I. ĐỊNH LUẬT JUN-LEN-XƠ LÀ GÌ?

1. Khái niệm

Định luật Jun-Len-Xơ (tiếng Anh: Joule’s Law) là một trong những định luật cơ bản của Vật lý điện học, mô tả sự chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng khi dòng điện chạy qua dây dẫn.

Tên gọi và nguồn gốc:

• Tiếng Anh: Joule’s Law (Định luật Joule)
• Tiếng Việt: Định luật Jun-Len-Xơ (phiên âm từ tiếng Anh)
• Nhà vật lý: James Prescott Joule (người Anh, phát hiện năm 1840)
• Ý nghĩa: Joule là người đầu tiên nghiên cứu định lượng mối quan hệ giữa nhiệt và công

Bối cảnh lịch sử: Vào thế kỷ 19, James Prescott Joule đã tiến hành nhiều thí nghiệm để chứng minh rằng điện năng có thể chuyển hóa thành nhiệt năng một cách có quy luật. Ông đã đo đạc chính xác nhiệt lượng tỏa ra khi dòng điện chạy qua các dây dẫn khác nhau, từ đó đưa ra định luật mang tên mình.

2. Phát biểu

Phát biểu chính thức của định luật Jun-Len-Xơ:

“Nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua.”

Diễn giải đơn giản hơn:

Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn (hay vật dẫn điện), dây dẫn sẽ nóng lên. Mức độ nóng lên (nhiệt lượng tỏa ra) phụ thuộc vào ba yếu tố:

• Dòng điện càng lớn → nhiệt tỏa ra càng nhiều (theo quy luật bình phương)
• Điện trở càng lớn → nhiệt tỏa ra càng nhiều
• Thời gian càng dài → nhiệt tỏa ra càng nhiều

Công thức toán học: $$Q \propto I^2 \cdot R \cdot t$$

Hay: $Q = I^2Rt$ (với hệ số tỉ lệ bằng 1 trong hệ SI)

3. Điện năng biến đổi thành nhiệt năng

Quá trình chuyển hóa năng lượng:

$$\boxed{\text{Điện năng} \xrightarrow{\text{Dòng điện qua dây dẫn}} \text{Nhiệt năng}}$$

Cơ chế vật lý:

Khi dòng điện (dòng electron) chuyển động qua dây dẫn, các electron va chạm với các ion trong mạng tinh thể kim loại. Qua mỗi lần va chạm, một phần động năng của electron chuyển thành năng lượng dao động nhiệt của các ion. Kết quả là dây dẫn nóng lên.

Ví dụ thực tế dễ thấy:

• Bóng đèn sợi đốt: Điện năng → Nhiệt năng (95%) + Quang năng (5%)
• Bàn là điện: Điện năng → Nhiệt năng (để ủi quần áo)
• Nồi cơm điện: Điện năng → Nhiệt năng (để nấu cơm)
• Bếp điện: Điện năng → Nhiệt năng (để nấu nướng)
• Máy sấy tóc: Điện năng → Nhiệt năng (để sấy khô tóc)
• Ấm đun nước điện: Điện năng → Nhiệt năng (để đun sôi nước)

Lưu ý quan trọng: Không phải mọi thiết bị điện đều mong muốn chuyển điện thành nhiệt. Ví dụ, động cơ điện muốn chuyển điện thành cơ năng, nhưng vẫn có một phần hao phí thành nhiệt (đây là tổn hao không mong muốn).

4. Các đại lượng liên quan

Để hiểu rõ định luật Jun-Len-Xơ, cần nắm vững các đại lượng vật lý liên quan:

Quy đổi đơn vị thường dùng:

• Thời gian: 1 phút = 60 giây, 1 giờ = 3600 giây
• Nhiệt lượng: 1 cal = 4.18 J (hoặc 1 cal ≈ 4.2 J)
• Công suất: 1 kW = 1000 W
• Điện năng: 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J

II. CÔNG THỨC ĐỊNH LUẬT JUN-LEN-XƠ

1. Công thức cơ bản

📌 Công thức chính của định luật Jun-Len-Xơ:

$$\boxed{Q = I^2Rt}$$

Trong đó:

• Q: Nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn (đơn vị: Jun – J)
• I: Cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn (đơn vị: Ampe – A)
• R: Điện trở của dây dẫn (đơn vị: Ôm – Ω)
• t: Thời gian dòng điện chạy qua (đơn vị: giây – s)

