Động cơ nhiệt - Vật lý 8

A. Tóm tắt lý thuyết

1. Động cơ nhiệt là gì?

Động cơ nhiệt là động cơ mà trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy được chuyển hóa thành cơ năng.

Động cơ nhiệt đầu tiên là máy hơi nước. Nhiên liệu chủ yếu là củi, than,dầu . . . được đốt cháy từ bên ngoài xilanh của động cơ.

Động cơ nhiệt sau đó là động cơ đốt trong, là động cơ mà nhiên liệu được đốt cháy ngay bên trong xilanh của động cơ. Nhiên liệu chủ yếu là xănghoặc ma dút dùng trong xe máy, ôtô, máy bay, tàu hỏa, tàu thủy. . .

Động cơ nhiệt nhiệt chạy bằng nhiên liệu đặc biệt của tên lửa, tàu vũ trụ. Nhiên liệu chủ yếu là năng lượng nguyên tử dùng trong tàu ngầm, tàu phá băng (trên biển), nhà máy điện nguyên tử. . .

2. Động cơ nổ bốn kỳ

Động cơ bốn kỳ là động cơ thường gặp nhất hiện nay

2.1. Cấu tạo

Cấu tạo của một Động cơ bốn kỳ:

1,2: van tự động đóng và mở khi píttông chuyển động (supap)
3: xilanh và pittông có thể chuyển động trong xilanh
4: tay biên (tay zên) nối pittông và tay quay (5).
5: tay quay-trên thục tay quay có gắn vôlăng (6)
6: vôlăng-có tác dụng tạo quán tính cho tay quay
7: bugi dùng để bật tia lửa điện đốt cháy nhiên liệu trong xi lanh.

2.2. Chuyển vận

Kỳ thứ nhất: Hút nhiên liệu. Pittông chuyển động xuống dưới. Van 1 mở, van 2 đóng, hỗn nhiên liệu được hút vào xilanh. Cuối kỳ này trong xilanh đã chứa đầy hỗn hợp nhiên liệu và van 1 dóng lại.

Kỳ thứ hai: Nén nhiên liệu. Pittông chuyển động lên phía trên nén hỗn hợp nhiên liệu trong xilanh. Van 1, van 2 đều đóng.
Kỳ thứ ba: Đốt nhiên liệu. Khi pittông lên đến tận cùng thì bugi bật tia lửađiện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trong xilanh, kèm theo tiếng nổ và tỏa nhiệt. Các chất khí mới tạo thành dãn nở, sinh công đẩy pittông xuống dưới. Cuối kỳ này van 2 mở ra.
Kỳ thứ tư: Thoát khí. Pittông chuyển động lên phía trên, dồn hết khí mới sinh ra sao khi đốt nhiên liệu ở kỳ thứ ba trong xilanh ra ngoài qua van 2. Sau đó các kỳ của động cơ lặp lại từ đầu kỳ thứ nhất
Trong bốn kỳ của động cơ, chỉ có kỳ thứ ba là sinh công. Các kỳ khác, động cơ chuyển động nhờ đà (quán tính) của vôlăng.

3. Hiệu suất của động cơ

Hiệu suất của động cơ nhiệt được xác định bằng tỉ số giữa phần nhiệt lượng chuyển hóa thành công cơ học và nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra.

\[H=\frac{A}{Q}\]

Trong đó:

A: Công mà động cơ thực hiện (J), có độ lớn bằng phần nhiệt lượng chuyển hóa thành cơ năng.
Q: Nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra (J)

4. Bài tập minh họa

Bài 1: Một ô tô chạy được quãng đường 100 km với lực kéo trung bình là 700 N, tiêu thụ hết 5 lít xăng (khoảng 4kg). Tính hiệu suất của động cơ ô tô.

Hướng dẫn giải:

Công động cơ ô tô thực hiện là:

A = F.S = 700.100000 =7.10⁷(J)

Nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tỏa ra là:

\[Q=m.q={{4.46.10}^{6}}=18,{{4.10}^{7}}J\]

Hiệu suất của động cơ ô tô là:

\[H=\frac{A}{Q}.100=\frac{{{7.10}^{7}}}{18,{{4.10}^{7}}}.100=38,04\]%

Bài 2:

Động cơ nào sau đây không phải là động cơ nhiệt?

