Khảo sát động cơ khí nóng hoạt động theo chu trình stirling

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM
KHOA VẬT LÝ






ĐỀ TÀI:

GVHD: Th. S Lương Hạnh Hoa
SVTH : Lê Anh Đức
MSSV : K32.102.013
Niên khóa 2006 – 2010


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

LỜI NÓI ĐẦU
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 về sự truyền nhiệt và nghiên cứu về các quá trình xảy ra trong máy nhiệt những cỗ máy đã làm thay đổi cả nền văn minh của nhân loại.
Việc phát minh ra các máy nhiệt, đặc biệt là động cơ hơi nước, có một tầm ảnh hưởng vô cùng quan
trọng với lịch sử của các cuộc cách mạng công nghiệp.
Động cơ Stirling cũng thuộc nhóm động cơ đốt ngồi như động cơ hơi nước, nó được phát minh bởi
Robert Stirling vào năm 1816, trước cả động cơ Otto và Diesel. Hiện tại động cơ này vẫn còn rất
nhiều những hạn chế cần khắc phục, nhưng các nhà chế tạo vẫn không ngừng quan tâm nghiên cứu
bởi một ưu điểm mà khó có một loại động cơ nào có được đó là khả năng sử dụng bất kì nguồn
nhiên liệu nào từ than củi, than đá, dầu mỏ, cồn, năng lượng mặt trời…
Với mục tiêu chính là nghiên cứu tổng quan về Nhiệt động lực học, máy nhiệt và đặc biệt là động cơ

Stirling để từ đó đề xuất khả năng ứng dụng cũng như là sử dụng động cơ Stirling trong các bài thí
nghiệm Vật Lý Nâng Cao, em đã chọn đề tài luận văn: “KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ KHÍ NĨNG
HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH STIRLING”.
Luận văn sẽ bao gồm ba nội dung chính:
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC – MÁY NHIỆT
PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING
PHẦN 3: BÀI THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ STIRLING
Em mong luận văn này sẽ được xem như một tài liệu để các bạn sinh viên có thể tham khảo, nâng
cao kiến thức và có thể vận dụng để tiến hành thí nghiệm thực tiễn. Tuy nhiên, nội dung của luận
văn chỉ là những kiến thức nằm trong một phạm vi hệ thống kiến thức rộng lớn, địi hỏi phải có sự
nghiên cứu lâu dài, mà trong thời gian cho phép của luận văn thì em khơng thể tìm hiểu hết được.
Hơn nữa, với tầm hiểu biết và kiến thức còn nhiều hạn chế, chắc chắn em sẽ không thể tránh khỏi
những sai sót trong khi thực hiện khóa luận này. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp
của các Thầy Cô và của các bạn sinh viên.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô khoa Vật Lý , Trường ĐH Sư Phạm Tp. HCM
đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá 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 Thầy Nguyễn Hồng Long – những
người Cơ, người Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn.
Sinh viên thực hiện luận văn:
Lê Anh Đức


Luận văn tốt nghiệp

PHẦN 1.

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

TỔNG QUAN VỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC – MÁY NHIỆT

I. Nhiệt động lực học
Nhiệt động lực học là khoa học về sự truyền nhiệt – là một lĩnh vực tương đối trẻ, ra đời vào đầu thế
kỷ XIX. Nhiệt động lực học ra đời như một ngành 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 chuyển hóa
nhiệt thành cơng cơ học và ngược lại. Trong quá trình phát triển lĩnh vực nghiên cứu của Nhiệt động
lực học đã mở rộng và mang tính chất của một khoa học vật lý cơ bản. Ngày nay đối tượng nghiên
cứu của nó là mọi q trình chuyển hóa vật chất có gắn với sự tỏa hay hấp thụ nhiệt lượng, sự thực
hiện công.
Nhiệt động lực học là môn học chuyên nghiên cứu mối liên hệ giữa các dạng năng lượng khác với
nhiệt lượng và cơng cơ học, và sự chuyển hóa từ dạng năng lượng này sang dạng 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 về số lượng giữa chúng mà
thơi.
Qui luật thứ hai nói lên tỉ lệ nhiệt lượng có thể biến thành cơng 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 là các hệ gồm rất nhiều các
phân tử, và quy luật của nó là các qui luật thống kê chỉ đúng với đa số trường hợp và với các hệ có
rất nhiều phân tử mà thơi. Nó khơng thể áp dụng cho từng phân tử riêng lẽ và trong từng trường hợp
cụ thể đều có ít nhiều sai lệch so với thực tế. Đối với những hệ quá lớn ( Hệ mặt trời, thiên hà…) thì
các qui luật của Nhiệt động lực học cũng mất đi ý nghĩa, vì ta khơng thể khái qt 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 và các động cơ nhiệt (nhiệt động học cổ điển)
- Khoa học về các hệ thống ở trạng thái cân bằng (nhiệt động học cân bằng)
Ban đầu, nhiệt động học chỉ mang nghĩa thứ nhất. Về sau, các cơng trình tiên phong của Ludwig
Boltzmann đã đem lại nghĩa thứ hai.


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Các nguyên lý nhiệt động lực học có thể áp dụng cho mọi hệ vật lý, chỉ cần biết sự trao đổi năng
lượng với môi trường mà không phụ thuộc vào chi tiết tương tác trong các hệ ấy.
Albert Einstein đã dựa vào nhiệt động học để tiên đoán về phát xạ tự nhiên.
“Nhiệt động lực học là lý thuyết vật lý duy nhất tổng quát, trong khả năng ứng dụng và trong các cơ
sở lý thuyết của nó, mà tơi tin rằng sẽ không bao giờ bị lật đổ.” - Albert Einstein
Nhiệt động học là một bộ phận của vật lý thống kê. Cả hai đều nằm trong số những lý thuyết lớn
làm nền tảng cho những kiến thức đương đại về vật chất.
Khái niệm trung tâm của nhiệt động lực học là nhiệt độ. Từ này quen thuộc đến nỗi hầu hết trong
chúng ta, vì hình thành nên từ cảm 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 là tất cả các dạng năng lượng chứa trong một
hệ cơ lập. Như vậy có nghĩa là nội năng gồm động năng phân tử, thế năng tương tác phân tử của hệ,
và kể cả năng lượng hạt nhân.
Đối tượng của nhiệt động học là các hệ vĩ mô, tức là các hệ vật chất có chứa một số lớn các hạt
thành phần. Các hệ vĩ mô cũng được gọi là vật thể hay vật. Các hệ này được khảo sát trong điều
kiện có chuyển động nhiệt nên cịn gọi là các hệ nhiệt. Sau này khi nói về hệ vật lý mà khơng nói cụ
thể, ta sẽ hiểu ngầm định là hệ nhiệt. Mục đích của nhiệt động học như vậy là nghiên cứu các tính
chất của các hệ nhiệt.
II. 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.
Những nghiên cứu đầu tiên mà chúng ta có thể xếp vào ngành nhiệt động học chính là những cơng
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 đề xuất ra thang đo nhiệt độ đầu tiên mang tên ông. Trong thang
nhiệt này, 32 độ F và 212 độ F là nhiệt độ tương ứng với thời điểm nóng chảy của nước đá và sơi
của nước. Nhà bác học Thụy Sĩ 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 chuyển động vi mô của các hạt. Ngược lại, nhà bác học Antoine Lavoisier


