Thiết kế, chế tạo và sử dụng một số mô hình động cơ stirling trong dạy học Vật lí lớp 10

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0188 Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 306-311 This paper is available online at THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNGMỘT SỐ MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ STIRLING TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ LỚP 10 Nguyễn Ngọc Hưng1, Dương Diệp Thanh Hiền2 1Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Khoa Vật lí, Trường Đại học Quy Nhơn Tóm tắt. Động cơ stirling là động cơ nhiệt đốt ngoài do Robert Stirling phát minh vào năm 1816, đây là một ứng dụng kĩ thuật quan trọng của nhiệt động lực học. Việc thiết kế, chế tạo các mô hình động cơ Stirling đơn giản và sử dụng trong dạy học ứng dụng kĩ thuật của vật lí sẽ giúp học sinh gắn liền kiến thức với thực tế. Trong bài báo này chúng tôi trình bày 03 mô hình động cơ stirling được thiết kế, chế tạo từ các vật liệu thí nghiệm đơn giản và đề xuất phương án sử dụng các mô hình động cơ này trong dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông theo định hướng phát triển năng lực cho học sinh. Từ khóa: Động cơ nhiệt, động cơ Stirling, mô hình động cơ Stirling. 1. Mở đầu Động cơ Stirling là một động cơ nhiệt đốt ngoài mà ưu điểm lớn nhất là có thể sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau để hoạt động [1], đây là một ứng dụng kĩ thuật quan trọng của nhiệt động lực học. Tuy nhiên, trong chương trình vật lí phổ thông hiện nay không đề cập đến động cơ này, việc giảng dạy chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” chủ yếu là thông báo nên không tạo điều kiện cho học sinh phát triển năng lực (năng lực thực nghiệm, năng lực giải quyết vấn đề). Trên thế giới, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu, chế tạo các kiểu động cơ Stirling khác nhau, nhưng chủ yếu chỉ áp dụng trong kĩ thuật nên các thiết bị này có cấu tạo phức tạp, không phù hợp khi sử dụng trong dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông [1]. Ở Việt Nam cũng có đề tài nghiên cứu động cơ này và có sử dụng trong dạy học chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” Vật lí 10 [2]. Tuy nhiên, đề tài chỉ cho học sinh tìm hiểu về động cơ Stirling kiểu pittong tự do và sử dụng động cơ này để giải thích các nguyên lí nhiệt động lực học. Chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo các kiểu động cơ Stirling khác nhau từ các dụng cụ đơn giản rẻ tiền và tổ chức dạy học ngoại khóa vật lí về chủ đề “Động cơ Stirling” theo định hướng phát triển năng lực nhằm giúp học sinh phân tích, tổng hợp, so sánh nguyên tắc cấu tạo - hoạt động của các kiểu động cơ Stirling và đặc biệt hơn qua đó, các em được hình thành kiến thức vững chắc và tạo điều kiện phát triển năng lực. Trong bài báo này, chúng tôi đề cập đến việc thiết Ngày nhận bài: 05/08/2016. Ngày nhận đăng: 20/09/2016. Liên hệ: Nguyễn Ngọc Hưng, e-mail: nnhung67hb@yahoo.com. 306 Thiết kế, chế tạo và sử dụng một số mô hình ... kế, chế tạo một số mô hình động cơ Stirling để minh họa nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt đơn giản và đề xuất phương án sử dụng các mô hình động cơ Stirling đã thiết kế, chế tạo trong dạy học vật lí theo định hướng phát triển năng lực của học sinh. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Thiết kế các mô hình vật chất - chức năng của động cơ Stirling Trong quá trình nghiên cứu về động cơ Stirling, chúng tôi nhận thấy rằng có hai kiểu động cơ Stirling thường được chế tạo và sử dụng phổ biến trong thực tế hiện nay là động cơ Stirling kiểu hai pittong (kiểu anpha) và động cơ Stirling pittong phụ (kiểu beta, kiểu gamma) [1], [3]. Dựa vào các kiểu động cơ Stirling thật, chúng tôi đã thiết kế, chế tạo các mô hình động cơ Stirling sau: 2.1.1. Mô hình động cơ Stirling với pittong phụ được điều khiển từ bên ngoài Mô hình động cơ Stirling với pittong phụ được điều khiển từ bên ngoài được sử dụng để mô phỏng mô hình làm việc của động cơ nhiệt đơn giản kiểu beta. Dựa vào động cơ kiểu beta thật và nguyên tắc hoạt động của nó [1,4] chúng tôi đã xây dựng, thiết kế và chế tạo mô hình động cơ Stirling với pittong phụ được điều khiển từ bên ngoài gồm các bộ phận sau: Hình 1. Mô hình động cơ Stirling với pittong phụ được điều khiển bên ngoài + Thân xylanh (1) của động cơ được chế tạo từ lon nhôm (loại Φ7− 12cm): trong bộ phận này có chứa pittong phụ và một phần tác nhân ta khảo sát. + Pittong phụ (2) được chế tạo từ lon nhôm (loại Φ5 − 11cm): được thiết kế sao cho một phần nằm trong thân xylanh và một phần được ra bên ngoài để có thể điều khiển hoạt động của nó từ bên ngoài. Pittong phụ có tác dụng luân chuyển khối tác nhân bên trong động cơ. + Xylanh và pittong lực (3) được chế tạo từ ống xylanh thủy tinh loại 20ml: đây là bộ phận trực tiếp sinh công cơ học khi pittong phụ được điều khiển và động cơ được nhận nhiệt lượng từ bên ngoài. 2.1.2. Mô hình động cơ Stirling với pittong phụ Đây là mô hình động cơ Stirling pittong phụ đơn giản hoạt động tự động khi được cung cấp nhiệt lượng từ bên ngoài. Động cơ được thiết kế gồm các bộ phận chính [5]: + Thân xylanh của động cơ (1) được chế tạo từ lon nhôm (loại Φ7 − 25cm). Bên trong 307 Nguyễn Ngọc Hưng, Dương Diệp Thanh Hiền Hình 2. Mô hình động cơ Stirling với pittong phụ xylanh có chứa pittong phụ (2) bằng lon nhôm (loại Φ6− 15), nó có một phần được lồng vào bên trong xylanh và một phần được gắn vào trục quay của động cơ (4) được chế tạo từ thanh thép tròn. Nó có tác dụng luân chuyển khối tác nhân trong động cơ. Bên ngoài được gắn bộ phận làm mát động cơ (3) là lon nhôm (loại Φ10− 13cm). + Pittong lực (5) là màn bóng cao su: một phần được gắn bên ngoài thân xylanh động cơ và một phần gắn vào trục quay để sinh công cơ học. Bánh đà (6) (bằng gỗ hoặc đĩa CD) được gắn vào trục quay của động cơ, đây là nơi đồng thời tạo lực phát động ban đầu cho động cơ, đồng thời là bộ phận quay khi động cơ hoạt động. Khi cấp nhiệt từ bên ngoài, động cơ hoạt động như một động cơ nhiệt thực tế. 2.1.3. Mô hình động cơ Stirling với pittong lỏng Động cơ Stirling với pittong lỏng là loại động cơ kiểu hai pittong (kiểu anpha) có pittong giãn nở và pittong nén đều là các cột chất lỏng. Dựa vào động cơ kiểu an pha thật và nguyên tắt hoạt động của chúng [4], chúng tôi thiết kế, chế tạo động cơ pittong lỏng gồm các bộ phận chính sau: + Thân xylanh của động cơ: bao gồm các ống ghép lại với nhau thành hai nhánh chữ U. Đây là nơi trực tiếp nhận nhiệt lượng và nhả nhiệt lượng ra bên ngoài. Bên trong có chứa chất lỏng và tác nhân sinh công cơ học. Hình 3. Mô hình động cơ Stirling với pittong lỏng 308 Thiết kế, chế tạo và sử dụng một số mô hình ... + Pittong lỏng là các cột chất lỏng ở các nhánh của động cơ. Nó có tác dụng luân chuyển khối tác nhân bên trong động cơ. Trong quá trình hoạt động, khối khí trong buồng sẽ được đẩy qua đẩy lại từ phần nóng sang phần lạnh hoặc ngược lại nhờ vào sự di chuyển của các pittong lỏng. Từ đó nó sẽ biến đổi nhiệt năng được cung cấp bên ngoài thành năng lượng dao động của các cột nước. 2.2. Sử dụng động cơ Stirling trong dạy học Vật lí lớp 10 Trong quá trình nghiên cứu, chế tạo động cơ Stirling từ các vật liệu đơn giản; chúng tôi nhận thấy các mô hình động cơ Striling đã thiết kế, chế tạo có thể sử dụng trong dạy học ngoại khóa vật lí. Chúng tôi đề xuất phương án giảng dạy ngoại khóa với chủ đề “Động cơ Stirling” theo các bước sau: Các bước tổ chức HĐNK về chủ đề “Động cơ Stirling” Bước 1 (Buổi 1:). Giai đoạn 1: Đề xuất vấn đề cần nghiên cứu. GV cho HS quan sát một số hình ảnh và clip về ứng dụng cũng như hoạt động của động cơ Stirling trong thực tế, đời sống. Từ đó GV và HS đặt ra vấn đề cần nghiên cứu về động cơ Stirling “Động cơ Stirling có đặc điểm cấu tạo và nguyên tắc hoạt động như thế nào?”. Chia lớp thành từng nhóm nhỏ và phân công nhiệm vụ tìm hiểu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của động cơ Stirling. Bước 2 (Buổi 2):. - Giai đoạn 2: Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo, hoạt động của động cơ Stirling. Các nhóm lần lượt trình bày về nguyên tắc cấu tạo, hoạt động của động cơ Stirling. Sau khi tìm hiểu về nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của các kiểu động cơ Stirling, GV đề xuất nhiệm vụ chế tạo động cơ Stirling từ các dụng cụ thí nghiệm đơn giản. Định hướng của GV: Mô hình động cơ Stirling với pittong phụ được điều khiển từ bên ngoài Câu hỏi hướng dẫn học sinh Câu hỏi hướng dẫn học sinh Mô hình thiết kế Mô hình chế tạo 1. Động cơ Stirling kiểu pittong phụ (kiểu gamma) có cấu tạo như thế nào? 2. Từ mô hình lí thuyết của động cơ Stirling kiểu pittong phụ, em hãy chỉ ra đâu là vị trí đặt pittong phụ, pittong lực, không gian giãn nở, không gian nén? 3. Tác nhân trong động cơ sẽ luân chuyển như thế nào khi ta cấp nhiệt cho động cơ và điều khiển pittong phụ chuyển động? Khi đó pittong lực sẽ hoạt động như thế nào theo pittong phụ? 4. Em hãy chế tạo mô hình của động cơ Stirling với pittong phụ được điều khiển từ bên ngoài. 309 Nguyễn Ngọc Hưng, Dương Diệp Thanh Hiền Mô hình thiết kế Mô hình chế tạo 1. Từ mô hình thiết kế động cơ Stirling pittong phụ được điều khiển bên ngoài, em hãy cho biết, để động cơ có thể tự động hoạt động thì ta cần thêm những bộ phận nào? Các bộ phận đó gắn kết với nhau như thế nào? 2. Các bộ phận đó được cố định như thế nào trên động cơ Stirling? 3. Để tăng hiệu suất hoạt động của động cơ thì bộ phận làm mát được bố trí ở đâu trên động cơ? 4. Từ đó, em hãy chế tạo mô hình về động cơ Stirling pittong phụ có thể hoạt động tự động khi được cấp nhiệt từ bên ngoài. Mô hình thiết kế Mô hình chế tạo 1. Động cơ Stirling kiểu hai pittong (kiểu anpha) có cấu tạo như thế nào? 2. Từ mô hình lí thuyết của động cơ Stirling kiểu hai pittong, em hãy chỉ ra đâu là vị trí đặt pittong giãn nở, pittong nén, không gian giãn nở, không gian nén? 3. Tác nhân trong động cơ Stirling kiểu hai pittong sẽ được luân chuyển từ không gian giãn nở sang không gian nén như thế nào? - Do động cơ Stirling kiểu anpha có cấu tạo phức tạp và đòi hỏi cao về độ kín khí, cho nên chúng ta sẽ nghiên cấu thiết kế mô hình động cơ Stirling kiểu anpha đơn giản hơn và đảm bảo kín khí trong quá trình hoạt động - động cơ Stirling với pittong lỏng. 4. Các em hãy dự đoán động cơ Stirling pittong lỏng có cấu tạo như thế nào? 5. Các em dự đoán sự chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng của động cơ Stirling pittong lỏng như thế nào? Từ đó hãy chế tạo mô hình động cơ Stirling pittong lỏng. Bước 3: - Giai đoạn 3: Chế tạo, vận hành mô hình vật chất - chức năng của động cơ Stirling. Các nhóm thực hiện nhiệm vụ được