Đơn vị của nhiệt lượng:

• Jun (J): Đơn vị chuẩn trong hệ SI
  • 1 J = 1 W.s (oát-giây)
  • 1 J = 1 A².Ω.s
• Calo (cal): Đơn vị thường dùng trong hóa học và sinh học
  • 1 cal = 4.18 J (chính xác)
  • Hoặc 1 cal ≈ 4.2 J (làm tròn)

Ý nghĩa của công thức:

• Nhiệt lượng tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện ($I^2$) – đây là điểm quan trọng nhất
• Nhiệt lượng tỉ lệ thuận với điện trở R
• Nhiệt lượng tỉ lệ thuận với thời gian t

2. Các dạng công thức khác

Từ công thức cơ bản $Q = I^2Rt$ và định luật Ôm ($U = IR$), ta có thể biến đổi để có nhiều dạng công thức khác nhau, phù hợp với từng bài toán cụ thể.

a) Công thức dùng hiệu điện thế U và điện trở R:

Từ định luật Ôm: $U = IR$, suy ra: $I = \frac{U}{R}$

Thay vào công thức gốc: $$Q = I^2Rt = \left(\frac{U}{R}\right)^2 \cdot R \cdot t = \frac{U^2}{R^2} \cdot R \cdot t$$

$$\boxed{Q = \frac{U^2}{R}t}$$

Khi nào dùng: Khi đề bài cho biết hiệu điện thế U, điện trở R và thời gian t.

b) Công thức dùng công suất P:

Công suất điện: $P = \frac{Q}{t}$ (định nghĩa)

Suy ra: $$\boxed{Q = Pt}$$

Khi nào dùng: Khi đề bài cho biết công suất P (thường ghi trên nhãn thiết bị) và thời gian sử dụng t.

c) Công thức dùng hiệu điện thế U và cường độ I:

Từ công suất: $P = UI$

Nên: $$\boxed{Q = UIt}$$

Khi nào dùng: Khi đề bài cho biết U, I và t.

3. Bảng tổng hợp các dạng công thức

Lưu ý quan trọng:

• Tất cả các công thức trên đều cho cùng một kết quả!
• Chọn công thức nào phụ thuộc vào đại lượng đề bài cho
• Trong trường hợp lý tưởng (không có hao phí), nhiệt lượng tỏa ra bằng điện năng tiêu thụ

4. Ví dụ minh họa cơ bản

Ví dụ 1: Tính nhiệt lượng khi biết I, R, t

Đề bài: Một dòng điện có cường độ 5A chạy qua một điện trở 10Ω trong thời gian 2 phút. Tính nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở.

Lời giải:

Bước 1: Xác định các đại lượng đã biết

• Cường độ dòng điện: $I = 5A$
• Điện trở: $R = 10Ω$
• Thời gian: $t = 2$ phút $= 2 \times 60 = 120$ giây

Bước 2: Áp dụng công thức $$Q = I^2Rt$$

Bước 3: Tính toán $$Q = 5^2 \times 10 \times 120$$ $$Q = 25 \times 10 \times 120$$ $$Q = 30000 \text{ J} = 30 \text{ kJ}$$

Kết luận: Nhiệt lượng tỏa ra là 30000 J hay 30 kJ.

Ví dụ 2: Tính nhiệt lượng khi biết công suất

Đề bài: Một bóng đèn có ghi 220V – 100W hoạt động liên tục trong 3 giờ. Tính nhiệt lượng tỏa ra.

Lời giải:

Bước 1: Xác định các đại lượng

• Công suất: $P = 100W$
• Thời gian: $t = 3$ giờ $= 3 \times 3600 = 10800$ giây

Bước 2: Áp dụng công thức $$Q = Pt$$

Bước 3: Tính toán $$Q = 100 \times 10800 = 1080000 \text{ J} = 1080 \text{ kJ}$$

Kết luận: Nhiệt lượng tỏa ra là 1080000 J hay 1080 kJ.

Chuyển sang kWh (đơn vị điện năng thông dụng): $$A = P \times t = 100W \times 3h = 0.1kW \times 3h = 0.3 \text{ kWh}$$

III. CÔNG SUẤT TỎA NHIỆT

1. Định nghĩa công suất tỏa nhiệt

Công suất tỏa nhiệt là đại lượng đặc trưng cho tốc độ tỏa nhiệt, hay nói cách khác là nhiệt lượng tỏa ra trong một đơn vị thời gian.

Công thức định nghĩa: $$P = \frac{Q}{t}$$

Trong đó:

• P: Công suất tỏa nhiệt (W)
• Q: Nhiệt lượng tỏa ra (J)
• t: Thời gian (s)

Ý nghĩa vật lý: Công suất cho biết trong 1 giây, dây dẫn tỏa ra bao nhiêu Jun nhiệt lượng.

2. Công thức công suất tỏa nhiệt

Từ định luật Jun-Len-Xơ:

$$P = \frac{Q}{t} = \frac{I^2Rt}{t} = I^2R$$

Các dạng công thức công suất:

$$\boxed{P = I^2R = \frac{U^2}{R} = UI}$$

Chứng minh các dạng:

• Từ $U = IR$, ta có:
  • $P = I^2R = I \cdot IR = UI$ ✓
  • $P = I^2R = \left(\frac{U}{R}\right)^2 R = \frac{U^2}{R}$ ✓

Kết luận: Ba công thức trên hoàn toàn tương đương, cho cùng kết quả.

3. Đơn vị công suất

Đơn vị chuẩn:

• Oát (W): 1W = 1 J/s (1 jun trên giây)
• Đây là đơn vị SI của công suất

Đơn vị lớn hơn:

• Kilôoát (kW): 1 kW = 1000 W = 10³ W
• Mêgaoát (MW): 1 MW = 1000 kW = 10⁶ W

Đơn vị khác:

• Mã lực (HP – Horse Power): 1 HP ≈ 746 W
• Thường dùng cho động cơ

4. Ví dụ tính công suất

Đề bài: Một điện trở 20Ω được mắc vào hiệu điện thế 220V. Tính công suất tỏa nhiệt trên điện trở.

Lời giải:

Cách 1: Dùng công thức $P = \frac{U^2}{R}$

$$P = \frac{U^2}{R} = \frac{220^2}{20} = \frac{48400}{20} = 2420 \text{ W} = 2.42 \text{ kW}$$

Cách 2: Tính I trước, rồi dùng $P = I^2R$

Cường độ dòng điện: $$I = \frac{U}{R} = \frac{220}{20} = 11A$$

Công suất: $$P = I^2R = 11^2 \times 20 = 121 \times 20 = 2420 \text{ W}$$

Cách 3: Dùng $P = UI$

$$P = UI = 220 \times 11 = 2420 \text{ W}$$

Kết luận: Công suất tỏa nhiệt là 2420 W hay 2.42 kW. Ba cách tính đều cho cùng kết quả.

IV. PHÂN CHIA THEO CHƯƠNG TRÌNH HỌC

A. Định luật Jun-Len-Xơ lớp 9

Nội dung chương trình:

Ở lớp 9, học sinh được làm quen với định luật Jun-Len-Xơ ở mức cơ bản:

• Khái niệm nhiệt lượng tỏa ra khi có dòng điện chạy qua dây dẫn
• Công thức cơ bản: $Q = I^2Rt$
• Ứng dụng đơn giản: Hiểu nguyên lý hoạt động của bóng đèn, bếp điện
• Mối liên hệ: Điện năng chuyển thành nhiệt năng

Dạng bài tập lớp 9:

1. Tính nhiệt lượng khi biết I, R, t
2. Tính công suất tiêu thụ của thiết bị gia dụng
3. Tính điện năng tiêu thụ và tiền điện phải trả
4. So sánh nhiệt lượng tỏa ra ở các trường hợp khác nhau

Ví dụ minh họa lớp 9:

Đề bài: Một bàn là điện có điện trở R = 48.4Ω, sử dụng ở hiệu điện thế U = 220V, hoạt động trong thời gian 30 phút. Tính nhiệt lượng tỏa ra.

Lời giải:

Bước 1: Xác định dữ liệu

• Điện trở: $R = 48.4Ω$
• Hiệu điện thế: $U = 220V$
• Thời gian: $t = 30$ phút $= 30 \times 60 = 1800$ giây

Bước 2: Chọn công thức phù hợp

Vì biết U và R, ta dùng: $$Q = \frac{U^2}{R}t$$

Bước 3: Tính toán $$Q = \frac{220^2}{48.4} \times 1800$$ $$Q = \frac{48400}{48.4} \times 1800$$ $$Q = 1000 \times 1800$$ $$Q = 1800000 \text{ J} = 1800 \text{ kJ}$$

Kết luận: Nhiệt lượng tỏa ra là 1800000 J hay 1800 kJ.