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương 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 dòng nhiệt như một dạng chất lưu.
Tuy nhiên, sự ra đời thật sự của bộ môn nhiệt động học là phải chờ đến mãi thế kỉ thứ 19 với tên của
nhà vật lý người Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) cùng với cuốn sách của ông mang
tên "Ý nghĩa của nhiệt động năng và các động cơ ứng dụng loại năng lượng này". Ông đã nghiên
cứu những cỗ máy được gọi là động cơ nhiệt: Một hệ nhận nhiệt từ một nguồn nóng để thực hiện
cơng dưới dạng cơ học đồng thời truyền một phần nhiệt cho một nguồn lạnh. Chính từ đây đã dẫn ra
nguyên lý bảo toàn năng lượng (tiền đề cho nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học), và đặc biệt,
khái niệm về quá trình thuật nghịch mà sau này sẽ liên hệ chặt chẽ với nguyên lý thứ hai. Ông cũng
bảo vệ cho ý kiến của Lavoisier rằng nhiệt được truyền đi dựa vào sự tồn tại của một dòng nhiệt như
một dòng chất lưu.
Những khái niệm về công và nhiệt được nghiên cứu kĩ lưỡng bởi nhà vật lý người Anh James
Prescott Joule (1818-1889) trên phương diện thực nghiệm và bởi nhà vật lý người Đức Robert von
Mayer (1814-1878) 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 chuyển
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.
Nhà vật lý người Pháp Émile Clapeyron (1799-1864) đã đưa ra phương trình trạng thái của chất khí
lý tưởng vào năm 1843.
Tuy nhiên, chỉ đến năm 1848 thì khái niệm nhiệt độ của nhiệt động học mới được định nghĩa một
cách thực nghiệm bởi nhà vật lý người Anh, một nhà q tộc có tên là Sir William Thomson hay còn

gọi là Huân tước Kelvin (1824-1907).
Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học đã được giới thiệu một cách gián tiếp trong những kết quả của
Sadi Carnot và được cơng thức hố một cách chính xác bởi nhà vật lý người Đức Rudolf Clausius
(1822-1888) - người đã đưa ra khái niệm entropy vào những năm 1860.
Những nghiên cứu trên đây đã cho phép nhà phát minh người Tô Cách Lan - James Watt (17361819) hoàn thiện máy hơi nước và tạo ra cuộc cách mạng công nghiệp ở thế kỉ thứ 19.
Cũng cần phải nhắc đến nhà vật lý người Áo Ludwig Boltzmann (1844-1906), người đã góp phần
khơng nhỏ trong việc đón nhận entropy theo quan niệm thống kê và phát triển lý thuyết về chất khí
vào năm 1877. Tuy nhiên những người cùng thời không hiểu và công nhận, chỉ đến mãi về sau thì


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

tên tuổi ông mới được công nhận và người ta đã khắc lên mộ ông, ở thành phố Vienne, công thức
nổi tiếng “ S = k.lnWT” mà ơng đã tìm ra.
Riêng về lĩnh vực hoá nhiệt động, chúng ta phải kể đến tên tuổi của nhà vật lý Đức Hermann von
Helmholz (1821-1894) và nhà vật lý Mỹ Willard Gibbs (1839-1903). Chính Gibbs là người đã có
những đóng góp vơ cùng to lớn trong sự phát triển của vật lý thống kê.
Cuối cùng, để kết thúc lược sử của ngành nhiệt động học, xin được nhắc đến nhà vật lý người Bỉ
gốc Nga Ilya Prigonine (sinh năm 1917) - người đã được nhận giải Nobel năm 1977 về những phát
triển cho ngành nhiệt động học không cân bằng.
III. Phương pháp nghiên cứu của nhiệt động học
Có hai phương pháp nghiên cứu hệ nhiệt:
- Phương pháp vật lý thống kê hay phương pháp động học phân tử
- Phương pháp nhiệt động lực học
1. Phương pháp vật lý thống kê hay phương pháp động học phân tử:
Phương pháp vật lý thống kê không đặt vấn đề xét chuyển động của một phân tử riêng lẽ, mà xét
chuyển động chung của một tập hợp rất lớn các phân tử cấu tạo nên vật. Để đặc trưng cho chuyển
động chung của các phân tử, dĩ nhiên không thể lấy một giá trị của một đại lượng nào đó đối với

riêng một phần tử mà rõ ràng là phải lấy giá trị trung bình của đại lượng này đối với toàn bộ các
phân tử.
Để xét các giá trị trung bình vừa nói trên, ta phải dựa vào khái niệm xác suất, vì vậy phương pháp
thống kê được xây dựng trên cơ sở lý thuyết xác suất.
Ưu điểm của phương pháp thống kê là đi sâu được vào bản chất hiện tượng dựa vào sự khảo sát chi
tiết các quá trình phân tử cơ cấu nên hiện tượng nhưng cũng từ đó vấp phải những nhược điểm như
tính chất gần đúng của những kết quả định lượng và sự phức tạp của cơng việc tính tốn. Khơng
những vậy, trong trường hợp mà lực tương tác giữa các phân tử không thể bỏ qua như trong khí
thực, trong chất lỏng…thì phương pháp thống kê trở nên kém hiệu lực. Nó khơng mơ tả và giải
thích được đúng đắn các hiện tượng xảy ra đo sự tương tác giữa các phân tử.
Vì vậy, để nghiên cứu những hiện tượng liên quan đến chuyển động nhiệt, ngồi phương pháp thống
kê người ta cịn dùng một phương pháp nghiên cứu khác gọi là phương pháp nhiệt động lực học.


Luận văn tốt nghiệp

2.

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Phương pháp nhiệt động lực học:

Phương pháp nhiệt động lực học hoàn toàn khơng khảo sát chi tiết các q trình phân tử mà khảo sát
những hiện tượng xảy ra với một quan điểm duy nhất là sự biến đổi năng lượng đi kèm với những
hiện tượng ấy. Theo nguồn gốc lịch sử thì phương pháp này được phát sinh do khảo sát sự biến đổi
năng lượng chuyển động nhiệt (nhiệt năng) thành cơ năng để chạy các máy nhiệt, vì vậy nên nó có
tên gọi là phương pháp nhiệt động lực học. Tuy nhiên ngày nay phương pháp này đã vượt xa phạm
vi nghiên cứu ban đầu và được vận dụng để xét sự biến đổi năng lượng nói chung cho các hiện
tượng đã xảy ra.
Khi nghiên cứu những tính chất của vật chất gây ra bởi chuyển động hỗn loạn của một tập hợp rất

