Nhưng trước khi đi vào phần nội dung chính, chúng ta hãy cùng tìm hiểu về hiệu suất – một khái niệm quan trọng trong vật lý. Hiệu suất đánh giá khả năng tận dụng năng lượng.
Hiệu suất là gì?
Hiệu suất là tỉ lệ giữa năng lượng có ích và năng lượng toàn phần. Khi ta chuyển đổi năng lượng từ một dạng này sang dạng khác hoặc từ một vật sang vật khác, luôn luôn có một phần bị hao phí. Ví dụ, khi máy đánh trứng chuyển điện năng thành động năng cuả phổi, chúng ta nhận được năng lượng có ích và năng lượng âm thanh, nhiệt (năng lượng hao phí).
Trong các động cơ nhiệt thông thường, khoảng 60% – 70% năng lượng được chuyển đổi bị hao phí. Tuy nhiên, đối với động cơ điện, tỷ lệ năng lượng hao phí thấp hơn, khoảng 10%.
Một ví dụ khác là trong pin Mặt trời, chúng ta chỉ có khoảng 10% năng lượng ánh sáng Mặt trời được chuyển hoá thành điện năng.
Khái niệm hiệu suất
Khái niệm hiệu suất là tỉ lệ giữa công suất có ích và công suất toàn phần. Để tính hiệu suất, chúng ta có công thức như sau:
Hiệu suất = công suất có ích / công suất toàn phầnTrong đó:
Công suất có íchlà công cơ học mà động cơ thực hiện đượcCông suất toàn phầnlà công suất thực hiện bởi động cơ.
Ví dụ, hiệu suất của động cơ nhiệt được viết dưới dạng:
H = công cơ học / nhiệt lượng đốt cháy. 100%Cách tính hiệu suất
Để tính hiệu suất, ta có thể áp dụng các công thức sau:
Hiệu suất = công suất có ích / công suất toàn phần
Hoặc H = Pci / Ptp . 100%Trong đó:
Pcilà công suất có íchPtplà công suất toàn phần
Hoặc khi áp dụng cho động cơ nhiệt:
Hiệu suất = A / Q . 100%Trong đó:
Alà công cơ học mà động cơ thực hiện đượcQlà nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu bị đốt cháy.
Dưới đây là một số ví dụ về hiệu suất của một số thiết bị điện như máy hơi nước, tuabin nước, máy phát điện,…
Đăng ký ngay để được các thầy cô ôn tập và xây dựng lộ trình học tập THPT vững vàng Centaf
Bài tập tự luận
Bài 1: Một em bé nặng 20 kg chơi cầu trượt từ trạng thái đứng yên tại đỉnh cầu trượt dài 4 m, nghiêng một góc 40 độ so với phương nằm ngang. Khi đến chân cầu trượt, tốc độ của em bé này đạt 3,2 m/s; với gia tốc trọng trường là 10 m/s^2.
a) Tính độ lớn lực ma sát tác dụng vào em bé đó.
b) Tính hiệu suất của quá trình chuyển thế năng thành động năng của em bé này.
Hướng dẫn giải
a) Độ lớn của lực ma sát:
-
Độ cao của đỉnh cầu trượt so với mặt đất là: h = l. sin(alpha) = 4.sin40 = 2,57 m
-
Do có ma sát nên khi trượt, một phần thế năng của em bé đó được chuyển hoá thành động năng, một phần thành công cản A của lực ma sát:
m.g.h - (m.v^2)/2 = A-
Độ lớn công cản của lực ma sát: m.g.h – (m.v^2)/2 = 411,6 J
-
Từ biểu thức tính công: A = F.s. cos(alpha)
-
Ta có độ lớn lực ma sát: F = A/s = 102,9 N
b) Hiệu suất:
- Năng lượng toàn phần bằng thế năng của em bé đó khi ở đỉnh cầu trượt:
W_tp = m.g.h = 514 J-
Năng lượng hao phí bằng độ lớn công của lực ma sát nên năng lượng có ích là: W_ci = W_tp – A = 102,4 J
-
Hiệu suất của quá trình biến đổi thế năng thành động năng là:
H = W_ci/W_tp . 100% = 102,4/514 . 100% ≈ 20%Bài 2: Một ô tô chuyển động với vận tốc 54 km/h có thể đi được quãng đường dài bao nhiêu khi nó tiêu thụ hết 60 lít xăng? Biết động cơ của ô tô có công suất 45 kW, hiệu suất là 25%; 1 kg xăng đốt cháy hoàn toàn sẽ tạo ra nhiệt lượng bằng 46.10^6 J/kg và khối lượng riêng của xăng là 700 kg/m^3.
Hướng dẫn giải
Ta có: v = 54 km/h = 15 m/s; V = 60 lít = 60.10^-3 m^3; P = 45 kW = 45.10^3 W; H = 25%; Q = 46.10^6 J/kg; D = 700 kg/m^3.
Khối lượng xăng cần đốt cháy là: m = p.V = 700.60.10^-3 = 42 kg.
Ta có 1 kg xăng khi đốt cháy hoàn toàn toả ra nhiệt lượng bằng 46.10^6 J/kg
→ 42 kg xăng được đốt cháy hoàn toàn sẽ toả ra nhiệt lượng là: Q = 42.46.10^6 = 1932.10^6 J/kg
Công cần thực hiện là A = H.Q’ = 25%.1932.10^6 = 4,83.10^8 J
Thời gian cần để thực hiện công là: t = A/P = 4,83.10^8 / 45.10^3 = 32200/3 (s)
Quãng đường vật đi được là: s = v.t = 15. 32200/3 = 161000 m = 161 km
Bài 3: Để đưa một vật có nặng 250 kg lên độ cao 10 m người ta sử dụng một hệ thống gồm một ròng rọc cố định và một ròng rọc động. Lúc này lực cần dùng để kéo dây nâng vật lên là F1 = 1500 N. Hiệu suất của hệ thống là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
Công có ích để nâng vật lên độ cao 10m là:
A1 = 10.m.h = 10.250.10 = 25000 (J)Khi dùng hệ thống ròng rọc trên thì để vật lên được độ cao h thì phải kéo dây một đoạn S = 2h. Do đó công dùng để kéo vật là:
A = F1.S = F1.2h = 1500.2.10 = 30000 (J)Hiệu suất của hệ thống là:
H = A1/A = (25000/30000).100% = 83,33%Bài 4: Người ta dùng một mặt phẳng nghiêng có chiều dài 5 m để kéo một vật có khối lượng 300 kg với lực kéo là 1200 N. Biết hiệu suất của mặt phẳng nghiêng là 80%. Tính chiều cao của mặt phẳng nghiêng?
Hướng dẫn giải
Công của lực kéo vật là:
A = F. l = 1200.5 = 6000 (J)Công có ích là:
A1 = P.h = 10.m.h = 3000h (J)Từ (1) và (2) suy ra:
3000h = 4800 ⇒ h = 1,6 (m)Đáp số: 1,6m
Bài 5: Người ta lăn 1 thùng dầu từ mặt đất lên sàn xe tải bằng một tấm ván gỗ nghiêng. Sàn xe tải cao 1,2 mét, tấm ván dài 3m. Thùng có tổng khối lượng là 100kg và lực đẩy thùng là 420N.
a) Tính lực ma sát giữa tấm ván và thùng.
b) Tính hiệu suất của mặt phẳng nghiêng.
Hướng dẫn giải
a)
-
Trọng lượng thùng là: P = 10.m = 10.100 = 1000 (N)
-
Nếu không có ma sát thì lực đẩy thùng là: F’ = (P.h)/l = (1000.1,2)/3 = 400 (N)
-
Mà thực tế phải đẩy thùng với một lực là 420 N
→ Lực ma sát giữa tấm ván và thùng là:
F_ms = F - F’ = 420 - 400 = 20 (N)b)
-
Công có ích để đưa vật lên là: A_ci = P.h = 1000. 1,2 = 1200(J)
-
Công toàn phần để đưa vật lên là: A = F.S = 420.3 = 1260 (J)
-
Hiệu suất mặt phẳng nghiêng là:
H = A_ci/A . 100% = (1200/1260) . 100% = 95,2%Bài 6: Để đưa một vật có khối lượng 250 kg lên độ cao 10 m người ta dùng một hệ thống gồm một ròng rọc cố định và một ròng rọc động. Lúc này lực kéo dây để nâng vật lên là F = 1500 N, với g = 10 m/s^2. Hiệu suất của hệ thống là:
Hướng dẫn giải
Công có ích để đưa vật lên là: A_ci = P.h = m.g.h = 250.10.10 = 25000 J
Do sử dụng ròng rọc động nên quãng đường sẽ tăng lên gấp đôi.
