Lớp 10 · Vật Lí
Bài 27
Hiệu Suất
Năng lượng có ích & hao phí, công thức $H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}} \times 100\%$ và ứng dụng thực tiễn
1
Năng lượng có ích & năng lượng hao phí
▼
Trong mọi quá trình chuyển hoá năng lượng (từ dạng này sang dạng khác, từ vật này sang vật khác), luôn tồn tại một phần năng lượng bị hao phí — không bao giờ toàn bộ năng lượng đầu vào được chuyển thành năng lượng mong muốn.
✅ Năng lượng CÓ ÍCH
Là phần năng lượng được chuyển hoá đúng theo mục đích sử dụng.
Kí hiệu: $W_{ci}$ hoặc $A_{ci}$.
⚠️ Năng lượng HAO PHÍ
Là phần năng lượng chuyển hoá thành dạng không mong muốn.
Thường là: nhiệt năng do ma sát, năng lượng âm thanh, bức xạ,...
Kí hiệu: $W_{hp}$ hoặc $A_{hp}$.
📐 Mối quan hệ
$W_{tp} = W_{ci} + W_{hp}$
$W_{tp}$: năng lượng toàn phần (toàn bộ năng lượng cung cấp ban đầu).
▸ Một số ví dụ về hao phí năng lượng
①Động cơ nhiệt thông thường: khoảng 60–70% năng lượng bị hao phí.
②Động cơ điện: chỉ khoảng 10% bị hao phí (hiệu suất rất cao).
③Pin mặt trời: chỉ khoảng 10% năng lượng ánh sáng được chuyển thành điện năng.
▸ Phân loại có ích / hao phí — mang tính tương đối
Lưu ý quan trọng
Việc phân loại "có ích" hay "hao phí" tuỳ thuộc mục đích sử dụng:
• Khi chơi thể thao: nhiệt năng cơ thể toả ra thường là hao phí.
• Nhưng nếu chơi thể thao trong thời tiết lạnh: nhiệt năng đó giúp sưởi ấm cơ thể $\Rightarrow$ trở thành có ích.
• Khi chơi thể thao: nhiệt năng cơ thể toả ra thường là hao phí.
• Nhưng nếu chơi thể thao trong thời tiết lạnh: nhiệt năng đó giúp sưởi ấm cơ thể $\Rightarrow$ trở thành có ích.
| Thiết bị / Quá trình | Có ích | Hao phí |
|---|---|---|
| Acquy nạp điện | Hoá năng | Nhiệt năng |
| Acquy phóng điện | Điện năng | Nhiệt năng |
| Ròng rọc kéo vật lên cao | Thế năng vật nâng | Nhiệt do ma sát |
| Bếp từ nấu ăn | Nhiệt làm nóng nồi/thức ăn | Nhiệt toả môi trường, bức xạ |
2
Hiệu suất — Định nghĩa & công thức
▼
📐 Định nghĩa
Hiệu suất là đại lượng đo lường tỉ lệ giữa phần năng lượng có ích so với năng lượng toàn phần trong cùng một khoảng thời gian.
$H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}} \times 100\%$
Hoặc tính theo công suất:
Hiệu suất theo công suất
$H = \dfrac{P_{ci}}{P_{tp}} \times 100\%$
▸ Đặc điểm quan trọng của hiệu suất
①Không có đơn vị (tính bằng %).
②Luôn nhỏ hơn $100\%$ ($0 < H < 100\%$). KHÔNG BAO GIỜ đạt $100\%$ vì luôn tồn tại năng lượng hao phí.
③Hiệu suất càng cao $\Rightarrow$ tỉ lệ năng lượng hao phí càng nhỏ $\Rightarrow$ thiết bị hoạt động hiệu quả hơn.
④Máy có công suất lớn KHÔNG đồng nghĩa với hiệu suất cao. Hai khái niệm khác nhau.
⚠️ Phân biệt CÔNG SUẤT vs HIỆU SUẤT
• Công suất đo tốc độ sinh công (nhanh hay chậm), đơn vị W.
• Hiệu suất đo mức độ tận dụng năng lượng, đơn vị %.
$\Rightarrow$ Máy công suất lớn có thể có hiệu suất thấp và ngược lại.
• Hiệu suất đo mức độ tận dụng năng lượng, đơn vị %.
$\Rightarrow$ Máy công suất lớn có thể có hiệu suất thấp và ngược lại.
📝 Ví dụ — Tính hiệu suất cơ bản
Một máy điện cung cấp năng lượng toàn phần $W_{tp} = 200$ J, năng lượng có ích thu được $W_{ci} = 160$ J. Tính hiệu suất.
Giải: $H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}} \cdot 100\% = \dfrac{160}{200} \cdot 100\% = 80\%$.
Năng lượng hao phí: $W_{hp} = W_{tp} - W_{ci} = 200 - 160 = 40$ J.
Giải: $H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}} \cdot 100\% = \dfrac{160}{200} \cdot 100\% = 80\%$.
Năng lượng hao phí: $W_{hp} = W_{tp} - W_{ci} = 200 - 160 = 40$ J.