giao ở bước 2: phân công nhiệm vụ, tìm kiếm vật liệu, chế tạo động cơ Stirling. GV thường xuyên liên lạc và tham gian vào hoạt động của các nhóm để có phương án giúp đỡ kịp thời khi các em gặp khó khăn. - Giai đoạn 4: Tìm hiểu ứng dụng kĩ thuật của động cơ Stirling trong thực tế. Các nhóm nghiên cứu ứng dụng của động cơ Stirling trong thực tế qua đó hoàn thiện động cơ các nhóm đã chế tạo. Các nhóm thảo luận và thống nhất phương án báo cáo, trình bày kết quả phương án thí nghiệm cũng như sản phẩm động cơ của từng nhóm. Bước 4: Tổ chức buổi tổng kết, giới thiệu sản phẩm và báo cáo quá trình thực hiện nhiệm vụ của nhóm mình. Để tăng tính hấp dẫn, chúng tôi tổ chức buổi báo cáo tổng kết HĐNK dưới hình thức thi giữa các nhóm. Nội dung thi bao gồm: 310 Thiết kế, chế tạo và sử dụng một số mô hình ... - Trình bày cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và những thuận lợi - khó khăn khi chế tạo động cơ Stirling theo các nhiệm vụ được giao. - Tổ chức cho các nhóm vận hành động cơ Stirling của từng nhóm theo từng nhiệm vụ đã phân công. 3. Kết luận Bài báo thực hiện nghiên cứu việc thiết kế, chế tạo 03 mô hình động cơ Stirling và đề xuất phương án tổ chức hoạt động ngoại khóa vật lí với chủ đề “Động cơ Stirling” khi dạy ứng dụng kĩ thuật của nhiệt động lực học trong chương trình vật lí 10 trung học phổ thông. Chúng tôi sẽ tiến hành thực nghiệm sư phạm ở trường trung học phổ thông để đánh giá tính hiệu quả của 03 mô hình động cơ Stirling đã thiết kế, chế tạo và tính khả thi của phương án dạy học có sử dụng các mô hình động cơ Stirling đã đề xuất. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu của bài báo mở ra hướng nghiên cứu mới của đề tài là nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình máy lạnh đơn giản - một ứng dụng của nhiệt động lực học gần gủi với đời sống thực tế và đề xuất phương án giảng dạy theo định hướng phát triển năng lực của học sinh khi dạy học ứng dụng kĩ thuật của nhiệt động lực học. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hans - Joachim Wilke, 1994. Zur historischen Entwicklung der Wa¨rmekraftmaschinen. Physik in der Schule, pp. 184 - 189. [2] Phan Minh Tiến, 2012. Động cơ Stirling và việc vận dụng vào quá trình dạy học, Chương “Cơ sở nhiệt động lực học”, Vật lí lớp 10 trung học phổ thông, Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, số 39, tr. 75-84. [3] Von Bernd Heepmann, 2007. Der Stirlingmotor - ein ganz besonderer Energiewandler. Unterricht Physik, pp. 78 - 80. [4] Hans - Joachim Wilke, 1997. Einfache Experimente zur Wirkungsweise eines Stirlingmotors. Physik in der Schule, pp. 143 - 150. [5] H. Snyman,T. M. Harms, J. M. Strauss, 2008. Design analysis methods for Stirling engines. Journal of Energy in Southern Africa, Vol 19 (No 3), pp. 4-19. ABSTRACT Design, manufacture and use of the stirling engine in 10th grade physics Nguyen Ngoc Hung1, Duong Diep Thanh Hien2 1Faculty of Physics, Hanoi National University of Education 2 Faculty of Physics, Quy Nhon University The Stirling engine is external combustion heat engine invented by Robert Stirling in 1816. It is an important technical application of thermodynamics. The design and manufacture of Stirling engines is simple and using it to teach practical applications of physics will help students acquire actual knowledge. In this paper, we present three stirling engine which can be made from simple materials and we propose a plan to use this engine to teach high school physics. Keywords: Heat engine, Stirling engines, Stirling engine models. 311