lớn các phân tử mà phải kể đến lực tương tác giữa chúng thì người ta vận dụng các định luật tổng
quát luôn luôn nghiệm đúng với thực tiễn, khơng phụ thuộc vào tính chất chuyển động và sự tương
tác giữa các phân tử.
Bộ môn vật lý nghiên cứu những tính chất chung của vật chất liên quan chặt chẽ đến chuyển động
nhiệt bằng phương pháp nhiệt động lực học gọi là nhiệt động lực học.
IV. Những nguyên lý cơ bản của nhiệt động lực học:
Các nguyên lý của nhiệt động lực học còn được gọi là các định luật của nhiệt động lực học.
1. Nguyên lý 0
Nguyên lý 0, hay nguyên lý cân bằng nhiệt động, nói về cân bằng nhiệt động. Hai hệ nhiệt động
đang nằm trong cân bằng nhiệt động với nhau khi chúng được cho tiếp xúc với nhau nhưng khơng
có trao đổi năng lượng. Nó được phát biểu như sau: "Nếu hai hệ có cân bằng nhiệt động với cùng
một hệ thứ ba thì chúng cũng cân bằng nhiệt động với nhau".
Với ngơn ngữ ít chính quy hơn, nội dung chính của ngun lý thứ khơng là: Mỗi vật có một tính
chất gọi là nhiệt độ. Khi hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau, nhiệt độ của chúng bằng nhau.
Bây giờ chúng ta có thể biến nhiệt nghiệm của vật thành nhiệt kế và chắc rằng số đọc của nó có ý
nghĩa vật lý. Chỉ cịn việc chia độ cho nó là xong.
Chúng ta thường xuyên dùng nguyên lý thứ khơng trong phịng thí nghiệm.
Ngun lý 0 được phát biểu muộn hơn những nguyên lý còn lại nhưng lại rất quan trọng nên được
đánh số 0. Nguyên lý thứ 0, thì được gọi theo cách giải thích logic, vì đến sau mãi đến năm 1930
nguyên lý mới ra đời, rất lâu sau nguyên lý 1 và 2. Vì khái niệm nhiệt độ là nền tảng của hai nguyên
lý nói trên nên nguyên lý thiết lập nhiệt độ thành một khái niệm vững chắc, phải có số thứ tự thấp
nhất đó là số 0.


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Cân bằng nhiệt động bao hàm cả cân bằng nhiệt, cân bằng cơ học và cân bằng hoá học. Đây cũng là
nền tảng của phép đo nhiệt.

2.

Nguyên lý I

Nguyên lý I hay định luật I, chính là ngun lý bảo tồn năng lượng, khẳng định rằng năng lượng
ln được bảo tồn. Nói cách khác, tổng năng lượng của một hệ kín là khơng đổi. Các sự kiện xảy
ra trong hệ chẳng qua là sự chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Như vậy năng lượng
không thể sinh ra từ hư không, nó ln biến đổi trong tự nhiên. Trong tồn vũ trụ, tổng năng lượng
khơng đổi, nó chỉ có thể chuyển từ hệ này sang hệ khác. Người ta không thể "tạo ra" năng lượng,
người ta chỉ "chuyển dạng" năng lượng mà thôi.
Phát biểu:
Nhiệt năng truyền vào một hệ bằng thay đổi nội năng của hệ cộng với công năng mà hệ sinh ra cho
môi trường.
Q= ∆U + A
Hay: Không thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại một.
Nếu xét trong một q trình kín – chu trình, thì ngun lý I được phát biểu như sau:
Nếu hệ xảy ra biến đổi trạng thái theo một chu trình bất kỳ nào đó có thể xảy ra thì tổng nhiệt lượng
trao đổi và cơng thực hiện trong chu trình đó phải bằng không. Nội năng của hệ không đổi.
∆U= 0 hay Q= A
Ý nghĩa:
Nguyên lý I của nhiệt động học cũng là một nguyên lý tổng quát cho tất cả các lý thuyết vật lý (cơ
học, điện từ học, vật lý hạt nhân, ...). Chưa từng thấy ngoại lệ của nguyên lý này, tuy rằng đôi khi
người ta cũng nghi ngờ nó, nhất là trong các phân rã phóng xạ.
Nguyên lý I đóng vai trị quan trọng trong việc nhận thức tự nhiên cũng như trong khoa học và kỹ
thuật.
Nguyên lý I đã được nghiên cứu rất lâu với rất nhiều người, song chỉ có Ăngghen là người đầu tiên
đã nêu lên tính tổng qt của ngun lý, ơng khẳng định ngun lý I chính là ngun lý bảo tồn và
biến đổi vận động và kết luận : “Nguyên lý I là một quy luật tuyệt đối của thiên nhiên”.
Quá trình thiết lập nguyên lý I có liên quan chặt chẽ và có ý nghĩa quan trọng trong việc giải đáp
một vấn đề to lớn và hấp dẫn trong lịch sử vật lý là “ Có thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại

một được khơng?”. Đó là loại động cơ có thể sinh cơng mà khơng tiêu thụ năng lượng nào cả hoặc


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

tiêu thụ một phần năng lượng ít hơn là cơng sinh ra. Ngun lý I của nhiệt động lực học đã cho thấy
một động cơ như vậy không thể thực hiện được.
3.

Nguyên lý II

Nguyên lý thứ hai hay định luật II, còn gọi là ngun lý về entropy, liên quan đến tính khơng thể
đảo ngược của một quá trình nhiệt động lực học và đề ra khái niệm entropy. Nguyên lý này cho rằng
entropy của một hệ kín chỉ có hai khả năng, hoặc là tăng lên, hoặc giữ nguyên. Từ đó dẫn đến
nguyên lý là không thể chuyển từ trạng thái mất trật tự sang trạng thái trật tự nếu khơng có sự can
thiệp từ bên ngoài.
Một số cách phát biểu nguyên lý II:
Thompson : “ Một động cơ nhiệt không thể sinh cơng nếu như nó chỉ trao đổi nhiệt với một nguồn
nhiệt duy nhất.”
Hay nói cách khác: Khơng thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại hai.
Cách phát biểu nguyên lý II của Thompson có liên quan đến động cơ nhiệt.
Clausius: “ Khơng thể tồn tại một q trình nhiệt động mà kết quả duy nhất là sự truyền nhiệt từ
một nguồn lạnh cho một nguồn nóng.”
Cách phát biểu nguyên lý II của Clausius lại liên quan đến máy lạnh.
Cách phát biểu thứ ba về nguyên lý II của Clausius liên quan đến entropy – cách phát biểu tổng qt
nhất, vừa có tính chất định tính lại vừa có tính chất định lượng:
Một hệ lớn và khơng trao đổi năng lượng với mơi trường sẽ có entropy ln tăng hoặc khơng đổi
theo thời gian.

Hay: Khơng có cách nào làm cho entropy của hệ và môi trường giảm.
Nguyên lý thứ hai khơng có gì mâu thuẫn với ngun lý thứ nhất mà chỉ làm sáng tỏ thêm nguyên lý
thứ nhất.
Vì entropy là mức độ hỗn loạn của hệ, nguyên lý này nói rằng vũ trụ sẽ ngày càng "hỗn loạn" hơn.
Cơ học thống kê đã chứng minh rằng nguyên lý này là một định lý, đúng cho hệ lớn và trong thời
gian dài. Đối với hệ nhỏ và thời gian ngắn, có thể có thay đổi ngẫu nhiên khơng tn thủ ngun lý
này. Nói cách khác, khơng như ngun lý I, các nguyên lý vật lý chi phối thế giới vi mô chỉ tuân
theo nguyên lý II một cách gián tiếp và có tính thống kê. Ngược lại, ngun lý II khá độc lập so với
các tính chất của các nguyên lý đó, bởi lẽ nó chỉ thể hiện khi người ta trình bày các ngun lý đó
một cách giản lược hóa và ở quy mơ nhỏ.
Ý nghĩa:


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Nguyên lý II cho thấy nhiệt không thể tự động từ vật lạnh sang vật nóng hơn và Entropy của hệ cơ
lập khơng thể giảm. Vậy bản chất của Entropy là gì?
Theo quan điểm động học thì Entropy là thước đo mức độ hỗn loạn của các phân tử trong hệ. Điều
này do kết quả phù hợp với hai nguyên lý nhiệt động học. Khi làm lạnh đẳng tích một hệ thì hệ liên
tục tỏa nhiệt ( Q < O ), Entropy của hệ giảm, tính chuyển động hỗn loạn của phân tử giảm hay tích
trật tự tăng lên. Khi chuyển pha từ khí sang lỏng hay lỏng sang rắn tương ứng với sự giảm nhảy bậc
của tính hỗn loạn của phân tử là sự giảm nhảy bậc của Entropy.
Cũng theo quan điểm động học phân tử, trạng thái vĩ mô của hệ có các thơng số trạng thái xác định
là giá trị trung bình, nó bao gồm những sự thay thế nhau không ngừng của các trạng thái vi mô của
hệ. Số trạng thái vi mô cho biết khả năng tồn tại của trạng thái vi mơ đó trong tổng số các trạng thái
vĩ mơ có thể xảy ra đối với hệ. Số trạng thái vi mơ càng nhiều thì khả năng xảy ra trạng thái vĩ mơ
tương ứng cành nhiều, kí hiệu là W gọi là xác suất nhiệt động của trạng thái vĩ mơ đó. Thuyết động
học phân tử nêu phép tính chính xác W và cơng thức nổi tiếng của Boltzmann về quan hệ giữa W và

S:
S = klnW , với k là hằng số Boltzmann.
Đối với hệ vĩ mơ cơ lập, các q trình biến đổi tự phát của nó đi theo chiều tiến tới trạng thái cân
bằng (q trình khơng thuận nghịch), tức đi từ trạng thái ít khả năng tồn tại đến trạng thái có nhiều
khả năng tồn tại hơn. Nói khác, q trình tự phát diễn biến theo chiều tăng của xác suất nhiệt động
W. Khi ở trạng thái cân bằng thì W đạt cực đại.Từ các lý luận trên ta ln có:
∆S≥0
Đối với hệ có ít phân tử thì có thể xảy ra những thăng giáng, tức hệ có thể tự phát biến đổi từ trạng
thái có xác suất lớn sang trạng thái có xác suất nhỏ hơn, tức Entropy của hệ giảm. Ví dụ chuyển
động Brown, sự bay hơi dưới nhiệt độ sôi,v.v… Như vậy nguyên lý II chỉ áp dụng cho hệ vĩ mơ
gồm một số lớn hạt trong đó ảnh hưởng của các thăng giáng có thể bỏ qua.
4.

Nguyên lý III

Nguyên lý thứ ba, hay nguyên lý Nernst, còn gọi là nguyên lý độ không tuyệt đối, đã từng được bàn
cãi nhiều nhất, gắn liền với sự tụt xuống một trạng thái lượng tử cơ bản khi nhiệt độ của một hệ tiến
đến giới hạn của độ không tuyệt đối. Nguyên lý này được phát biểu như sau:
Trạng thái của mọi hệ không thay đổi tại nhiệt độ không tuyệt đối (0°K)


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Ở nhiệt độ không tuyệt đối, nội năng của hệ được phân bố cho các hạt tham gia tạo thành hệ đó theo
một cách duy nhất : các electron trong các nguyên tử ở mức năng lượng thấp nhất, các nguyên tử
nằm tại các nút mạng tinh thể của vật rắn. Trạng thái đó hồn tồn trật tự và có xác suất nhiệt động
bằng đơn vị:

lim  k ln1  0
T 0

Nghĩa là ở nhiệt độ không tuyệt đối Entropy của vật bằng khơng. Định lý Nernst cũng có thể phát
biểu : Khơng thể đạt được nhiệt độ không tuyệt đối bằng cách lấy nhiệt của vật nhờ các quá trình
thực hữu hạn. Nói khác, khơng thể chế tạo một máy có khả năng làm lạnh vật đến nhiệt độ không
tuyệt đối. Không thể đạt được nhiệt độ không tuyệt đối.
Ở nhiệt độ không tuyệt đối, các nhiệt dung bằng 0 :

lim C p  lim CV  0
T 0

T 0

Nhờ định lý Nernst, có thể tính được S của hệ ở nhiệt độ T :
T

S   Q
0

V. Máy nhiệt
Là thiết bị có thể nhận nhiệt và biến đổi nhiệt thành cơng (động cơ nhiệt…) và ngược lại có thể biến
đổi cơng thành nhiệt (bơm nhiệt, máy lạnh…).
1.

Phát minh máy nhiệt đầu tiên – động cơ hơi nước:

Động cơ hơi nước là một loại động cơ nhiệt đốt ngoài sử dụng nhiệt năng của hơi nước, chuyển
năng lượng này thành công.
James Watt (1736-1819) - Nhà phát minh người Scottland, đã có nhiều cải tiến về máy hơi nước.

Nhưng cỗ máy hơi nước đầu tiên của nhân loại do Thomas Newcomen phát minh đã giúp nước
Anh đáp ứng nhu cầu năng lượng trong nửa đầu thế kỷ 18, tạo điều kiện cho sự bùng nổ của cuộc
cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.
a. Cỗ máy hơi nước của Newcomen


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

H.A. 1. Mô hình cỗ máy hơi nước Newcomen.

Nhiều mỏ khai khống thời đó được đào sâu đến nỗi nước thường xuyên tràn vào, gây nên tình
trạng ngập lụt. Để có thể tiếp tục khai thác than người ta phải tìm ra biện pháp bơm nước ra khỏi
hầm. Thực tế ấy khiến Newcomen trăn trở. Ơng muốn chế tạo một cỗ máy có khả năng bơm nước từ
thấp lên cao. Năm 1712, Newcomen chế tạo thành công cái mà ông gọi là “cỗ máy khơng khí”,
nhưng người ta thường gọi là cỗ máy hơi nước. Nhiều học giả ở thế kỷ 18 và 19 ghi lại rằng, ông đã
mất 10-15 năm để nghiên cứu nó.

H.A. 2. Hình vẽ thể hiện ngun lý hoạt động của cỗ máy Newcomen. Chuyển động lên xuống của pit-tơng
được truyền sang máy bơm nhờ địn cân bằng.