Giải thích thêm: Nhiệt lượng này được sử dụng để ủi phẳng quần áo.

B. Định luật Jun-Len-Xơ lớp 11

Nội dung chương trình:

Lớp 11 học định luật Jun-Len-Xơ một cách chi tiết và toàn diện hơn:

• Định luật Jun-Len-Xơ đầy đủ với đầy đủ các dạng công thức
• Tất cả các biến thể công thức: $Q = I^2Rt$, $Q = \frac{U^2}{R}t$, $Q = UIt$, $Q = Pt$
• Liên hệ với định luật bảo toàn năng lượng
• Công suất tỏa nhiệt: $P = I^2R = \frac{U^2}{R} = UI$
• Hiệu suất sử dụng điện năng
• Tổn hao điện năng trên đường dây tải điện

Công thức trọng tâm lớp 11:

Nhiệt lượng:

• $Q = I^2Rt$ (công thức cơ bản)
• $Q = \frac{U^2}{R}t$ (dùng hiệu điện thế)
• $Q = UIt$ (dùng cả U và I)
• $Q = Pt$ (dùng công suất)

Công suất:

• $P = I^2R$ (từ I và R)
• $P = \frac{U^2}{R}$ (từ U và R)
• $P = UI$ (từ U và I)

Dạng bài tập lớp 11:

1. Tính nhiệt lượng theo nhiều cách khác nhau
2. Tính công suất, hiệu suất của thiết bị
3. Bài toán thực tế phức tạp hơn (có hiệu suất, có hao phí)
4. Tổn hao điện năng trên dây dẫn
5. So sánh hiệu quả của các phương án khác nhau

Ví dụ minh họa lớp 11:

Đề bài: Một nồi cơm điện có ghi 220V – 500W hoạt động trong 40 phút.

a) Tính nhiệt lượng tỏa ra b) Tính điện năng tiêu thụ (tính bằng kWh) c) Tính tiền điện phải trả nếu giá điện là 2500đ/kWh

Lời giải:

Câu a) Tính nhiệt lượng:

Dữ liệu:

• Công suất: $P = 500W$
• Thời gian: $t = 40$ phút $= 40 \times 60 = 2400$ giây

Áp dụng công thức: $$Q = Pt = 500 \times 2400 = 1200000 \text{ J} = 1200 \text{ kJ}$$

Câu b) Tính điện năng tiêu thụ:

Đổi đơn vị:

• $P = 500W = 0.5kW$
• $t = 40$ phút $= \frac{40}{60} = \frac{2}{3}$ giờ

Điện năng: $$A = Pt = 0.5 \times \frac{2}{3} = \frac{1}{3} \text{ kWh} \approx 0.333 \text{ kWh}$$

Câu c) Tính tiền điện: $$\text{Tiền} = 0.333 \times 2500 \approx 833 \text{ đồng}$$

Kết luận:

• Nhiệt lượng tỏa ra: 1200 kJ
• Điện năng tiêu thụ: 0.333 kWh
• Tiền điện: 833 đồng

C. Định luật Jun-Len-Xơ lớp 12

Nội dung:

Lớp 12 chủ yếu là ôn tập và nâng cao:

• Ôn lại định luật Jun-Len-Xơ trong mạch điện một chiều
• Kết hợp với mạch điện xoay chiều (AC)
• Công suất tiêu thụ trong mạch RLC (điện trở, cuộn cảm, tụ điện)
• Hiệu suất truyền tải điện năng đường dài
• Bài toán tối ưu hóa công suất, giảm tổn hao

Lưu ý đặc biệt với mạch xoay chiều:

Trong mạch điện xoay chiều (AC), công thức công suất có thêm hệ số công suất:

$$P = UI\cos\varphi$$

Trong đó:

• $\varphi$: Độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện
• $\cos\varphi$: Hệ số công suất (luôn ≤ 1)

Quan trọng: Nhiệt lượng chỉ tỏa ra trên điện trở R, không tỏa ra trên cuộn cảm L hay tụ điện C.

$$Q = I^2 R t \quad \text{(chỉ tính trên R)}$$

Ứng dụng thực tế lớp 12:

• Tính toán tổn hao trên đường dây truyền tải điện
• Lựa chọn tiết diện dây dẫn phù hợp
• Tính hiệu suất của máy biến áp
• Giảm tổn hao bằng cách tăng điện áp truyền tải

V. ỨNG DỤNG ĐỊNH LUẬT JUN-LEN-XƠ

1. Thiết bị phát nhiệt

Định luật Jun-Len-Xơ là cơ sở cho hoạt động của hầu hết các thiết bị phát nhiệt bằng điện.

a) Bếp điện:

Nguyên lý:

• Dây nung (thường làm từ nikelin, kanthal) có điện trở rất lớn
• Khi có dòng điện chạy qua → tỏa nhiệt theo công thức $Q = I^2Rt$
• Nhiệt độ đạt được: 500-700°C

Đặc điểm:

• Điện trở lớn → tỏa nhiệt mạnh
• Vật liệu chịu nhiệt cao
• Hiệu suất: 70-80%

Ứng dụng: Nấu ăn, đun nước, làm nóng thức ăn

b) Nồi cơm điện:

Nguyên lý:

• Dây đốt bọc quanh đáy nồi
• Công suất thông thường: 400-1000W
• Có chế độ nấu (nhiệt độ cao) và giữ ấm (nhiệt độ thấp)

Ưu điểm:

• Tự động ngắt khi cơm chín
• Tiết kiệm điện ở chế độ giữ ấm
• An toàn, tiện lợi

c) Bàn là điện, máy sấy tóc:

Bàn là điện:

• Dây đốt có điện trở lớn (thường 40-50Ω)
• Nhiệt độ: 150-200°C
• Công suất: 800-2000W

Máy sấy tóc:

• Dây đốt kết hợp với quạt thổi
• Nhiệt độ: 50-80°C
• Công suất: 1000-2000W

d) Các thiết bị khác:

• Lò vi sóng: Sử dụng sóng điện từ kích thích phân tử nước dao động → sinh nhiệt
• Nồi áp suất điện: Kết hợp nhiệt và áp suất để nấu nhanh
• Ấm đun nước điện: Công suất 1500-2200W, đun sôi nước nhanh chóng

2. Thiết bị chiếu sáng

Bóng đèn sợi đốt (Incandescent bulb):

Nguyên lý:

• Dây tóc wolfram (W) có điện trở cao
• Nhiệt độ lên đến 2500-3000°C → phát sáng
• Chuyển hóa: Điện năng → 5% ánh sáng + 95% nhiệt

Ưu điểm:

• Ánh sáng ấm, tự nhiên
• Giá rẻ

Nhược điểm:

• Hiệu suất thấp (chỉ 5%)
• Tuổi thọ ngắn (1000 giờ)
• Tốn điện

Bóng đèn LED (Light Emitting Diode):

So sánh:

• Hiệu suất cao hơn nhiều (30-40%)
• Ít tỏa nhiệt hơn
• Tuổi thọ lâu (25000-50000 giờ)
• Tiết kiệm điện 80-90%

Lưu ý: Mặc dù LED hiệu quả hơn, vẫn có một phần điện năng chuyển thành nhiệt (nhưng ít hơn nhiều so với đèn sợi đốt).

3. Tác hại và cách khắc phục

Tác hại của hiện tượng tỏa nhiệt:

1. Hao phí điện năng:

• Điện năng chuyển thành nhiệt không mong muốn
• Ví dụ: Dây dẫn điện, động cơ, máy biến áp bị nóng

2. Nguy hiểm cháy nổ:

• Dây dẫn quá tải → nóng quá mức → cháy
• Đặc biệt nguy hiểm trong các tòa nhà, nhà xưởng

3. Giảm tuổi thọ thiết bị:

• Nhiệt độ cao làm hỏng cách điện
• Tăng tốc độ ôxy hóa, ăn mòn

4. Tổn hao trên đường dây:

• Tổn hao: $P_{hp} = I^2R$
• Càng xa càng lớn

Cách khắc phục:

1. Dùng dây dẫn tiết diện lớn:

• Tiết diện lớn → điện trở nhỏ → tỏa nhiệt ít
• $R = \rho \frac{l}{S}$ → S lớn → R nhỏ

2. Bảo vệ quá tải:

• Cầu chì (Fuse): Nóng chảy khi dòng điện quá lớn
• Aptomat (Circuit breaker): Tự động ngắt khi quá tải
• CB (Circuit Breaker): Bảo vệ hiện đại

