Bài học

Hiệu suất của thiết bị đun nóng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao nhiệt lượng thực tế cần cung cấp luôn lớn hơn tính toán lí tưởng, và tính được hiệu suất H = Qcó ích/Qtoàn phần của một thiết bị đun nóng.

Kiến thức nền cần nhớ

Mọi phép tính $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ ở các bài trước đều "bỏ qua hao phí" — một giả định lí tưởng hoá. Bài này gỡ bỏ giả định đó và định lượng phần hao phí bằng khái niệm hiệu suất, được nhắc sơ lược ở lớp 8 khi học các loại máy cơ đơn giản (same-grade bridge), nay áp dụng cho thiết bị nhiệt.

Khởi động

Một ấm siêu tốc 1500W lẽ ra chỉ cần 280 giây để đun sôi 1 kg nước theo tính toán lí thuyết, nhưng thực tế đo được mất tới 320 giây. 40 giây "thừa" đó, năng lượng điện đã đi đâu?

Kiến thức trọng tâm

Hiệu suất $H$ của thiết bị là tỉ số giữa nhiệt lượng có ích ( $Q_{ích}$ , tính bằng $m \cdot c \cdot \Delta t$ cho đúng vật cần đun) và nhiệt lượng toàn phần thiết bị đã cung cấp ( $Q_{tp} = P \cdot t$ , tính theo công suất điện thực tế tiêu thụ): $H = \dfrac{Q_{ích}}{Q_{tp}} \times 100\%$ .

Vì luôn có hao phí trong thực tế ( $H < 100\%$ ), khi biết công suất và hiệu suất, thời gian đun thực tế luôn dài hơn thời gian tính lí tưởng ở bài trước — đúng như quan sát ở phần khởi động.

Từ định nghĩa suy ra công thức thường dùng: $Q_{tp} = Q_{ích}/H$ (nếu $H$ viết ở dạng phần trăm, phải đổi ra số thập phân khi tính, ví dụ $H = 90\%$ thì dùng $H = 0{,}9$ trong công thức).

Hiệu suất càng gần 100% thì thiết bị càng tiết kiệm điện: cùng một nhiệt lượng có ích cần cung cấp, thiết bị hiệu suất thấp sẽ tiêu thụ nhiều điện năng hơn hẳn, kéo theo tiền điện phải trả cao hơn — đây là lí do các nhà sản xuất thường quảng cáo hiệu suất cao như một ưu điểm của ấm điện, nồi cơm điện.

Trong thực tế, không phải toàn bộ điện năng thiết bị tiêu thụ đều chuyển hoá thành nhiệt lượng có ích làm nóng vật cần đun — một phần bị hao phí ra môi trường xung quanh: làm nóng vỏ ấm, toả ra không khí xung quanh, thất thoát qua nắp không kín... **Hiệu suất** $H$ của thiết bị là tỉ số giữa nhiệt lượng có ích ($Q_{ích}$, tính bằng $m \cdot c \cdot \Delta t$ cho đúng vật cần đun) và nhiệt lượng toàn phần thiết bị đã cung cấp ($Q_{tp} = P \cdot t$, tính theo công suất điện thực tế tiêu thụ): $H = \dfrac{Q_{ích}}{Q_{tp}} \times 100\%$. Vì luôn có hao phí trong thực tế ($H < 100\%$), khi biết công suất và hiệu suất, thời gian đun thực tế luôn dài hơn thời gian tính lí tưởng ở bài trước — đúng như quan sát ở phần khởi động. Từ định nghĩa suy ra công thức thường dùng: $Q_{tp} = Q_{ích}/H$ (nếu $H$ viết ở dạng phần trăm, phải đổi ra số thập phân khi tính, ví dụ $H = 90\%$ thì dùng $H = 0{,}9$ trong công thức). Hiệu suất càng gần 100% thì thiết bị càng tiết kiệm điện: cùng một nhiệt lượng có ích cần cung cấp, thiết bị hiệu suất thấp sẽ tiêu thụ nhiều điện năng hơn hẳn, kéo theo tiền điện phải trả cao hơn — đây là lí do các nhà sản xuất thường quảng cáo hiệu suất cao như một ưu điểm của ấm điện, nồi cơm điện.