Ngun lý hoạt động của cỗ máy Newcomen rất đơn giản. Hơi nước được đưa vào một xi lanh,
buộc pit-tông chuyển động ra ngồi. Nước lạnh được phun vào pit-tơng khiến hơi nước ngưng tụ và
tạo ra môi trường chân không. Áp suất khơng khí buộc pit-tơng quay trở lại vị trí ban đầu của nó.
Sau đó hơi nước lại tràn vào xi lanh để tiếp tục chu trình mới. Cơng năng phát sinh từ chuyển động


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

qua lại của pit-tơng được truyền tới máy bơm thơng qua một địn cân bằng. Nhờ đó mà máy bơm có
thể hút nước liên tục.
Cỗ máy của Newcomen được sử dụng rộng rãi tại hàng nghìn mỏ than trên khắp nước Anh và cứu
nhiều chủ mỏ khỏi cảnh phá sản. Nó giữ vị trí độc tơn suốt 3/4 thế kỷ cho đến khi John Smeaton rồi
James Watt cải tiến động cơ hơi nước.
b. Cỗ máy hơi nước của James Watt
Watt phát hiện máy hơi nước Newcomen tuy được dùng rộng rãi nhưng nó có rất nhiều điểm cần
được cải tiến.Watt phát hiện máy hơi nước Newcomen cịn hạn chế vì hơi nước chưa được sử dụng
triệt để.
“Làm thế nào để hơi nước do máy hơi nước sinh ra được sử dụng triệt để?”
"Thiết kế bộ ngưng tụ hơi nước, làm cho hơi nước trực tiếp trở lại trạng thái nước ngay từ ngoài xi
lanh, như vậy chẳng phải xi lanh có thể duy trì được nhiệt độ tương đối cao sao?"
Để chế tạo được máy hơi nước kiểu mới, Watt và các trợ lý của ông làm miệt mài không quản ngày
đêm nhưng kết quả vẫn chưa giành được thành công. Watt không nản lịng, ơng càng nỗ lực hơn,
cuối cùng năm 1765 ông đã chế tạo thành công một chiếc máy hơi nước. Loại máy hơi nước này
giảm được 3/4 lượng than tiêu thụ so với máy hơi nước Newcomen mà hiệu suất nâng cao lên rất
nhiều. Thành công lần này là sự cổ vũ lớn đối với Watt, ông vẫn muốn trực tiếp cải tiến một bước
nữa để giảm lượng tiêu hao than xuống nữa, hiệu suất càng cao hơn.
Năm 1782, ông cho ra đời chiếc máy hơi nước mới đúng như ơng đã suy nghĩ: Máy tiêu hao than ít,
hiệu suất làm việc cao. Thành công phát minh ra loại máy hơi nước này đã làm cho máy hơi nước
Newcomen trở nên q lạc hậu khơng cịn chỗ đứng chân.
H.A. 3. James Watt và động cơ hơi nước


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Máy hơi nước do Watt phát minh nhanh chóng được sử dụng rộng rãi. Tàu thuyền, tàu hỏa dùng
máy móc hơi nước đua nhau ra đời, cơng nghiệp tồn thế giới nhanh chóng bước vào "Thời đại máy
hơi nước".
Nhờ phát minh này, nhà máy dệt có thể đặt bất cứ nơi nào. Khơng những thế phát minh này cịn có
thể coi là mốc mở đầu q trình cơ giới hóa.
Các động cơ hơi nước đầu tiên được sử dụng như là bộ phận chuyển động sơ cấp của bơm, đầu máy
tàu hỏa, tàu thủy hơi nước, máy cày, xe tải và các loại xe cơ giới chạy trên đường bộ khác và là nền
tảng cơ bản nhất cho Cách mạng công nghiệp. Các tuốc bin hơi nước, về mặt kỹ thuật cũng là một
loại động cơ hơi nước, ngày nay đang được sử dụng rộng rãi cho máy phát điện nhưng các loại cũ
hơn hầu như được thay thế bằng động cơ đốt trong và động cơ điện.
Một động cơ hơi nước cần một nồi hơi súpde để đun nước sôi tạo hơi. Việc giãn nở của hơi tạo một
lực đẩy lên pittong hay các cánh tuốc bin và chuyển động thẳng được chuyển thành chuyển động
quay để quay bánh xe hay truyền động cho các bộ phận cơ khí khác. Một trong những lợi thế của
động cơ hơi nước là nó có thể sử dụng bất cứ nguồn nhiệt nào để đun nồi hơi nhưng các loại nguồn
nhiệt thông dụng nhất là đun củi, than đá hay dầu hay sử dụng hơi nhiệt năng thu được từ lò phản
ứng hạt nhân.

H.A. 4. Cỗ máy hơi nước và ứng dụng trong thực tiễn


Luận văn tốt nghiệp

2.

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Động cơ nhiệt:

Động cơ nhiệt là những động cơ trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyển
hóa thành cơ năng. Các động cơ nhiệt đầu tiên là máy hơi nước, chúng có đặc điểm chung là nhiên

liệu (củi, than, dầu ...) được đốt cháy ở bên ngoài xi lanh của động cơ. Hằng trăm năm sau khi máy
hơi nước ra đời mới xuất hiện động cơ đốt trong, là động cơ nhiệt mà nhiên liệu được đốt cháy ngay
ở bên trong xi lanh.
Hai bộ phận quan trọng của máy nhiệt là nguồn nóng có nhiệt độ cao T và một buồng chứa khí có
1

pitơng nhận nhiệt để biến thành cơng hữu ích nhờ dãn nén. Chất khí trong buồng được gọi là tác
nhân, nó hoạt động theo chu trình: tác nhân nhận nhiệt, dãn pitơng để sinh cơng, hạ nhiệt độ để trở
lại trạng thái ban đầu, nhận nhiệt tiếp...Thật sự thì các chu trình vận hành của các máy nhiệt đều là
các q trình khơng thuận nghịch, song để đơn giản có thể xem chúng là thuận nghịch.
Giả thử trong một chu trình chất khí tác nhân nhận một lượng nhiệt Q, sinh một cơng hữu ích A,
hiệu suất của máy nhiệt là đại lượng sau đây:



A
Q

Hiệu suất cho biết tỉ lệ (thường tính bằng %) năng lượng nhiệt cung cấp đã biến thành cơng hữu ích.
Nếu máy nhiệt chỉ gồm có nguồn nóng và buồng khí tác nhân thì khơng hoạt động được. Thật vậy,
biến thiên entropy của hệ sau một chu trình là:

S  S1  S M 

Q
Q
0
T1
T1

trong đó ΔS là biến thiên entropy của nguồn nóng (lượng nhiệt nhận sau một chu trình là – Q vì
1

nguồn tỏa nhiệt), biến thiên entropy của khối khí ΔS = 0 vì sau một chu trình tác nhân trở lại trạng
M

thái ban đầu. Vì tồn bộ máy nhiệt là kín nên entropy phải tăng sau mỗi chu trình, giá trị âm của ΔS
là biểu hiện quá trình khơng thể diễn ra.
Để máy hoạt động được cần phải có thêm một bộ phận nữa: nguồn lạnh, có nhiệt độ T (T < T ), để
2

tác nhân thải bớt nhiệt.

2

1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

H.A. 5. Sơ đồ động cơ nhiệt

Nguồn lạnh thường là môi trường không khí bên ngồi. Giả thử nhiệt tỏa ra cho nguồn lạnh trong
mỗi chu trình là Q’ (Q’ > 0) thì biến thên entropy sau mỗi chu trình bây giờ sẽ là:

S  S1  S M  S2 

Q

Q ' Q Q '
0


T1
T2
T1 T2

Trong biểu thức mối quan hệ giữa các đại lượng T , T , Q, Q’ phải đảm bảo sao cho
1

2

ΔS ≥ 0 thì máy nhiệt mới hoạt động được.
Khi có nguồn lạnh thì cơng hữu ích bằng A’ = Q – Q’, thay vào công thức ta sẽ được:

 1

Q'
Q

Công thức này trước hết cho ta một nhận xét sau. Vì Q’ phải khác khơng nên A phải nhỏ hơn Q tức
hiệu suất η phải nhỏ hơn 1. Điều này có nghĩa là nhiệt khơng thể biến hồn tồn thành cơng. Nhận
xét này tương đương với nguyên lý II và chính là một dạng phát biểu của nguyên lý II.
Động cơ nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, bao gồm từ những động cơ chạy bằng xăng
hoặc dầu ma dút của xe máy, ô tô, máy bay, tàu hỏa, tàu thủy ... đến các động cơ chạy bằng các
nhiên liệu đặc biệt của tên lửa, con tàu vũ trụ, động cơ chạy bằng năng lượng nguyên tử của tàu
ngầm, tàu phá băng ...
3.