3. Tản nhiệt tốt:

• Quạt làm mát trong máy tính, tivi
• Tản nhiệt bằng cánh nhôm
• Hệ thống làm mát bằng nước

4. Nâng cao điện áp truyền tải:

• $P_{hp} = I^2R = \left(\frac{P}{U}\right)^2 R$
• U càng cao → I càng nhỏ → Tổn hao càng ít
• Đó là lý do đường dây cao thế (110kV, 220kV, 500kV)

4. Hiệu suất sử dụng điện năng

Định nghĩa hiệu suất:

$$H = \frac{\text{Năng lượng hữu ích}}{\text{Năng lượng tiêu thụ}} \times 100%$$

Hoặc:

$$H = \frac{Q_{hữu\ ích}}{Q_{tiêu\ thụ}} \times 100%$$

Hiệu suất của một số thiết bị:

Lưu ý: Hiệu suất luôn nhỏ hơn 100% do có tổn hao.

VI. BẢNG CÔNG THỨC TỔNG HỢP

A. Công thức tính nhiệt lượng

B. Công thức tính công suất

C. Công thức liên hệ (Định luật Ôm)

D. Công thức điện trở

VII. BÀI TẬP VÀ VÍ DỤ

Dạng 1: Tính nhiệt lượng cơ bản

Bài tập 1: Một dòng điện 4A chạy qua điện trở R = 25Ω trong thời gian 5 phút. Tính nhiệt lượng tỏa ra?

Lời giải:

Bước 1: Liệt kê dữ liệu

• $I = 4A$
• $R = 25Ω$
• $t = 5$ phút $= 5 \times 60 = 300$ giây

Bước 2: Áp dụng công thức $$Q = I^2Rt$$

Bước 3: Tính toán $$Q = 4^2 \times 25 \times 300$$ $$Q = 16 \times 25 \times 300$$ $$Q = 120000 \text{ J} = 120 \text{ kJ}$$

Đáp số: Nhiệt lượng tỏa ra là 120 kJ.

Dạng 2: Tính bằng nhiều cách (kiểm chứng)

Bài tập 2: Một điện trở 50Ω được mắc vào hiệu điện thế U = 100V trong thời gian 10 phút. Tính nhiệt lượng tỏa ra bằng hai cách khác nhau.

Lời giải:

Dữ liệu:

• $R = 50Ω$
• $U = 100V$
• $t = 10$ phút $= 600$ giây

Cách 1: Dùng công thức $Q = \frac{U^2}{R}t$

$$Q = \frac{100^2}{50} \times 600 = \frac{10000}{50} \times 600 = 200 \times 600 = 120000 \text{ J}$$

Cách 2: Tính I trước, rồi dùng $Q = I^2Rt$

Tính cường độ dòng điện: $$I = \frac{U}{R} = \frac{100}{50} = 2A$$

Tính nhiệt lượng: $$Q = I^2Rt = 2^2 \times 50 \times 600 = 4 \times 50 \times 600 = 120000 \text{ J}$$

Kết luận: Cả hai cách đều cho kết quả $Q = 120000J = 120kJ$ ✓

Dạng 3: Tính công suất

Bài tập 3: Một bếp điện có điện trở R = 48.4Ω, được sử dụng ở hiệu điện thế U = 220V. Tính công suất tỏa nhiệt của bếp.

Lời giải:

Dữ liệu:

• $R = 48.4Ω$
• $U = 220V$

Áp dụng công thức: $$P = \frac{U^2}{R}$$

Tính toán: $$P = \frac{220^2}{48.4} = \frac{48400}{48.4} = 1000 \text{ W} = 1 \text{ kW}$$

Đáp số: Công suất tỏa nhiệt là 1000 W hay 1 kW.

Dạng 4: Tính điện năng tiêu thụ và tiền điện

Bài tập 4: Một bàn là điện có ghi 220V – 800W hoạt động 2 giờ mỗi ngày. Tính:

a) Điện năng tiêu thụ trong 1 tháng (30 ngày) tính bằng kWh b) Tiền điện phải trả nếu giá điện là 2500đ/kWh

Lời giải:

Câu a) Tính điện năng:

Điện năng 1 ngày: $$A_{ngày} = P \times t = 0.8kW \times 2h = 1.6 \text{ kWh}$$

Điện năng 1 tháng (30 ngày): $$A_{tháng} = 1.6 \times 30 = 48 \text{ kWh}$$

Câu b) Tính tiền điện: $$\text{Tiền} = 48 \times 2500 = 120000 \text{ đồng}$$

Đáp số:

• Điện năng tiêu thụ: 48 kWh/tháng
• Tiền điện: 120.000 đồng/tháng

Dạng 5: Đổi đơn vị nhiệt lượng

Bài tập 5: Nhiệt lượng 8400 J bằng bao nhiêu calo (cal)?

Lời giải:

Công thức đổi: 1 cal = 4.18 J

Suy ra: 1 J = $\frac{1}{4.18}$ cal

Vậy: $$Q = \frac{8400}{4.18} \approx 2009.6 \text{ cal} \approx 2010 \text{ cal}$$

Đáp số: 8400 J ≈ 2010 cal

Dạng 6: Bài toán thực tế có hiệu suất

Bài tập 6: Đun sôi 2 lít nước từ 25°C bằng ấm điện 220V – 1000W. Biết hiệu suất của ấm là 90%. Tính thời gian đun sôi? (Nhiệt dung riêng của nước c = 4200 J/kg.K)

Lời giải:

Bước 1: Tính nhiệt lượng cần thiết

• Khối lượng nước: $m = 2$ lít $= 2kg$ (vì khối lượng riêng nước = 1kg/lít)
• Độ tăng nhiệt độ: $\Delta t = 100 – 25 = 75°C = 75K$
• Nhiệt dung riêng: $c = 4200$ J/kg.K

Nhiệt lượng cần: $$Q_{cần} = mc\Delta t = 2 \times 4200 \times 75 = 630000 \text{ J}$$

Bước 2: Tính nhiệt lượng ấm phải cung cấp

Do hiệu suất chỉ 90%, nên: $$H = \frac{Q_{cần}}{Q_{cung}} \times 100%$$

$$Q_{cung} = \frac{Q_{cần}}{H} = \frac{630000}{0.9} = 700000 \text{ J}$$

Bước 3: Tính thời gian

Từ $Q = Pt$, suy ra: $$t = \frac{Q}{P} = \frac{700000}{1000} = 700 \text{ giây}$$

Đổi ra phút: $$t = \frac{700}{60} \approx 11.67 \text{ phút} \approx 11 \text{ phút } 40 \text{ giây}$$

Đáp số: Thời gian đun sôi là 700 giây, tức khoảng 11 phút 40 giây.

VIII. MẸO VÀ LƯU Ý

1. Mẹo nhớ công thức

Công thức gốc – Định luật Jun-Len-Xơ:

$$\boxed{Q = I^2Rt}$$

Cách nhớ:

“Nhiệt bằng I bình (phương) nhân R nhân t”

Hoặc:

“Q là I bình R t”

Chọn công thức phù hợp:

Quy tắc chọn công thức:

Lưu ý: Nếu đề cho U và R mà bạn tính I trước rồi dùng $Q = I^2Rt$ cũng được, nhưng sẽ mất thời gian hơn.

Công suất – Ba công thức bằng nhau:

$$\boxed{P = UI = I^2R = \frac{U^2}{R}}$$

Cách nhớ:

• “P bằng UI” (đơn giản nhất)
• “P bằng I bình R”
• “P bằng U bình chia R”

Kiểm tra: Thử tính bằng cả 3 cách, kết quả phải giống nhau!

2. Các sai lầm thường gặp

❌ SAI LẦM 1: Quên đổi phút, giờ sang giây

Sai:

• $t = 5$ phút → dùng luôn 5 vào công thức ❌

Đúng:

• $t = 5$ phút $= 5 \times 60 = 300$ giây ✓

Quy tắc đổi:

• 1 phút = 60 giây
• 1 giờ = 3600 giây
• 1 giờ = 60 phút

❌ SAI LẦM 2: Nhầm lẫn Q (nhiệt lượng) và P (công suất)

Q – Nhiệt lượng:

• Đơn vị: J (Jun)
• Là tổng năng lượng
• Tỉ lệ với thời gian: $Q = Pt$

P – Công suất:

• Đơn vị: W (Oát)
• Là tốc độ tỏa năng lượng
• Không phụ thuộc thời gian (với thiết bị cho trước)

❌ SAI LẦM 3: Quên tính hiệu suất khi có hao phí

Khi có hiệu suất: $$Q_{thực\ tế} = \frac{Q_{cần}}{H}$$

Hoặc: $$Q_{hữu\ ích} = Q_{tiêu\ thụ} \times H$$

❌ SAI LẦM 4: Nhầm đổi J và cal

Quy đổi:

• 1 cal = 4.18 J (hoặc làm tròn 4.2 J)
• 1 J = $\frac{1}{4.18}$ cal ≈ 0.239 cal

Lưu ý: Trong bài tập vật lý thường dùng J, trong hóa học và sinh học thường dùng cal.

