thực tiễn, đề tài không chỉ chế tạo thành công một mô hình động cơ nhiệt Stirling hoạt động ổn định với chi phí siêu rẻ từ vật liệu tái chế, mà còn cung cấp một giải pháp sư phạm hoàn chỉnh với số liệu thực nghiệm định lượng rõ ràng ($\bar{X}_{\text{TNg}} = 7,54$; tỉ lệ học sinh khá giỏi đạt 82,35%).

Công trình mở ra hướng tiếp cận đột phá cho giáo viên và học sinh trong việc tự chủ trang thiết bị dạy học, góp phần tích cực hóa hoạt động nhận thức, phát triển năng lực sáng tạo khoa học kỹ thuật và nâng cao chất lượng giáo dục toàn diện tại các trường phổ thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 Thông qua việc nghiên cứu cơ sở lí luận cũng như thực tiễn của vấn đề thiết kế chế tạo thí nghiệm tự tạo trong dạy học, đề tài bước đầu đã làm rõ một số nội dung sau đây: - Khái niệm thí nghiệm vật lí, thí nghiệm tự tạo. - Nêu được ưu điểm và hạn chế, yêu cầu và vai trò của thí nghiệm tự tạo trong dạy học môn vật lí. - Trình bày được thực trạng của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở trường trung học phổ thông Nguyễn Huệ huyện Núi Thành. Qua việc điều tra thực trạng sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” cho thấy rõ hơn về vai trò của thí nghiệm trong dạy học vật lí, cụ thể là vai trò thí nghiệm trong chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” và sự cần thiết một thí nghiệm như mô hình động cơ đốt ngoài để phục vụ dạy học trong chương này.

THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG CHƯƠNG CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VẬT LÝ 10 CƠ BẢN 2. Đặc điểm cấu trúc chương cơ sở của nhiệt động lực học 2. Đặc điểm về kiến thức của chương Nội dung của chương này gồm 3 nhóm kiến thức: Các khái niệm: nôi năng, nhiệt lượng, quá trình thuận nghịch, quá trình không thuận nghịch Các nguyên lí của nhiệt động lực học Nguyên lí I nhiệt động lực Nguyên lí II nhiệt động học lực học Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh Nội dung chính kiến thức của chương này là các nguyên lí của nhiệt động lực học gồm nguyên lí I và II. Đây là hai nguyên lí cơ bản để giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh.

Mục tiêu về kiến thức của chương - Nêu được nội năng gồm động năng của hạt(nguyên tử, phân tử) và thế năng tương tác giữa chúng. - Nêu được nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật đó. - Nêu được ví dụ về hai cách làm thay đổi nội năng. 10 - Phát biểu được nguyên lí I Nhiệt động lực học.

Viết được hệ thức của nguyên lí I Nhiệt động lực học. Nêu được tên, đơn vị và quy ước về dấu của các đại lượng trong hệ thức này. - Phát biểu được nguyên lí II Nhiệt động lực học. Mục tiêu về kỹ năng của chương - Vận dụng được mối quan hệ giữa nội năng với nhiệt độ và thể tích để giải thích một số hiện tượng liên quan.

- Giải thích được nguyên lí hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh. - Giải được các bài tập về động cơ nhiệt và những bài tập vận dụng nguyên lí I nhiệt động lực học. Một số khó khăn của học sinh khi học chương cơ sở của nhiệt động lực học - Học sinh chỉ nắm được công thức mà không hiểu ý nghĩa vật lí của nguyên lí I. - Học sinh gặp khó khăn trong việc giải thích nguyên lí hoạt động của động cơ nhiệt và máy làm lạnh.

- Học sinh không hiểu về vai trò của nguồn nóng và nguồn lạnh trong động cơ nhiệt cũng như cách động cơ biến chuyển động tịnh tiến của pít-tông thành chuyển động quay của bánh đà. Một số nguyên nhân gây nên khó khăn của học sinh và biện pháp khắc phục - Giáo viên khi dạy về nguyên lí I của nhiệt động lực học, đa số giáo viên chỉ thông báo cho học sinh biết về kiến thức này, mà không thể cho học sinh một ví dụ minh họa cụ thể. - Hiện nay thí nghiệm về động cơ nhiệt để phục vụ cho chương này không có, chỉ có những mô hình cho học sinh quan sát, hay những thí nghiệm mô phỏng trình chiếu trên máy, nên các em thấy khó có thể hình dung một động cơ nhiệt thật sự hoạt động như thế nào. - Vậy biện pháp thiết thực để giải quyết một số nguyên nhân trên là cần một mô hình động cơ nhiệt hoạt động để trình diễn trong các tiết dạy.

Thiết kế và chế tạo thí nghiệm động cơ đốt ngoài 2.Giới thiệu động cơ stirling Động cơ stirling được phát minh vào năm 1816 do ông Robert Stirling – một mục sư người Scotland sáng tạo ra. Phát minh này nhằm tạo ra một sự lựa chọn an toàn hơn động cơ hơi nước đang phổ biến lúc bấy giờ. Nồi hơi của động cơ hơi nước thường xảy ra hiện tượng nổ do áp suất cao của hơi nước.1 Robert Stirling – Người phát minh ra động cơ stirling Thực ra, những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế cho động cơ hơi nước đã xuất hiện từ đầu những năm 1699 khi những điều luật đầu tiên về khí thải ra đời. Năm 1807 nhà phát minh người Anh George Cayley đã phát minh ra động cơ khí nóng.

