Khởi động trang 106

Đề bài: Theo em thì có thể có bao nhiêu phần trăm động năng của nước trong thác nước được nhà máy thuỷ điện chuyển hoá thành điện năng?

Lời giải:

Nhà máy thuỷ điện chuyển hoá năng lượng qua hai thiết bị chính:

• Tuabin nước: chuyển động năng của nước thành cơ năng quay → hiệu suất khoảng 90%.
• Máy phát điện: chuyển cơ năng thành điện năng → hiệu suất khoảng 96%.

Hiệu suất chung của nhà máy thuỷ điện:

$$H = 90\% \times 96\% \approx 86\%$$

Vậy khoảng 86% động năng của nước được chuyển hoá thành điện năng.

I. Năng lượng có ích và năng lượng hao phí

Hoạt động trang 106

Đề bài: Hãy thảo luận về các vấn đề sau:

1. Xác định năng lượng có ích và năng lượng hao phí khi chơi thể thao.
2. Nếu chơi thể thao trong thời tiết lạnh thì nhiệt năng mà cơ thể toả ra có được xem là năng lượng có ích không? Vì sao?

Lời giải:

1. Khi chơi thể thao:

• Năng lượng có ích: động năng của cơ thể (giúp thực hiện các động tác chạy, nhảy, đánh bóng,…).
• Năng lượng hao phí: nhiệt năng (cơ thể nóng lên, đổ mồ hôi) và âm năng (tiếng thở, tiếng động khi va chạm).

2. Nếu chơi thể thao trong thời tiết lạnh, nhiệt năng mà cơ thể toả ra có thể được xem là năng lượng có ích, vì nó giúp làm ấm cơ thể, chống lại cái lạnh của môi trường.

Như vậy, một dạng năng lượng là có ích hay hao phí còn phụ thuộc vào mục đích sử dụng trong từng hoàn cảnh.

Câu 1 trang 106

Đề bài: Trong động cơ ô tô chạy bằng xăng và trong quạt điện:

a) Có những sự chuyển hoá năng lượng nào? b) Trong số những dạng năng lượng tạo thành, dạng năng lượng nào là có ích, dạng năng lượng nào là hao phí?

Lời giải:

a) Sự chuyển hoá năng lượng:

• Động cơ ô tô chạy xăng: Hoá năng (của xăng) → nhiệt năng → cơ năng + nhiệt năng (hao phí) + âm năng.
• Quạt điện: Điện năng → cơ năng (làm cánh quạt quay) + nhiệt năng (hao phí) + âm năng.

b) Năng lượng có ích và hao phí:

Câu 2 trang 106

Đề bài: Xác định năng lượng có ích và năng lượng hao phí trong các trường hợp dưới đây:

a) Acquy khi nạp điện. b) Acquy khi phóng điện. c) Sử dụng ròng rọc để kéo vật nặng lên cao. d) Bếp từ khi đang hoạt động.

Lời giải:

II. Hiệu suất – Câu hỏi trang 108

Câu 1 trang 108

Đề bài: Phân tích sự tiêu hao năng lượng ở động cơ đốt trong dùng trong ô tô (Hình 27.3).

Lời giải:

Theo Hình 27.3, năng lượng từ nhiên liệu đốt cháy trong động cơ ô tô được phân bố như sau:

Năng lượng có ích (~41%):

• Phần đến các bánh xe để làm ô tô chuyển động.

Năng lượng hao phí (~59%):

• ~30% truyền cho hệ thống làm mát (nước, không khí).
• ~24% ra ngoài theo khí thải.
• ~5% bức xạ nhiệt ra môi trường.

Nhận xét: Hiệu suất của động cơ đốt trong khá thấp (chỉ khoảng 41%), phần lớn năng lượng từ nhiên liệu bị mất dưới dạng nhiệt. Đây là lý do người ta luôn tìm cách cải tiến để tăng hiệu suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu.

Câu 2 trang 108

Đề bài: Hiệu suất của nhà máy điện dùng năng lượng mặt trời không bằng $\dfrac{1}{3}$ hiệu suất của nhà máy nhiệt điện. Tại sao người ta vẫn khuyến khích xây dựng nhà máy điện dùng năng lượng mặt trời?

Lời giải:

Mặc dù hiệu suất thấp hơn nhiều so với nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện mặt trời vẫn được khuyến khích xây dựng vì nhiều lợi ích khác:

• Nguồn năng lượng vô tận và miễn phí: ánh sáng mặt trời có sẵn trong tự nhiên, không cần mua nhiên liệu.
• Không gây ô nhiễm môi trường: không thải khí CO₂, không gây hiệu ứng nhà kính, không gây mưa axit (trong khi nhiệt điện đốt than/dầu gây ô nhiễm nặng).
• Tiết kiệm tài nguyên hoá thạch: than đá, dầu mỏ đang cạn kiệt dần.
• Chi phí vận hành thấp: không tốn nhiên liệu liên tục như nhiệt điện.

Câu 3 trang 108

Đề bài: Một ô tô chuyển động với vận tốc 54 km/h có thể đi được đoạn đường dài bao nhiêu khi tiêu thụ hết 60 lít xăng? Biết động cơ của ô tô có công suất 45 kW; hiệu suất 25%; 1 kg xăng đốt cháy hoàn toàn toả ra nhiệt lượng bằng $46 \cdot 10^6$ J/kg và khối lượng riêng của xăng là 700 kg/m³.

Lời giải:

Tóm tắt:

• $v = 54$ km/h $= 15$ m/s
• $V = 60$ lít $= 60 \cdot 10^{-3}$ m³ $= 0{,}06$ m³
• $\mathscr{P} = 45$ kW $= 45\,000$ W
• $H = 25\% = 0{,}25$
• $q = 46 \cdot 10^6$ J/kg
• $\rho = 700$ kg/m³

Bước 1: Tính khối lượng xăng tiêu thụ.

$$m = \rho \cdot V = 700 \times 0{,}06 = 42 \text{ kg}$$

Bước 2: Tính năng lượng toàn phần (nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hết xăng):

$$W_{tp} = m \cdot q = 42 \times 46 \cdot 10^6 = 1932 \cdot 10^6 \text{ J}$$

Bước 3: Tính năng lượng có ích (công cơ học mà động cơ thực hiện):

$$W_{ci} = H \cdot W_{tp} = 0{,}25 \times 1932 \cdot 10^6 = 483 \cdot 10^6 \text{ J}$$

Bước 4: Tính thời gian xe chạy (từ công thức công suất $\mathscr{P} = \dfrac{W_{ci}}{t}$):

$$t = \dfrac{W_{ci}}{\mathscr{P}} = \dfrac{483 \cdot 10^6}{45\,000} \approx 10\,733 \text{ s}$$

Bước 5: Tính quãng đường đi được:

$$s = v \cdot t = 15 \times 10\,733 \approx 161\,000 \text{ m} = 161 \text{ km}$$

Kết luận: Ô tô đi được quãng đường khoảng 161 km.

Em có thể

Câu 1 trang 108

Đề bài: Vận dụng khái niệm hiệu suất để tính được phần năng lượng có ích và phần năng lượng hao phí trong quá trình hoạt động của các thiết bị phổ biến trong đời sống và kĩ thuật.

Lời giải:

Áp dụng công thức:

$$H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}} \cdot 100\% \Rightarrow W_{ci} = H \cdot W_{tp} \text{ và } W_{hp} = W_{tp} – W_{ci}$$

Ví dụ minh hoạ: Một bóng đèn LED có hiệu suất $H = 95\%$ tiêu thụ điện năng $W_{tp} = 100$ J.

• Năng lượng có ích (quang năng): $W_{ci} = 0{,}95 \times 100 = 95$ J.
• Năng lượng hao phí (nhiệt năng): $W_{hp} = 100 – 95 = 5$ J.

So sánh với đèn dây tóc có $H = 7\%$ thì chỉ có 7 J là quang năng có ích, còn lại 93 J bị toả nhiệt → đèn LED tiết kiệm điện hơn rất nhiều.

Câu 2 trang 108

Đề bài: Tìm phương án giảm năng lượng hao phí khi sử dụng các thiết bị điện trong gia đình hoặc động cơ ô tô, xe máy.

Lời giải:

Đối với thiết bị điện trong gia đình:

• Chiếu sáng: thay đèn dây tóc, đèn compact bằng đèn LED (hiệu suất cao hơn nhiều).
• Tủ lạnh: đóng kín cửa, hạn chế mở cửa nhiều lần, không để thức ăn nóng vào tủ, vệ sinh giàn lạnh định kỳ.
• Máy điều hoà: đặt nhiệt độ hợp lý (26–28°C), vệ sinh lưới lọc, đóng kín cửa phòng.
• Bếp điện, bếp từ: dùng nồi đáy phẳng, đậy nắp khi nấu, tắt bếp trước vài phút (tận dụng nhiệt dư).

Đối với động cơ ô tô, xe máy:

• Bảo dưỡng định kỳ: thay nhớt, vệ sinh bộ lọc khí, kiểm tra bugi.
• Không chở quá tải và lái xe ở tốc độ ổn định, vừa phải.
• Bơm lốp đủ áp suất để giảm ma sát lăn.
• Tắt máy khi dừng xe lâu (ví dụ khi chờ đèn đỏ lâu).

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