3
Hiệu suất động cơ nhiệt & bảng hiệu suất các thiết bị
▼
Với các động cơ nhiệt (động cơ xăng, diesel,...), công thức hiệu suất viết cụ thể:
📐 Hiệu suất động cơ nhiệt
$H = \dfrac{A}{Q} \times 100\%$
• $A$: công cơ học mà động cơ thực hiện được (J).
• $Q$: nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu bị đốt cháy (J).
• $Q$: nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu bị đốt cháy (J).
Nhiệt lượng toả ra khi đốt nhiên liệu:
Nhiệt lượng từ nhiên liệu
$Q = m \cdot q$
$m$: khối lượng nhiên liệu (kg); $q$: năng suất toả nhiệt (J/kg).
▸ Bảng hiệu suất một số thiết bị
| Thiết bị | Đầu vào | Đầu ra có ích | $H$ |
|---|---|---|---|
| Máy phát điện | Cơ năng | Điện năng | 96% |
| Tuabin nước | Cơ năng | Cơ năng | 90% |
| Động cơ điện | Điện năng | Cơ năng | 96% |
| Động cơ xăng | Hoá năng | Cơ năng | 35% |
| Máy hơi nước | Hoá năng | Cơ năng | 15% |
| Đèn dây tóc | Điện năng | Quang năng | 7% |
| Đèn LED | Điện năng | Quang năng | 95% |
| Bếp điện | Điện năng | Nhiệt năng | 90% |
📝 Phân tích — Tiêu hao năng lượng động cơ ô tô đốt trong
Tổng năng lượng từ nhiên liệu được phân bố:
• $\sim 41\%$ truyền đến bánh xe (công có ích).
• $\sim 30\%$ truyền cho hệ thống làm mát.
• $\sim 24\%$ ra ngoài theo khí thải.
• $\sim 5\%$ bức xạ nhiệt ra môi trường.
$\Rightarrow$ Hiệu suất thực tế chỉ khoảng $35–41\%$.
• $\sim 41\%$ truyền đến bánh xe (công có ích).
• $\sim 30\%$ truyền cho hệ thống làm mát.
• $\sim 24\%$ ra ngoài theo khí thải.
• $\sim 5\%$ bức xạ nhiệt ra môi trường.
$\Rightarrow$ Hiệu suất thực tế chỉ khoảng $35–41\%$.
🌱 Tại sao vẫn khuyến khích điện mặt trời dù hiệu suất thấp?
Pin mặt trời chỉ chuyển đổi $\sim 10\%$ ánh sáng thành điện (thấp hơn nhiệt điện $\sim 35\%$). Tuy nhiên năng lượng mặt trời là nguồn tái tạo, sạch, không gây ô nhiễm, không cạn kiệt — trong khi nhiệt điện dùng nhiên liệu hoá thạch (than, dầu) gây ô nhiễm và có hạn.
4
Phương pháp giải các dạng & ví dụ minh hoạ
▼
▸ Phương pháp chung
①Xác định rõ năng lượng có ích và toàn phần trong bài.
②Áp dụng $H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}} \cdot 100\%$, với $W_{tp} = W_{ci} + W_{hp}$.
③Đổi đơn vị trước khi tính: lít $\to$ m³ (chia 1000); km/h $\to$ m/s (chia 3,6); tấn $\to$ kg (nhân 1000); kW $\to$ W (nhân 1000).
▸ Dạng 1: Máy cơ đơn giản (ròng rọc, mặt phẳng nghiêng)
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Công có ích (nâng vật lên cao $h$) | $A_{ci} = mgh$ |
| Công toàn phần (lực kéo $F$, quãng đường $s$) | $A_{tp} = F \cdot s$ |
| Hiệu suất | $H = \dfrac{mgh}{Fs} \cdot 100\%$ |
📝 Ví dụ — Ròng rọc kéo thùng sơn
Công nhân dùng ròng rọc kéo thùng sơn $27$ kg lên cao $3{,}1$ m. Lực kéo theo phương thẳng đứng $F = 310$ N. Lấy $g = 9{,}8$ m/s². Tính hiệu suất.
Giải:
$\;A_{tp} = F \cdot s = 310 \cdot 3{,}1 = 961$ J.
$\;A_{ci} = mgh = 27 \cdot 9{,}8 \cdot 3{,}1 \approx 820{,}26$ J.
$\;H = \dfrac{820{,}26}{961} \cdot 100\% \approx 85{,}4\%$.
Giải:
$\;A_{tp} = F \cdot s = 310 \cdot 3{,}1 = 961$ J.
$\;A_{ci} = mgh = 27 \cdot 9{,}8 \cdot 3{,}1 \approx 820{,}26$ J.
$\;H = \dfrac{820{,}26}{961} \cdot 100\% \approx 85{,}4\%$.