Máy lạnh – bơm nhiệt

Thiết bị chuyển năng lượng dưới dạng nhiệt lượng từ nơi lạnh sang nơi nóng gọi là máy lạnh. Nhiệt
lượng Q’ được lấy đi từ nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp và một cơng A nào đó được thực hiện trên hệ
do một tác nhân ngoài, năng lượng chuyển dưới dạng nhiệt lượng và công được kết hợp lại và được
nhường dưới dạng nhiệt lượng Q cho một nguồn có nhiệt độ cao. Ví dụ trong tủ lạnh gia đình,
nguồn nhiệt thấp là buồng lạnh, trong đó để thực phẩm, đá. Nguồn nhiệt cao là phòng, nơi đặt tủ
lạnh. Công được ghi rõ trên bảng hướng dẫn sử dụng, thực hiện bởi mô tơ chạy máy. Trong máy


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

điều hịa khơng khí nguồn nhiệt độ thấp là phịng cần làm lạnh, nguồn nhiệt độ cao là khơng khí bên
ngồi. Trong đó đặt các cuộn ống ngưng tụ và như trên, công của máy lạnh là do mô tơ của máy
thực hiện.

H.A. 6. Sơ đồ máy lạnh

Mục đích của cả tủ lạnh lẫn máy điều hịa khơng khí là chuyển năng lượng dưới dạng nhiệt từ một
nguồn nhiệt độ thấp sang một nguồn nhiệt độ cao, sao cho công thực hiện trên hệ càng ít càng tốt.
Ta định giá trị của các máy như thế bằng hệ số chất lượng (hiệu suất của máy) định nghĩa là:



Q'
Q'

A

Q  Q'

H.A. 7. Máy lạnh lý tưởng

Các kỹ sư thiết kế, những người sử dụng đều muốn hiệu suất của máy lạnh càng cao càng tốt. Với tủ
lạnh gia đình giá trị điển hình là 5 cịn với máy điều hịa khơng khí giá trị điển hình là khoảng 2 – 3.
Hình (H.A. 7) trình bày một máy lạnh lý tưởng, một máy làm lạnh mà khơng cần tốn một cơng nào
cả, nó có hiệu suất
bằng vô cùng.


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Kinh nghiệm lâu dài cho ta biết không thể chế tạo được những động cơ như vậy. Vì vậy, một cách
khác để diễn đạt nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học là khơng có
máy lạnh lý tưởng.
4.

Động cơ lý tưởng

Khơng có động cơ lý tưởng. Điều đó có nghĩa là khơng có động cơ có thực nào có hiệu suất 100%.
Một câu hỏi cịn lại là nếu khơng phải 100% thì hiệu suất của một động cơ thực có thể là bao
nhiêu? Để trả lời câu hỏi này ta phải xét kĩ các hoạt động chi tiết của động cơ.
Khi nghiên cứu các chất khí, ta đã tránh mọi sự phức tạp của khí thực bằng cách đưa ra một ý tưởng
có ích: khí lý tưởng. Ích lợi của nó nằm ở sự kiện là khí lí tưởng là đại diện cho tính chất giới hạn
của khí thực. Khi nghiên cứu động cơ, chúng ta cũng theo một cách như vậy. Chúng ta tránh những
sự phức tạp của động cơ thực bằng cách dựa vào một ý tưởng hữu ích khác: động cơ lý tưởng. Theo
cách mà ta sẽ khai thác biểu diễn cách xử sự giới hạn của động cơ thực.

Động cơ lý tưởng của ta gồm một bộ pittông xi lanh chứa một chất khí lý tưởng. Một nguồn nhiệt ở
nhiệt độ T1, và một nguồn nhiệt khác ở nhiệt độ T2, và cũng có một giá đỡ cách nhiệt. Khí lý tưởng
tạo thành hệ mà ta có thể áp dụng các nguyên lý của nhiệt động lực học cho nó. Xilanh với pittơng
có tải trọng, giá cách nhiệt và hai nguồn nhiệt tạo thành môi trường của hệ.
Đầu tiên chúng ta giả thiết rằng động cơ lý tưởng của chúng ta khơng có ma sát, khơng có chuyển
động xốy của chất lưu, và khơng có trao đổi nhiệt lượng mà ta khơng muốn. Đó là tất cả những
điều hiển nhiên mà một kĩ sư chế tạo cố gắng loại trừ. Ngồi những điều đó ra, chúng ta cịn giả
thuyết rằng, tất cả các quá trình tạo thành chu trình hoạt động của động cơ: mọi sự giãn, nén, thay
đổi nhiệt độ và áp suất đều được tiến hành hết sức chậm, có nghĩa là ta giả thiết đó là những quá
trình chuẩn tĩnh. Làm như vậy để chắc rằng hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động tại mọi thời điểm và
ta có thể vẽ mọi trạng thái của hệ trên giản đồ p – V.
Một quá trình tiến hành theo cách như thế gọi là quá trình thuận nghịch, mà cách thử nghiệm là q
trình có thể được tiến hành theo chiều ngược lại chỉ cần tạo những sự thay đổi nhỏ, nói một cách
chặt chẽ, những biến đổi vi phân của các điều kiện bên ngoài.
Chẳng hạn nếu ta từ từ tải bỏ trọng khỏi pittông chịu tải, làm giãn khí ra, ta có thể tại mỗi giai đoạn
– quyết định thêm hay cho bớt gia lượng phụ tải, như vậy chuyển sự giãn thành nén.
Vì mọi q trình của nó là thuận nghịch, nên tồn bộ chu trình cũng là thuận nghịch.


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Điều đó có nghĩa là, nếu muốn một động cơ có thể chạy theo chiều ngược như một máy lạnh lý
tưởng, sự trao đổi nhiệt và công thay đổi về dấu, nhưng không thay đổi về độ lớn. Động cơ lý tưởng
của ta là một động cơ thuận nghịch. Thật vậy, nó lý tưởng chính là ở chỗ đó.
5.

Hiệu suất của động cơ nhiệt làm việc theo một chu trình bất kỳ

Giả sử có một chu trình bất kỳ thuận nghịch biểu diễn bằng đường cong kín ABCD.