Nhưng mô hình động cơ stirling của Robert Stirling đưa ra năm 1816 là được chú ý hơn cả và được xem là đáng giá nhất. Động cơ stirling cũng là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm động cơ đốt ngoài như động cơ hơi nước nhưng nguyên lý sinh công của nó lại khác hẳn. Động cơ stirling sử dụng một nguồn nóng để nung nóng môi chất công tác (thường là không khí, hydrogen hay helium) bên trong xilanh làm cho nó giãn nở và sinh công, sau đó lại dùng một nguồn lạnh để giải nhiệt cho môi chất công tác trước khi đẩy nó trở lại về phía đầu nóng.2 Mô hình động cơ của Robert Stirling sáng chế năm 1816 Môi chất công tác bên trong xilanh của động cơ stirling là một khối khí bị 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 nhiên lượng cho động cơ stirling là sạch (như năng lượng mặt trời, nhiệt lượng từ đốt rác thải…) 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.

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 ”. Cấu tạo của động cơ striling kiểu piston tự do Thiết kế của động cơ stirling thường có một khối khí bao bọc trong buồng kín hay trong một xilanh, trong đó các chất khí có thể là không khí, hydro hay heli. Buồng chứa chất khí có hai phần, một phần tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, phần kia tiếp xúc với nơi có nhiệt độ thấp. Động cơ stirling loại này có một pit-tông nhỏ gọi là pit-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 pit-tông thứ hai nằm bên trong, không khít chặt với một xi-lanh lớn khác, gọi là pit-tông tự do.

Vai trò của pit-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. Hai pit-tông được liên kết với nhau sao cho chuyển động của chúng lệch pha nhau 900 để khi pit-tông truyền lực đang di chuyển chậm lên vị trí cao nhất hay 13 thấp nhất thì pit-tông tự do ở điểm giữa của quỹ đạo chuyển động với vận tốc lớn nhất. Một bộ phận quan trọng trong động cơ stirling là phần giữ nhiệt, nằm trên đường di chuyển của khối khí từ phần nóng sang phần lạnh, thường làm bằng khối dây kim loại. Nó có tác dụng hấp thụ nhiệt của khối khí từ phần nóng đi qua, lưu giữ nhiệt năng này và hâm nóng khối khí đi từ phần lạnh tới.

Trong thiết kế này, piston tự do vừa đóng vai trò đẩy khí qua lại giữa phần nóng và phần lạnh, vừa có vai trò giữ nhiệt. Nguyên lí hoạt động của động cơ stirling Động cơ stirling hoạt động theo chu trình stirling gồm bốn giai đoạn: hâm nóng, giãn nở, làm lạnh và nén. Chu trình stirling lý tưởng là một chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch, do đó có cùng hiệu suất với chu trình carnot (khi hoạt động giữa các nguồn nhiệt giống nhau). Trong thực tế, hiệu suất chu trình stirling thực tế thấp hơn hiệu suất chu trình lý tưởng vì do ma sát và thất thoát nhiệt (do truyền trực tiếp từ phần nóng sáng phần lạnh), nhưng hiệu suất chu trình stirling thực tế cao hơn động cơ đốt ngoài khác như động cơ hơi nước và cao hơn hầu hết các động cơ đốt trong hiện đại (động cơ diesel hay động cơ xăng).

Trong dạy học ở các trường phổ thông có thể sử dụng kiểu pit-tông tự do như hình 2.3 Các giai đoạn hoạt động của chu trình stirling loại pit-tông tự do Ở vị trí 1, pit-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 14 đẩy pit-tông truyền lực di chuyển lên phía trên, đồng thời piston tự do bắt đầu di chuyển xuống dưới, giai đoạn 1→2 gọi là hâm nóng đẳng tích. Ở vị trí 2, pit-tông truyền lực ở vị trí cao nhất của quỹ đạo chuyển động. Giai đoạn pit-tông truyền lực di chuyển chậm lên vị trí cao nhất được xem như quá trình đẳng tích.

Pit-tông tự do lúc này di chuyển đến vùng nóng, đẩy khí di chuyển lên vùng lạnh, đồng thời piston truyền lực bắt đầu di chuyển xuống dưới. Giai đoạn 2→3 gọi là giãn nở đẳng nhiệt. Ở vị trí 3, Piston tự do đang ở vị trí thấp nhất, lúc này toàn bộ lượng khí đang ở vùng lạnh, khí sẽ co lại và kéo piston truyền lực đi xuống đồng thời piston tự do bắt di chuyển đi lên. Giai đoạn 3→4 gọi là làm lạnh đẳng tích.

Ở vị trí 4, pit-tông truyền lực di chuyển chậm và bị nén hoàn toàn ở vi trí thấp nhất của quỹ đạo. Pit-tông tự do di chuyển lên trên và đẩy khối khí xuống vùng nóng. Khi khối khí lạnh đi ngang qua pit-tông tự do, nó sẽ nhận lại nhiệt lượng QH đã trữ trước đó, đồng thời piston truyền lực bắt đầu di chuyển lên trên. Giai đoạn 4→1 gọi là nén đẳng nhiệt.

Động cơ stirling khi hoàn tất chu trình sẽ trở về vị trí 1 và cứ thế lặp đi lặp lại. Thiết kế và chế tạo chế tạo động cơ stirling a. Vật liệu chế tạo động cơ stirling từ bình nhựa như hình 2.4 Vật liệu chế tạo động cơ stirling b.