A. Động cơ của máy bay phản lực.

B. Động cơ của xe máy Hon-đa.

C. Động cơ chạy máy phát điện của nhà máy thủy điện Sông Đà.

D. Động cơ chạy máy phát điện của nhà máy nhiệt điện.

Hướng dẫn giải:

Động cơ chạy máy phát điện của nhà máy thủy điện Sông Đà không phải là động cơ nhiệt

B. Giải bài tập trong sách giáo khoa

C1. Ở động cơ nổ 4 kì cũng như ở bất kì động cơ nhiệt nào khác có phải toàn bộ nhiệt lượng của nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra được biến thành công có ích không? Tại sao?

Trả lời

Ở động cơ nổ 4 kì cũng như ở bất kì động cơ nhiệt nào khác, không nhải toàn bộ nhiệt lượng của nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra được biến thành công có ích. Một phần nhiệt lượng của nhiên liệu bị đốt cháy được truyền cho các bộ phận của động cơ nhiệt làm cho các bộ phận này nóng lên, đồng thời một phần nữa theo khí thải thoát ra ngoài khí quyển làm cho khí quyển cũng nóng lên.

C2. Trong thực tế chỉ có khoảng từ 30% đến 40% nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra được biến thành công có ích. Người ta nói các động cơ nhiệt có hiệu suất vào khoảng từ 30% đến 40% và đưa ra công thức tính hiệu suất sau đây: H = A/Q

Hãy phát biểu định nghĩa hiệu suât của động cơ nhiệt và nêu tên, đơn vị của các đại lượng có mặt trong biểu thức trên.

Trả lời

Hiệu suất của động cơ nhiệt được xác định bằng tỉ số giữa phần nhiệt lượng chuyển hóa thành công cơ học và nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt chát tỏa ra.

Trong biểu thức: H = A/Q

A là công mà động cơ thực hiện được. Công này có độ lớn bằng phần nhiệt lượng chuyến hóa thành công. Đơn vị của A là Jun (J).
Q là nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra.
Đơn vị của Q là Jun (J

C3. Các máy cơ đơn giản học ở lớp 6 có phải là động cơ nhiệt không? Tại sao?

Trả lời

Các máy cơ đơn giản học ở lớp 6 không phải là động cơ nhiệt vì trong quá trình hoạt động của các máy này không có sự chuyển hóa từ năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy thành cơ năng.

C4. Hãy kể tên các dụng cụ có sử dụng động cơ nổ 4 kì mà em biết.

Trả lời

Một số dụng cụ có sử dụng động cơ nổ 4 kì: Một số loại động cơ ô tô, một số loại động cơ xe máy, máy nổ của nhà máy nhiệt điện,...

C5. Theo em thì động cơ nhiệt có thể gây ra những tác hại nào đô'i với môi trường sống của chúng ra?

Trả lời

Những tác hại:

- Ô nhiễm môi trường do khí thải của các động cơ có nhiều chất độc.

- Ô nhiễm về tiếng ồn.

- Nhiệt lơợng do động cơ thải ra góp phần làm tăng nhiệt độ của khí quyển.

C6. Một ô tô chạy được quãng đường 100 km với lực kéo trung bình là 700 N, tiêu thụ hết 5 lít xăng (khoảng 4kg). Tính hiệu suất của động cơ ô tô.

Trả lời

Công động cơ ô tô thực hiện là: A = F.S = 700.100000 = 7.107J

Nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tỏa ra là: Q = m.q = 4.46.106 = 18,4.107J

Hiệu suất của động cơ ô tô là: H = A/Q.100 = 7.107/18,4.107 = 38,04%.

C. GIẢI BÀI TẬP

B1. Động cơ nào sau đây không phải là động cơ nhiệt?

A. Động cơ của máy bay phản lực.

B. Động cơ của xe máy Hon-đa.

C. Động cơ chạy máy phát điện của nhà máy thủy điện Sông Đà.

D. Động cơ chạy máy phát điện của nhà máy nhiệt điện.

Trả lời

Chọn câu C: Động cơ chạy máy phát điện của nhà máy thủy điện Sông Đà.

B2. Câu nào dưới đây nói về hiệu suất của động cơ nhiệt?

A. Hiệu suất cho biết động cơ mạnh hay yếu.

B. Hiệu suất cho biết động cơ thực hiện công nhanh hay chậm.

C. Hiệu suất cho biết nhiệt lượng tỏa ra khi lượng nhiên liệu bị đốt cháy hoàn toàn trong động cơ.

D. Hiệu suất cho biết có bao nhiêu phần trăm nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra được biến thành công có ích.

Trả lời

Chọn câu D: Hiệu suất cho biết có bao nhiêu phần trăm nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra được biến thành công có ích.

B3. Một ôtô chạy 100km với lực kéo không đổi là 700N thì tiêu thụ hết 6 lít xăng. Tính hiệu suất của động cơ đó biết năng suất tỏa nhiệt của xăng là 4,6.107J/kg, khôi lượng riêng của xăng là 700kg/m³.

Trả lời

Ta có: A = F.s = 700N.100000m = 70000000J

Q = q.m = 4,6.107.4,2 = 193200000J

Hiệu suất của động cơ là: H=A/Q= 70000000/193200000 = 0,36

B4. Một máy bơm nước sau khi tiêu thụ hết 8kg dầu thì đưa được 700m³nước lên cao 8m. Tính hiệu suất của máy bơm đó biết năng suất tỏa nhiệt của dầu dùng cho máy bơm này là 4,6.107J/kg.

Trả lời

Ta có: A = P.h = 10m.h = 700000.10.8 = 56.106J

Q = q.m = 4,6.107.8 = 36,8.107J = 368.106J

Vậy H = A/Q = 56.106/368.106 = 0,15.

Suy ra: H = 15%

B5. Với 2 lit xăng, một xe máy có công suất l,6kw chuyển động với vận tốc 36km/h sẽ đi được bao nhiêu km? Biết hiệu suất của động cơ là 25%, năng suất tỏa nhiệt của xăng là 4,6.107J/kg, khôi lượng riêng của xăng là 700kg/m3.

Trả lời

Ta có: Q = q.m = q.D.V = 4,6.107.700.0,002 = 6,44. 107J

Công mà động cơ xe máy thực hiện được là:

A = Q.H = 6,44. 107.0,25 = 1,61.107J = 16,1.106J

Từ công thức p = A/t , ta có: t = A/t = 16,1.106/1600 = 10062,5s

Quãng đường xe đi được là: s = v.t =10062,5 36000/3600 = 100625m ≈ 101km

B6. Động cơ của một máy bay có công suất 2.106w và hiệu suất 30%. Hỏi với 1 tấn xăng, máy bay có thể bay được bao nhiêu lâu? Biết năng suất tỏa nhiệt của xăng là 4,6.107J/kg.

Trả lời

Ta có: Q = q.m = 4,6.107.1000 = 46.109J

A = Q.H = 46.109.0,3 = 138.108J

Thời gian máy bay được là: t = A/P = 138.108/2.106 = 6900s = 1 giờ 55 phút

B7. Tính hiệu suất của động cơ một ôtô biết rằng khi ôtô chuyển động với vận tốc 72km/h thì động cơ có công suất 20kW và tiêu thụ 20 lít xăng để chạy 200km.

Trả lời

Ta có: 2km/h = 20m/s; s = 200km = 2.105m.

p = 20kW = 2.104W; V = 20/ = 0,02m3.

Q = m.q = D.V.q = 0,7.103.0,02.46.106 = 644.106J

A = p.t = P.s/v = 2.104.2.105/20 = 2.108J

Hiệu suất của động cơ ô tô là: H = A/Q = 2.108/633.106 = 0,31. Vậy H = 31%.