H.A. 7. Động cơ nhiệt làm việc theo chu trình bất kỳ (đường cong ABCD)

Ta tưởng tượng chia chu trình này thành một số rất lớn các chu trình Carnot thuận nghịch nguyên tố
rất hẹp. Khi thực hiện tất cả các chu trình Carnot thuận nghịch này thì có những phần của mỗi
đường đoạn nhiệt được đi qua hai lần theo hai chiều ngược nhau nên khử nhau. Chỉ còn lại những
đường đẳng nhiệt và những bờ của đường đoạn nhiệt, chúng tạo thành những đường gãy kín. Như
vậy một chu trình bất kỳ thuận nghịch bao giờ cũng được phân tích thành một dãy các quá trình
đẳng nhiệt và đoạn nhiệt. Tăng số chu trình Carnot ngun tố lên vơ hạn thì giới hạn đường gãy
khúc kín này sẽ trùng với đường cong kín biễu diễn chu trình thuận nghịch bất kỳ đã cho.
Vậy ta có thể coi một chu trình thuận nghịch bất kỳ là một tập hợp rất nhiều các chu trình Carnot
thuận nghịch nguyên tố. Mỗi chu trình Carnot thuận nghịch nguyên tố thứ k được thực hiện giữa hai
nguồn nhiệt T1k và T2k , nói chung các giá trị T1k và T2k khác nhau tùy theo mỗi chu trình.
Theo cơng thức, hiệu suất của chu trình Carnot thứ k là :

k 

T1k  T2 k
T
 1  2k
T1k
T1k

Gọi T1 và T2 là nhiệt độ cao nhất và thấp nhất của chu trình ABCD, vậy bao giờ cũng thỏa mãn bất
đẳng thức:

T2 k T2 Tmin
 
T1k T1 Tmax

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

T2 k
T
1 2
T1k
T1

Hay

1

Hay

k 

T1  T2

T1

Nếu gọi tn là hiệu suất của chu trình thuận nghịch bất kỳ, ta có thể chứng minh rằng

tn   .
Thật vậy nếu gọi ∆Ak là công mà tác nhân sinh ra và ∆Q1k là nhiệt lượng mà tác nhân nhận được từ
nguồn nóng T1k của chu trình Carnot ngun tố thứ k, ta có:
∆Ak=k . ∆Q1k ≤  . ∆Q1k

Lấy tổng đối với tất cả các chu trình Carnot nguyên tố thì:

 A  Q . . Q
 A  
 Q
Mà  A chính là cơng mà tác nhân sinh ra trong chu trình bất kỳ ABCDA cịn  Q
 A chính là hiệu suất 
lượng mà tác nhân nhận được từ các nguồn nóng nên tỷ số
 Q
k

1k

1k

k

1k

k

1k

là nhiệt

tn

của chu

k

1k

trình thuận nghịch bất kỳ ABCDA, tóm lại:

tn   

T1  T2
T1

Nghĩa là hiệu suất tn của chu trình bất kỳ thuận nghịch khơng thể lớn hơn hiệu suất của chu trình
Carnot thuận nghịch thực hiện giữa các nguồn nhiệt T1 và T2 (T1 và T2 là các nguồn nhiệt có nhiệt
độ cao nhất và thấp nhất của chu trình thuận nghịch bất kỳ đang xét). Đối với chu trình bất kỳ khơng
thuận nghịch tức là những chu trình trong đó có những đoạn khơng thuận nghịch thì khi ta phân chia
chu trình này thành các chu trình Carnot ngun tố, ta sẽ có những chu trình Carnot khơng thuận
nghịch ứng với các đoạn khơng thuận nghịch của chu trình. Hiệu suất của chu trình bất kỳ khơng
thuận nghịch ( ký hiệu ktn ) lại càng nhỏ hơn so với trường hợp thuận nghịch. Vì vậy ta có thể viết:

ktn   

T1  T2
T1

Các động cơ nhiệt thực làm việc theo các chu trình khơng thuận nghịch. Vì vậy để tăng hiệu suất
của động cơ nhiệt thực cần làm sao cho chu trình thực càng gần với chu trình thuận nghịch và tốt


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

hơn nữa là càng gần với chu trình Carnot thuận nghịch, ngồi ra cũng có thể tăng hiệu suất động cơ
nhiệt bằng cách làm cho sự chênh lệch giữa nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh càng lớn.
VI. Động cơ đốt trong
1.

Động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong
động cơ. Các loại động cơ sử dụng dịng chảy để tạo cơng thơng qua đốt cháy như tuốc bin khí và
các động cơ đốt bên ngồi xy lanh thí dụ như máy hơi nước hay động cơ Stirling không thuộc về
động cơ đốt trong.
Nguyên tắc hoạt động cơ bản:
Hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu được đốt trong xy lanh của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy nhiệt
độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một pít tơng đẩy pít tơng này di chuyển
đi.
Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, một phần sử dụng các chu kỳ tuần hoàn khác nhau. Tuy
vậy tất cả các động cơ đốt trong đều lặp lại trong một chu trình tuần hoàn chu kỳ làm việc bao gồm
bốn bước: nạp, nén, nổ và xả. Xả và nạp là hai bước dùng để thay khí thải bằng khí mới. Nén và nổ
dùng để biến đổi năng lượng nhiệt do nhiên liệu cháy thành năng lượng cơ (động năng trong chuyển
động quay).
2.

Phân loại động cơ đốt trong

Trong lịch sử chế tạo động cơ đã có rất nhiều phương án được phác thảo và hiện thực nhưng lại
không phù hợp với các cách phân loại dưới đây, thí dụ như động cơ Otto với bộ phun nhiên liệu trực
tiếp hay các loại động cơ hoạt động theo nguyên tắc của động cơ Diesel nhưng lại có bộ phận đánh
lửa. Các phương pháp chế tạo lại có thể được kết hợp rất đa dạng, thí dụ như động cơ có dung tích
nhỏ với pít tơng tròn và điều khiển qua khe hở theo nguyên tắc Otto hay động cơ diesel 2 thì có

dung tích lớn với bộ điều khiển bằng van (động cơ diesel của tàu thủy). Phần phân loại tổng quát
này không liệt kê những trường hợp đặc biệt nhằm để tránh sự khó hiểu.
a. Theo quy trình nhiệt động lực học


Động cơ Otto

Động cơ xăng hay động cơ Otto (lấy theo tên của Nikolaus Otto) là một dạng động cơ đốt trong,
thông thường được sử dụng cho ô tô, máy bay, các máy móc di động nhỏ như máy xén cỏ hay xe
máy cũng như làm động cơ cho các loại thuyền và tàu nhỏ.


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Nhiên liệu của của các động cơ xăng là xăng. Phổ biến nhất của động cơ xăng là động cơ bốn thì.
Việc đốt cháy nhiên liệu được diễn ra trong buồng đốt bởi một hệ thống đánh lửa được tắt mở theo
chu kỳ. Nơi đánh lửa là bugi có điện áp cao. Động cơ hai thì cũng được sử dụng trong các ứng dụng
nhỏ hơn, nhẹ hơn, và rẻ tiền hơn nhưng nó không hiệu quả trong việc sử dụng nhiên liệu.
Nguyên tắc hoạt động của động cơ Otto:
Chuyển động của pít tơng ở thì thứ nhất, hai và bốn là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đà
gắn ở trục khuỷu trong thì thứ ba. Một động cơ bốn thì vì thế có góc đánh lửa là 7200 tính theo góc
quay của trục khuỷu tức là khi trục khuỷu quay hai vịng thì mới có một lần đánh lửa. Có thêm
nhiều xy lanh thì góc đánh lửa sẽ nhỏ đi, năng lượng đốt được đưa vào nhiều hơn trong hai vòng
quay của trục khuỷu sẽ làm cho động cơ chạy êm hơn.
Do trong lúc khởi động chưa có đà nên trục khuỷu phải được quay từ bên ngoài bằng một thiết bị
khởi động như dây (máy cưa, động cơ của ca nô), cần khởi động (mô tô), tay quay khởi động ở các
ô tô cổ hay một động cơ điện nhỏ trong các mô tô và ô tô hiện đại.
Việc thay thế khí thải bằng hỗn hợp khí mới được điều khiển bằng trục cam. Trục này được gắn với