❌ SAI LẦM 5: Quên bình phương trong $I^2$

Sai: $$Q = I \times R \times t$$

Đúng: $$Q = I^2 \times R \times t$$ ✓

3. Đơn vị cần nhớ

Nhiệt lượng Q:

• Jun (J): Đơn vị SI chuẩn
• Kilôjun (kJ): 1 kJ = 1000 J
• Calo (cal): 1 cal = 4.18 J
• Kilôcalo (kcal): 1 kcal = 1000 cal = 4180 J

Công suất P:

• Oát (W): Đơn vị SI
• Kilôoát (kW): 1 kW = 1000 W
• Mã lực (HP): 1 HP ≈ 746 W

Điện năng A:

• Jun (J): Đơn vị SI
• Kilôoát-giờ (kWh): Đơn vị thực tế (ghi trên đồng hồ điện)
• Quy đổi: 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J = 3600000 J

4. Quy trình giải bài tập chuẩn

Bước 1: Đọc kỹ đề bài

• Xác định đại lượng cho
• Xác định đại lượng cần tìm

Bước 2: Liệt kê dữ liệu và đổi đơn vị

• Ghi rõ các đại lượng đã cho
• Đổi tất cả về đơn vị SI (giây, Jun, Oát…)

Bước 3: Chọn công thức phù hợp

• Dựa vào đại lượng đã cho
• Chọn công thức ngắn gọn nhất

Bước 4: Thay số và tính toán

• Thay số cẩn thận
• Tính từng bước

Bước 5: Viết đáp số

• Ghi rõ đơn vị
• Làm tròn hợp lý (nếu cần)

IX. KẾT LUẬN

Bài viết đã trình bày đầy đủ và chi tiết về Định luật Jun-Len-Xơ:

Phát biểu định luật:

• Nhiệt lượng tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện ($I^2$), điện trở (R) và thời gian (t)

Công thức cơ bản: $$Q = I^2Rt$$

Các dạng công thức khác:

• $Q = \frac{U^2}{R}t$ (dùng hiệu điện thế)
• $Q = UIt$ (dùng cả U và I)
• $Q = Pt$ (dùng công suất)

Công thức công suất: $$P = I^2R = \frac{U^2}{R} = UI$$

Phân chia theo cấp học:

• Lớp 9: Cơ bản, công thức gốc
• Lớp 11: Đầy đủ, chi tiết
• Lớp 12: Ôn tập, nâng cao, mạch AC

Ứng dụng thực tế:

• Thiết bị phát nhiệt: bếp, bàn là, nồi cơm
• Thiết bị chiếu sáng: bóng đèn
• Tổn hao trên đường dây
• Tính toán điện năng, tiền điện

Ý nghĩa vật lý

Định luật Jun-Len-Xơ giải thích những hiện tượng quan trọng:

1. Tại sao dây dẫn nóng lên khi có dòng điện?

• Do va chạm giữa electron và ion trong mạng tinh thể
• Động năng electron → Năng lượng dao động nhiệt

2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị phát nhiệt

• Sử dụng dây có điện trở lớn
• Dòng điện qua → tỏa nhiệt theo $Q = I^2Rt$

3. Cơ sở tính toán điện năng tiêu thụ

• Điện năng = Nhiệt năng (trong trường hợp lý tưởng)
• $A = Q = Pt = UIt$

4. Giải thích tổn hao trên đường dây

• Tổn hao: $P_{hp} = I^2R$
• Giảm bằng cách giảm I (tăng U truyền tải)

ThS. Nguyễn Văn An

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn Tổ Toán tại Edus

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Toán học, Thạc sĩ Lý luận & Phương pháp dạy học môn Toán, Chức danh nghề nghiệp giáo viên THPT – Hạng II, Tin học ứng dụng cơ bản, Ngoại ngữ B1, Chứng chỉ bồi dưỡng năng lực tổ trưởng chuyên môn

Kinh nghiệm: 12+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT chuyên Trần Đại Nghĩa