▸ Dạng 2: Chuyển hoá thế năng thành động năng (cầu trượt, tàu lượn)
Công thức nhanh
$H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}} \cdot 100\% = \dfrac{\frac{1}{2}mv^2}{mgh} \cdot 100\% = \dfrac{v^2}{2gh} \cdot 100\%$
📝 Ví dụ — Em bé chơi cầu trượt
Em bé $20$ kg trượt từ trạng thái đứng yên trên cầu trượt dài $4$ m, nghiêng $40°$. Khi đến chân, tốc độ là $3{,}2$ m/s. Lấy $g = 10$ m/s². Tính hiệu suất.
Giải:
$\;h = \ell \sin\alpha = 4 \cdot \sin 40° \approx 2{,}57$ m.
$\;W_{tp} = mgh = 20 \cdot 10 \cdot 2{,}57 \approx 514$ J.
$\;W_{ci} = \dfrac{1}{2}mv^2 = \dfrac{1}{2} \cdot 20 \cdot 3{,}2^2 = 102{,}4$ J.
$\;H = \dfrac{102{,}4}{514} \cdot 100\% \approx 20\%$.
Giải:
$\;h = \ell \sin\alpha = 4 \cdot \sin 40° \approx 2{,}57$ m.
$\;W_{tp} = mgh = 20 \cdot 10 \cdot 2{,}57 \approx 514$ J.
$\;W_{ci} = \dfrac{1}{2}mv^2 = \dfrac{1}{2} \cdot 20 \cdot 3{,}2^2 = 102{,}4$ J.
$\;H = \dfrac{102{,}4}{514} \cdot 100\% \approx 20\%$.
▸ Dạng 3: Động cơ nhiệt (tiêu thụ nhiên liệu)
→Nhiệt lượng cung cấp: $Q = m_{nl} \cdot q$ (với $m_{nl} = \rho \cdot V$).
→Công cơ học: $A = H \cdot Q$.
→Quan hệ: $A = P \cdot t$, $s = v \cdot t$.
▸ Dạng 4: Máy bơm nước, thuỷ điện
→Công có ích (nâng nước): $A_{ci} = mgh = \rho V g h$.
→Công suất có ích: $P_{ci} = \dfrac{A_{ci}}{t}$.
→Liên hệ với hiệu suất: $P_{tp} = \dfrac{P_{ci}}{H}$.
→Lưu ý: $1$ lít nước $= 10^{-3}$ m³; $\rho_{\text{nước}} = 1\,000$ kg/m³ $\Rightarrow 1$ lít nước $= 1$ kg.
5
Sai lầm thường gặp & Tổng kết
▼
▸ Sai lầm thường gặp
| Sai lầm | Đính chính |
|---|---|
| Hiệu suất có thể $\geq 100\%$ | Hiệu suất luôn $< 100\%$ vì luôn có năng lượng hao phí |
| Công suất lớn $\to$ hiệu suất cao | Hai khái niệm khác nhau, độc lập |
| $W_{tp}$ và $W_{ci}$ giống nhau | $W_{tp} = W_{ci} + W_{hp}$ — luôn $W_{tp} > W_{ci}$ |
| kWh là đơn vị công suất | kWh là đơn vị năng lượng (công); $1$ kWh $= 3{,}6 \cdot 10^6$ J |
| Năng lượng hao phí chỉ là nhiệt | Có thể là nhiệt, âm thanh, bức xạ, rung động,... tuỳ thiết bị |
| Phân loại có ích/hao phí là tuyệt đối | Phụ thuộc mục đích sử dụng — tương đối |
| $H = \dfrac{W_{hp}}{W_{tp}}$ | Đó là tỉ lệ hao phí; đúng: $H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}}$ |
Tổng kết Bài 27
• Năng lượng có ích: phần đúng mục đích sử dụng.
• Năng lượng hao phí: phần không mong muốn (nhiệt, âm thanh, bức xạ,...).
• $W_{tp} = W_{ci} + W_{hp}$.
• Hiệu suất: $H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}} \cdot 100\%$ — luôn $< 100\%$.
• Động cơ nhiệt: $H = \dfrac{A}{Q} \cdot 100\%$ với $Q = m \cdot q$.
• Phân loại có ích / hao phí mang tính tương đối, tuỳ hoàn cảnh.
• Năng lượng hao phí: phần không mong muốn (nhiệt, âm thanh, bức xạ,...).
• $W_{tp} = W_{ci} + W_{hp}$.
• Hiệu suất: $H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}} \cdot 100\%$ — luôn $< 100\%$.
• Động cơ nhiệt: $H = \dfrac{A}{Q} \cdot 100\%$ với $Q = m \cdot q$.
• Phân loại có ích / hao phí mang tính tương đối, tuỳ hoàn cảnh.
Để xem lý thuyết đầy đủ kèm các phương pháp giải mở rộng, ví dụ chi tiết, mẹo tính nhanh và bảng đơn vị, hãy tham khảo bài viết:
📚 Xem thêm: Hiệu Suất — Lý thuyết trọng tâm & Phương pháp giải tại Edus.vnSau khi đã nắm vững lý thuyết, hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 23 câu bám sát chương trình SGK!
1
—
Điểm: 0/23
⚡
Cùng luyện Bài 27 — Hiệu suất!
23 câu: 17 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
🏆
Tuyệt vời!
0/23
💡 Gợi ý
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn