Bài 27. Hiệu suất – Vật lí 10 Kết nối tri thức

Thuật ngữ: NĂNG LƯỢNG CÓ ÍCH · NĂNG LƯỢNG HAO PHÍ · HIỆU SUẤT · năng lượng hao phí

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

Đập nước của nhà máy thuỷ điện. Hình ảnh đập nước của nhà máy thủy điện.

i. Năng lượng có ích và năng lượng hao phí

Chúng ta đã biết khi năng lượng được chuyển từ dạng này sang dạng khác, từ vật này sang vật khác, thì luôn có một phần bị hao phí.

Trong các động cơ nhiệt thông thường có khoảng từ 60% đến 70% năng lượng bị hao phí, trong các động cơ điện năng lượng hao phí thấp hơn, chỉ vào khoảng 10%, nhưng trong các pin mặt trời thì ngược lại, chỉ có khoảng 10% năng lượng của ánh sáng mặt trời được chuyển hoá thành điện năng, còn lại là năng lượng hao phí.

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?

1. 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?

2. 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.

Để đánh giá tỉ lệ giữa năng lượng có ích và năng lượng toàn phần, người ta dùng khái niệm hiệu suất.

Hi\hat{e}u su\hat{a}t=\frac{N\dot{a}ng l\text{ượng c\text{ó ích}}{N\dot{a}ng l\text{ượng to\text{àn ph\text{ần}}

$H = \frac{W_{c i}}{W_{t p}} .100 %$ (27.1)

hoặc $H = \frac{P_{c i}}{P_{t p}} .100 %$ với $P_{c i}$ là công suất có ích, $P_{t p}$ là công suất toàn phần.

Hình 27.1. Biểu đồ năng lượng có ích, năng lượng hao phí và năng lượng toàn phần.

Từ công thức tính hiệu suất chung ở trên người ta có thể viết công thức tính hiệu suất cho từng trường hợp cụ thể.

Ví dụ, hiệu suất của động cơ nhiệt được viết dưới dạng:

$H = \frac{A}{Q} .100 %$ (27.2)

Trong đó, A là công cơ học mà động cơ thực hiện được, Q là nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu bị đốt cháy.

Bảng 27.1. Hiệu suất của một số thiết bị điện

Một em bé nặng 20 kg chơi cầu trượt từ trạng thái đứng yên ở đỉnh cầu trượt dài 4 m, nghiêng góc $40^{\circ}$ so với phương nằm ngang (Hình 27.2). Khi đến chân cầu trượt, tốc độ của em bé này là $3, 2 m / s$ Lấy gia tốc trọng trường là $10 m / s^{2}$ . a) Tính độ lớn lực ma sát tác dụng vào em bé này. b) Tính hiệu suất của quá trình chuyển thế năng thành động năng của em bé này.

Giải

Hình 27.2. Sơ đồ em bé trượt cầu trượt. Cầu trượt dài l, cao h, nghiêng góc

α

a) Độ lớn lực ma sát

Độ cao của đỉnh cầu trượt so với mặt đất:

$h = l . \sin α = 4. \sin 40^{\circ} \approx 2, 57 m$

Do có ma sát nên khi trượt, một phần thế năng của em bé được chuyển hoá thành động năng, một phần thắng công cản A của lực ma sát:

$m . g . h = \frac{m . v^{2}}{2} + A$

Độ lớn công cản của lực ma sát:

$A = m . g . h - \frac{m . v^{2}}{2} \approx 411, 6]$

Từ biểu thức tính công: $A = F . s . \cos α$

Ta có độ lớn lực ma sát: $F = \frac{A}{l} \approx 102, 9$ N.

Năng lượng toàn phần bằng thế năng của em bé ở đỉnh cầu trượt: $W_{t p} = m . g . h = 514 J$

Năng lượng hao phí bằng độ lớn công của lực ma sát nên năng lượng có ích là:

$W_{c i} = W_{t p} - A = 102, 4 J$

Hiệu suất của quá trình biến đổi thế năng thành động năng:

$H = \frac{W_{c i}}{W_{t p}} .100 % = \frac{102, 4}{514} .100 % \approx 20 % .$

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

Hình 27.3. Sơ đồ phân bố sự chuyển hoá năng lượng (cho động cơ xăng của ô tô). Biểu đồ tròn phân bố năng lượng trong động cơ xăng của ô tô. Tổng năng lượng do nhiên liệu bị đốt cháy cung cấp (100%). Đến các bánh xe: 30%. Bức xạ (nhiệt) ra ngoài: 5%. Truyền cho hệ thống làm mát (nước, không khí,...): 35%. Nhiệt sinh công trong hoạt động: 30%. Ra ngoài theo khí thải: 24%.

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

3. Một ô tô chuyển động với vận tốc $54 k m / h$ 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 ${46.10}^{6}] / k g$ và khối lượng riêng của xăng là $700 k g / m^{3}$ .

EM ĐÃ HỌC

Luôn tồn tại năng lượng hao phí trong các quá trình chuyển hoá năng lượng. • Hiệu suất được định nghĩa theo công thức: $H = \frac{W_{c i}}{W_{t p}} .100 % = \frac{P_{c i}}{P_{t p}} .100 %$

EM CÓ THỂ

1. 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. 2. 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.

Trong thí nghiệm này có phải chỉ có hai quả cầu ở ngoài cùng tương tác với nhau, còn ba quả cầu ở giữa có vẻ như không tham gia vào tương tác?

KẾT NỐI TRỊ THỨC VỚI CUỘC SỐNG. Hình ảnh con lắc Newton với 5 quả cầu.

Nội dung

Ý nghĩa vật lí và định nghĩa động lượng. • Bảo toàn động lượng. • Thực hiện thí nghiệm và thảo luận được sự thay đổi năng lượng trong một số trường hợp va chạm đơn giản.

Xem bản PDF nguyên trang sách: Vật lí 10 – Kết nối tri thức với cuộc sống (trang 106–109).