Giải Vật lí 10 Bài 27 (Kết nối tri thức): Hiệu suất

Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 27: Hiệu suất

Khởi động trang 106 Vật Lí 10: Theo em thì có thể có bao nhiêu phần trăm động năng của thác nước được nhà máy thủy điện chuyển hóa thành điện năng?

Lời giải:

Theo em, có thể có 50% động năng của thác nước được nhà máy thủy điện chuyển hóa thành điện năng.

I. Năng lượng có ích và năng lượng hao phí

Hoạt động trang 106 Vật Lí 10: 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 tỏa ra có được xem là năng lượng có ích không? Vì sao?

Lời giải:

1. Năng lượng có ích khi chơi thể thao: Năng lượng dự trữ trong cơ thể chuyển hóa thành động năng, thế năng dùng để thực hiện các hoạt động thể thao như ném bóng, đá bóng, chạy, nhảy,…

Năng lượng hao phí: tỏa nhiệt làm nóng cơ thể

2. Nếu chơi thể thao trong thời tiết lạnh thì nhiệt năng mà cơ thể tỏa ra có được xem là năng lượng có ích vì khi thời tiết lạnh thì người cần nhiệt năng để giữ ấm cơ thể.

Câu hỏi 1 trang 106 Vật Lí 10: Trong động cơ ô tô chạy bằng xăng và trong quạt điện:

a) Có những sự chuyển hóa 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)

- Trong động cơ ô tô chạy bằng xăng có sự chuyển hóa hóa năng thành điện năng sau đó chuyển hóa thành động năng (xe chạy), nhiệt năng (nóng động cơ), ánh sáng (đèn), âm thanh (tiếng ồn, tiếng còi,…).

- Trong quạt điện có sự chuyển hóa điện năng thành động năng và nhiệt năng.

b)

- Trong động cơ ô tô chạy bằng xăng:

+ Động năng, ánh sáng (đèn), âm thanh (tiếng còi) là năng lượng có ích

+ Nhiệt năng, âm thanh tiếng ồn động cơ là năng lượng hao phí.

- Trong quạt điện:

+ Động năng là năng lượng có ích giúp cánh quạt quay tạo ra gió.

+ Nhiệt năng là năng lượng hao phí, chỉ có tác dụng làm nóng động cơ của quạt chứ không giúp cánh quạt quay tạo ra gió.

Câu hỏi 2 trang 106 Vật Lí 10: 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 1 trang 108 Vật Lí 10: Phân tích sự tiêu hao năng lượng ở động cơ đốt trong dùng trong ô tô (Hình 27.3).

Lời giải:

Năng lượng ở động cơ đốt trong dùng trong ô tô được phân bố như sau:

- 5% bức xạ nhiệt ra ngoài

- 30% năng lượng tạo ra truyền cho hệ thống làm mát

- 24% năng lượng truyền ra ngoài theo khí thải.

- 41% nhiệt sinh công được truyền đến các bánh xe.

Câu hỏi 2 trang 108 Vật Lí 10: 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?

Lời giải:

Dù hiệu suất của nhà máy điện dùng năng lượng mặt trời không bằng $\frac{1}{3}$ hiệu suất của nhà máy nhiệt điện, nhưng người ta vẫn khuyến khích xây dựng nhà máy điện dùng năng lượng mặt trời vì năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng xanh và bền vững. Nguồn năng lượng này miễn phí, gần như vô hạn, không sợ bị cạn kiệt như các nguồn nhiên liệu hóa thạch khác. Hơn nữa nhà máy điện dùng năng lượng mặt trời không thải ra khí độc, không gây ô nhiễm môi trường, không gây hiệu ứng nhà kính. Trong khi nhà máy nhiệt điện cần dùng nhiều nhiên liệu để đốt dẫn đến cạn kiệt các nguồn nhiên liệu, đồng thời quá trình sản xuất cũng tạo ra nhiều khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính.

Câu hỏi 3 trang 108 Vật Lí 10: 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 tỏa ra nhiệt lượng bằng 46.10⁶ J/kg và khối lượng riêng của xăng là 700 kg/m³.

