Năng lượng: dự trữ, truyền tải, hao phí
Không có thiết bị nào "tiêu thụ" năng lượng — năng lượng chỉ di chuyển giữa các kho và rò rỉ dọc đường. Phần này liệt kê các kho và quá trình truyền tải, đo hiệu suất bằng sơ đồ Sankey, theo dõi nhiệt bằng dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, liên kết công, thế năng trọng trường và động năng, và (P) đánh giá cách điện được sản xuất.
Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Phần 4 (phát biểu 4.1–4.19P). Đơn vị: joule (J), watt (W), newton (N), và (P) J/kg °C.
Truyền tải năng lượng
Tám kho: hóa học, động năng, thế năng trọng trường, đàn hồi, nhiệt năng, từ tính, tĩnh điện, hạt nhân. Bốn quá trình truyền tải: cơ học, điện, bằng cách gia nhiệt, bằng bức xạ (ánh sáng và âm thanh). Năng lượng được bảo toàn — tổng không đổi; thiết bị chỉ phân phối một phần từ kho mong muốn sang các kho không mong muốn.
Ví dụ minh họa. Bóng đèn ở trên: hiệu suất $= 10/100 \times 100 = 10\%$.
Truyền tải nhiệt năng
Nhiệt di chuyển theo ba cách, mỗi cách có cơ chế riêng và bị ngăn chặn bởi biện pháp phòng thủ khác nhau.
Dẫn nhiệt: dao động hạt truyền năng lượng dọc vật rắn — nhanh trong kim loại (electron tự do). Đối lưu: chất lỏng nóng lên, giãn nở, giảm mật độ và nổi lên; chất lỏng lạnh chìm xuống thay thế — gió biển, bộ tản nhiệt làm ấm phòng. Bức xạ: sóng hồng ngoại truyền qua chân không; bề mặt sẫm, nhám là nơi phát và hấp thụ tốt nhất; bề mặt sáng, bóng phản xạ. Giảm truyền tải không mong muốn: cách nhiệt (tường rỗng, mái nhà, kính đôi cắt giảm dẫn nhiệt và đối lưu; lá bạc phản xạ bức xạ).
Công, công suất và phương trình năng lượng
Công thực hiện bằng năng lượng truyền tải. Rơi tự do, thế năng trọng trường chuyển hóa thành động năng (trừ công chống lực cản).
Ví dụ minh họa. Một cuốn sách 2 kg nâng lên 1.5 m tại g = 10 N/kg: $GPE = 2 \times 10 \times 1.5 = 30$ J. Thả rơi, khi chạm đất $KE = 30$ J → $v = \sqrt{2 \times 30/2} = \sqrt{30} \approx 5.5$ m/s. Một bóng đèn 60 W chạy 10 s: $W = 60 \times 10 = 600$ J.
Năng lượng và điện (P)
Mọi nhà máy điện là một chuỗi chuyển giao năng lượng từ kho lưu trữ đến điện; bảng dưới đây liệt kê bảy kho mà chương trình yêu cầu.
| Phương pháp | Chuyển giao năng lượng | Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|---|---|
| gió | động học → điện | tái tạo, không tốn nhiên liệu | không ổn định, ảnh hưởng thị giác/âm thanh |
| thủy điện | hấp dẫn → điện | tái tạo, cung cấp tức thì | ngập lụt thung lũng, ít địa điểm phù hợp |
| nhiệt địa chất | nhiệt → điện | tái tạo, ổn định | ít địa điểm phù hợp |
| thu nhiệt mặt trời | nhiệt (nước nóng) | tái tạo, không chi phí vận hành | phụ thuộc ban ngày/mây |
| pin mặt trời | ánh sáng → điện | tái tạo, im lặng | đắt đỏ, công suất thấp |
| nhiên liệu hóa thạch | hóa học → nhiệt → điện | ổn định, tập trung | phát thải CO₂, không tái tạo |
| hạt nhân | hạt nhân → nhiệt → điện | năng lượng cực lớn/kg, không CO₂ | chất thải phóng xạ, giải tán |
Tự kiểm tra
- Nêu bốn kho năng lượng và hai đường truyền năng lượng.
- Một động cơ tiêu thụ 500 J và thực hiện 350 J công có ích. Tính hiệu suất.
- Nêu ba phương pháp truyền nhiệt và phương pháp nào không cần môi trường.
- Bề mặt nào phát tia hồng ngoại tốt nhất?
- Nêu hai cách ngôi nhà giảm thất thoát nhiệt không mong muốn.
- Tính công do lực 40 N di chuyển 3 m.
- Tính động năng của ô tô khối lượng 800 kg chạy với vận tốc 20 m/s.
- Máy sưởi truyền 12 000 J trong 30 s. Tính công suất.
- (P) Nêu một ưu điểm và một nhược điểm của năng lượng gió và hạt nhân.
- (P) Hai phương pháp tái tạo nào khai thác năng lượng đã được lưu trữ dưới dạng nhiệt trong lòng đất hoặc nước chảy?
Đáp án: 1 hóa học, động năng, thế năng trọng trường, nhiệt (cũng bao gồm đàn hồi, từ, tĩnh điện, hạt nhân); cơ học và điện (cũng bao gồm gia nhiệt, bức xạ); 2 $350/500 \times 100 = 70\%$; 3 truyền dẫn, đối lưu, bức xạ — bức xạ không cần môi trường; 4 bề mặt tối, mờ (đen nhám); 5 cách nhiệt mái nhà/tường cavity và kính hai lớp (cũng bao gồm màng phản xạ, miếng chèn khe hở); 6 $W = 40 \times 3 = 120$ J; 7 $KE = \frac{1}{2} \times 800 \times 400 = 160\,000$ J; 8 $P = 12\,000/30 = 400$ W; 9 (P) gió — tái tạo không tốn nhiên liệu, nhưng không ổn định và gây mất thẩm mỹ; hạt nhân — năng lượng khổng lồ trên mỗi kg với không CO₂, nhưng chất thải phóng xạ phải được lưu trữ an toàn trong nhiều thế kỷ; 10 (P) địa nhiệt (nhiệt lòng đất) và thủy điện (bộ tích thế năng của nước).