Số liệu lấy từ ví dụ mẫu bên dưới

Ví dụ

Tính nhiệt lượng toàn phần từ hiệu suất cho trước

1
Một bếp điện có hiệu suất 85% dùng để đun 2 kg nước từ 20°C lên 100°C. Tính nhiệt lượng toàn phần bếp điện đã tiêu thụ.
2
$Q_{ích} = m \cdot c \cdot \Delta t = 2 \times 4200 \times 80 = 672000$ J.
$Q_{ích} = m \cdot c \cdot \Delta t = 2 \times 4200 \times 80 = 672000$ J.
3
$H = 85\% = 0{,}85$ . Suy ra $Q_{tp} = Q_{ích}/H = 672000/0{,}85 \approx 790588$ J.
$H = 85\% = 0{,}85$. Suy ra $Q_{tp} = Q_{ích}/H = 672000/0{,}85 \approx 790588$ J.
4
Vậy nhiệt lượng toàn phần bếp điện đã tiêu thụ là khoảng $790588$ J $\approx 790{,}6$ kJ (làm tròn đến 0,1 kJ).
Vậy nhiệt lượng toàn phần bếp điện đã tiêu thụ là khoảng $790588$ J $\approx 790{,}6$ kJ (làm tròn đến 0,1 kJ).

Ví dụ

So sánh thời gian đun lí tưởng và thời gian đun thực tế

1
Một ấm điện công suất 1200 W, hiệu suất 90%, dùng để đun sôi 1,2 kg nước từ 25°C. Tính thời gian đun sôi nước thực tế (kể cả hao phí), rồi so sánh với thời gian nếu bỏ qua hao phí.
2
$Q_{ích} = 1{,}2 \times 4200 \times (100-25) = 1{,}2 \times 4200 \times 75 = 378000$ J. $Q_{tp} = Q_{ích}/H = 378000/0{,}9 = 420000$ J.
$Q_{ích} = 1{,}2 \times 4200 \times (100-25) = 1{,}2 \times 4200 \times 75 = 378000$ J. $Q_{tp} = Q_{ích}/H = 378000/0{,}9 = 420000$ J.
3
$t_{thực tế} = Q_{tp}/P = 420000/1200 = 350$ s.
$t_{thực tế} = Q_{tp}/P = 420000/1200 = 350$ s.
4
Nếu bỏ qua hao phí (như bài trước): $t_{lí tưởng} = Q_{ích}/P = 378000/1200 = 315$ s.
Nếu bỏ qua hao phí (như bài trước): $t_{lí tưởng} = Q_{ích}/P = 378000/1200 = 315$ s.
5
Vậy thời gian đun thực tế là $350$ s ( $\approx 5$ phút $50$ giây), dài hơn thời gian lí tưởng $315$ s tới $35$ giây — đúng phần chênh lệch do hao phí 10% năng lượng ra môi trường, khớp với hiện tượng nêu ở phần khởi động.
Vậy thời gian đun thực tế là $350$ s ($\approx 5$ phút $50$ giây), dài hơn thời gian lí tưởng $315$ s tới $35$ giây — đúng phần chênh lệch do hao phí 10% năng lượng ra môi trường, khớp với hiện tượng nêu ở phần khởi động.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến: dùng nhầm $Q_{ích}$ thay cho $Q_{tp}$ khi tính thời gian đun thực tế (quên chia cho hiệu suất $H$ ), hoặc quên đổi $H\%$ sang số thập phân (dùng $H = 90$ thay vì $H = 0{,}9$ ) khi thay vào công thức.

Sai lầm phổ biến: dùng nhầm $Q_{ích}$ thay cho $Q_{tp}$ khi tính thời gian đun thực tế (quên chia cho hiệu suất $H$), hoặc quên đổi $H\%$ sang số thập phân (dùng $H = 90$ thay vì $H = 0{,}9$) khi thay vào công thức.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

H = Qích/Qtp × 100% (< 100% trong thực tế). Khi biết H, dùng Qtp = Qích/H để tính đúng điện năng thực tế tiêu thụ, từ đó suy ra thời gian đun thực tế t = Qtp/P.

Chương tiếp theo ghép TẤT CẢ công cụ đã học — Q=m.c.Δt, Qtoả=Qthu, Q=P.t, hiệu suất H — vào các bài toán tổng hợp nhiều bước, giống hệt dạng bài phức hợp thường gặp trong đề kiểm tra và đề thi cuối kì.