trục khuỷu, quay có giảm tốc 1- 2, đóng và mở các van trên đầu xy lanh của động cơ. Thời gian trục
khuỷu đóng và mở các van được điều chỉnh sao cho van nạp và van xả được mở cùng một lúc trong
một thời gian ngắn khi chuyển từ thì xả sang thì nạp. Khí thải thốt ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới
vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào xy lanh tốt hơn và tăng áp suất đốt.
Một trong những thành phần của các động cơ xăng cũ là bộ chế hịa khí (hay cịn gọi là cacbuaratơ),
nó trộn xăng lẫn với khơng khí. Trong các động cơ xăng sau này, nó đã được thay bằng việc phun
nhiên liệu.
Động cơ xăng được phát triển vào cuối thế kỷ 19 bởi Nikolaus August Otto, dựa trên một động cơ
ba thì có cơng suất yếu hơn rất nhiều của Étienne Lenoir. Thay đổi cơ bản là thêm vào một thì nén
khí. Thiết kế đầu tiên của Otto khơng có nhiều điểm tương tự với các động cơ ngày nay. Đấy là một
động cơ ở ngồi khơng khí, tức là hỗn hợp khí và nhiên liệu nổ đẩy pittơng bắn ra ngoài bay tự do
và chỉ trên đường quay lại pittơng (hay áp suất khơng khí) mới tạo ra công.
Năm 1876, Otto đăng ký bằng phát minh tại Đức cho một động cơ đốt trong bao gồm cả nguyên tắc
bốn thì.


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Gottlieb Daimler và Carl Benz tại Đức và Siegfried Marcus (ở Wien (Áo) đã độc lập với nhau chế
tạo các xe cơ giới đầu tiên bằng một động cơ Otto.

H.A. 8. Nikolaus August Otto và động cơ Otto

 Động cơ Diesel
Động cơ Diesel là một loại động cơ đốt trong. Sự cháy của nhiên liệu - dầu diesel, xảy ra trong
buồng đốt khi pittong đi tới gần điểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác động của nhiệt
độ và áp suất cao của khơng khí nén.

H.A. 9. Rudolf Diesel và một loại động cơ Diesel

Động cơ Diesel do một kỹ sư người Đức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào năm1892. Chu trình
làm việc của động cơ cũng được gọi là chu trình Diesel.
Do những ưu việt của nó so với động cơ xăng, như hiệu suất động cơ cao hơn hay nhiên liệu diesel
rẻ tiền hơn xăng, nên động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt
trong ngành giao thông vận tải thủy và vận tải bộ.
b. Theo cách thức hoạt động


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

 Phương pháp 4 thì:
Mỗi một giai đoạn hoạt động diễn ra trong một thì. Một thì ở đây là một lần đẩy của pít tơng, tức là
một lần chuyển động lên hay xuống của pít tơng. Trong một chu kỳ hoạt động 4 thì, trục khuỷu
quay 2 lần. Việc thay đổi khí được đóng kín có nghĩa là hỗn hợp khí mới và khí thải được tách hồn
tồn ra khỏi nhau. Trong thực tế hai khí này tiếp xúc với nhau trong một khoảng thời gian ngắn.
 Phương pháp 2 thì:
Trong phương pháp hai thì cả bốn giai đoạn đều hoạt động nhưng chỉ trong 2 lần chuyển động của
pít tơng (2 thì) vì một phần của hai giai đoạn nạp và nén được tiến hành ra bên ngoài xy lanh. Trục
khuỷu chỉ quay một vòng trong một chu kỳ làm việc. Thay đổi khí mở tức là hai hỗn hợp khí mới và
khí thải bị trộn lẫn với nhau một phần.

H.A. 10. Động cơ 4 thì và động cơ 2 thì.

Ứng dụng:
Động cơ 2 thì được sử dụng phần lớn ở các ứng dụng mà giá tiền của động cơ (cấu tạo đơn giản) và
mật độ năng lượng cao quan trọng hơn là tiêu thụ năng lượng và bảo vệ môi trường, trước tiên là

cho những động cơ có dung tích nhỏ như ở các loại xe gắn máy nhỏ, máy cưa, mơ hình có động cơ,
trong thể thao đua mơ tô và các động cơ cho tàu thủy.
c. Theo cách tạo hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu
 Tạo hỗn hợp bên ngoài:


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa

Nhiên liệu và khơng khí được hịa vào nhau ở ngồi xy lanh, sau đó được đưa vào xy lanh và nén
lại. Đại diện đặc trưng cho loại này là động cơ Otto có bộ chế hịa khí hay động cơ hai thì. Nếu nhiệt
độ động cơ quá cao, thời điểm đánh lửa quá sớm hay vì tự bốc cháy hỗn hợp này có thể gây ra nổ
khơng kiểm sốt được làm giảm công suất và gây hư hại cho động cơ. Trong lúc được nén lại nhiên
liệu phải bốc hơi một phần để có thể cháy rất nhanh ngay sau khi đánh lửa, tạo vận tốc vòng quay
nhanh.
 Tạo hỗn hợp bên trong:
Chỉ có khơng khí được đưa vào và nén lại trong xy lanh, nhiên liệu được phun vào sau đó. Do
khơng có nhiên liệu nên khơng xảy ra việc tự cháy vì thế mà có thể tăng hiệu suất bằng cách tăng độ
nén nhiều hơn. Đánh lửa bằng cách tự bốc cháy (động cơ diesel) hay bằng bộ phận đánh lửa (động
cơ Otto có bộ phận phun liêu nhiệu trực tiếp hay ở các động cơ có thể dùng nhiều loại nhiên liệu
khác nhau). Sau khi được phun vào nhiên liệu cần một thời gian nhất định để bốc hơi vì thế mà vận
tốc vịng quay bị giới hạn.
d. Theo phương pháp đốt
Hỗn hợp khí được đốt bằng bộ phận đánh lửa (bugi) trong các động cơ Otto, tốt nhất là ngay trước
điểm chết trên.
Trong các động cơ diesel hỗn hợp đốt bằng cách tự bốc cháy. Khơng khí được nén rất mạnh và ngay
trước điểm chết trên nhiên liệu được phun vào. Vì ở nhiệt độ rất cao nên nhiên liệu tự bốc cháy.
VII.

Động cơ đốt ngoài

Động cơ đốt ngồi là một loại động cơ tạo ra cơng cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên ngoài xilanh
động cơ. Động cơ đốt ngoài gồm các loại động cơ như: động cơ hơi nước, động cơ Stirling, động cơ
Cyclone…

1.

Động cơ hơi nước

2.

Động cơ Stirling

3.

Động cơ Cyclone

a. Lịch sử ra đời

Công ty khai sinh ra động cơ đa nhiên liệu đốt ngoài là Cyclone Power Technologies đặt trụ sở tại
thành phố Pompano Beach, bang Florida do ông Harry Schoell làm giám đốc. Động cơ Cyclone là
kết quả của nhiều năm trời nghiên cứu, nhờ đó ơng Schoell đã được cấp 2 bằng sáng chế và 11 bằng
khác.