Lời giải:

Đổi 54 km/h = 15 m/s; 45 kW = 45000 W

Khối lượng 60 lít xăng: m = D.V = 700.60.10^-3 = 42 kg

Nhiệt lượng do 60 lít xăng khi bị đốt cháy hoàn toàn tỏa ra là: Q = q.m

Ta có: $H=\frac{A}{Q}\Rightarrow A=H.Q=H.q.m$

Mặt khác công thực hiện của động cơ: $A=\text{P}.t=\text{P}.\frac{s}{v}$

$\Rightarrow \text{P}.\frac{s}{v}=H.q.m\Rightarrow s=\frac{H.q.m.v}{\text{P}}=\frac{0,{\mathrm{25.46.10}}^6\mathrm{.42.15}}{45000}=161000m=161km$

Vậy khi tiêu thụ hết 60 lít xăng, ô tô có thể đi được quãng đường là 161 km.

Em có thể 1 trang 108 Vật Lí 10: 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:

Học sinh tự vận dụng vào các bài toán cụ thể.

Ví dụ với bóng đèn compact: 80J chuyển hóa thành nhiệt (năng lượng hao phí) và 20J chuyển hóa thành năng lượng ánh sáng (năng lượng có ích).

Hiệu suất: $H=\frac{20}{100}.100\%=20\%$

Em có thể 2 trang 108 Vật Lí 10: 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:

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

- Thường xuyên vệ sinh sạch sẽ các thiết bị điện hoặc động cơ.

- Dùng dầu bôi trơn các thiết bị và động cơ để giảm ma sát khi hoạt động.

- Chuyển sang dùng các loại thiết bị tiết kiệm điện như đèn LED

- Sử dụng xe điện thay cho xe chạy bằng xăng dầu: xe máy điện, ô tô điện

- Sử dụng bếp từ thay cho bếp ga

…

Lý thuyết Hiệu suất

I. Năng lượng có ích và năng lượng hao phí

- 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.

Máy đánh trứng chuyển điện năng sang động năng của phới (năng lượng có ích) và năng lượng âm thanh, năng lượng nhiệt (năng lượng hao phí)

Máy sấy tóc biến đổi điện năng sang nhiệt năng (năng lượng có ích) và

năng lượng âm thanh (năng lượng hao phí)

Trong các động cơ nhiệt thông thường, có khoảng 60%-70% năng lượng bị hao phí, trong các động cơ điện, năng lượng hao phí thấp hơn, khoảng 10%.

Trong pin Mặt trời thì ngược lại, chỉ có khoảng 10% năng lượng của ánh sáng Mặt trời được chuyển hóa thành điện năng, còn lại là năng lượng hao phí

II. Hiệu suất

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

$\text{H = }\frac{{\text{W}}_{\mathrm{ci}}}{{\text{W}}_{\mathrm{tp}}}.100\%$

Hoặc $\mathrm{H}\text{ = }\frac{{\text{P}}_{\mathrm{ci}}}{{\text{P}}_{\mathrm{tp}}}.100\%$; với ${\text{P}}_{\mathrm{ci}}$ là công suất có ích, ${\text{P}}_{\mathrm{tp}}$ là công suất toàn phần.

- Hiệu suất của động cơ nhiệt được viết dưới dạng

$\text{H = }\frac{\mathrm{A}}{\mathrm{Q}}.100\%$

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.

- Hiệu suất của một số thiết bị điện: Máy phát điện, tuabin nước, máy hơi nước, … được cho trong bảng tham khảo dưới đây.

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí lớp 10 Kết nối tri thức với cuộc sống hay, chi tiết khác:

Bài 28: Động lượng

Bài 29: Định luật bảo toàn động lượng

Bài 30: Thực hành: Xác định động lượng của vật trước và sau va chạm

Bài 31: Động học của chuyển động tròn đều

Bài 32: Lực hướng tâm và gia tốc hướng tâm

Xem thêm tài liệu Vật lí lớp 10 Kết nối tri thức với cuộc sống hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 27: Hiệu suất