Công toàn phần do lực tác dụng thực hiện: A_tp = F.2s = 1500.2.10 = 30000J
Hiệu suất của hệ thống bằng:
H = A_ci/A_tp = (25000/30000).100% = 83,3%Bài tập trắc nghiệm
Câu 1: Một động cơ có công suất tiêu thụ bằng 5 kW kéo một vật có trọng lượng 12kN lên độ cao 30 m theo phương thẳng đứng trong thời gian 90 s với một vận tốc không đổi. Hiệu suất của động cơ bằng
A. 100%.
B. 80%.
C. 60%.
D. 40%.
Đáp án đúng là: B
Công có ích để nâng vật lên là:
A_ci = P.h = 12000.30 = 360000 JCông toàn phần do động cơ sinh ra là:
A_tp = P.t - 5000.90 = 450000 JHiệu suất của động cơ là:
H = A_ci/A_tp = 360000/450000 ≈ 80%Câu 2: Một máy bơm nước có công suất 1,5 kW với hiệu suất 70%. Lấy g = 10 m/s^2. Biết khối lượng riêng của nước là D = 10^3(kg/m^3). Dùng máy bơm này để bơm nước lên độ cao 10 m, sau nửa giờ máy bơm lên bể một lượng nước bằng
A. 18,9 m^3
B. 15,8 m^3
C. 94,5 m^3
D. 24,2 m^3
Đáp án đúng là: A
Công toàn phần của máy bơm là:
A_tp = P.tTa có:
H = A_ci/A_tp ⇒ A_ci = A_tp.H = 0,85.81000000 = 68850000 JSuy ra lượng nước mà máy bơm lên được sau nửa giờ là:
V = (P.t.H) / (D.g.h) = 18,9 m^3Câu 3: Một máy bơm nước có công suất 1,5 kW với hiệu suất 80%. Lấy g = 10 m/s^2. Biết khối lượng riêng của nước là D = 10^3(kg/m^3). Người ta dùng máy bơm này để bơm nước ở dưới mặt đất lên một cái bể bơi có kích thước lần lượt là: chiều dài 50 m, rộng 25 m và chiều cao 2 m. Biết bể bơi thiết kế ở trên tầng 2 có độ cao so với mặt đất là h = 10 m. Để bơm đầy bể thì thời gian cần thiết mà máy bơm phải hoạt động là
A. 57,87h.
B. 2 ngày.
C. 2,5 ngày.
D. 2,4 ngày.
Đáp án đúng là: D
Công toàn phần của máy bơm là:
A_tp = P.tTa có:
H = A_ci/A_tp ⇒ A_ci = A_tp.HMặt khác, ta có:
A_ci = D.V.g.h→ P.t.H = D.V.g.h ⇒ t = (DVgh) / (PH)
Thời gian để bơm đầy bể nước là:
t = (DVgh) / (PH) = 208333,33s = 2,4 ngàyCâu 4: Một ô tô chuyên chạy 100 km với một lực kéo không đổi là 700 N thì tiêu thụ hết 6 lít xăng. Hiệu suất của động cơ ô tô đó là bao nhiêu? Biết năng suất tỏa nhiệt của xăng là 4,6.10^7J/kg và khối lượng riêng của xăng là 700 kg/m^3.
A. 86%
B. 52%
C. 40%
D. 36,23%
Đáp án đúng là: D
Công có ích để kéo xe di chuyển bằng:
A_ci = F.s.cosα = 80.20.cos30 = 1385,64 JCông của lực ma sát bằng:
A_ms = F_mst.s = kNs = kmgs = 0,2.10.10.20 = 400Phần công có ích để làm vật di chuyển là:
A_ci = A_tp - A_ms = 1385,64 - 400 = 985,64 JHiệu suất của chuyển động bằng:
H = A_ci / A_tp = 985,64/1385,64 ≈ 71%Câu 5: Một vật có khối lượng 10 kg chịu tác dụng của 1 lực kéo 80 N có phương hợp với độ dời trên mặt phẳng nằm ngang 300. Hệ số ma sát trượt giữa vật với mặt phẳng nằm ngang là k = 0,2, với g = 10 m/s^2. Hiệu suất của chuyển động khi vật đi được một quãng đường 20m là:
A. 71%
B. 68%
C. 85%
D. 80%
Đáp án đúng là: A
Công do lực tác dụng bằng:
A_tp = F.s.cosα = 80.20.cos300 = 1385,64 (J)Công của lực ma sát bằng:
A_ms = F_ms.s = k.m.g.s = 4.10.10.20 = 800 (J)Phần công có ích để làm vật di chuyển là:
A_ci = A_tp - A_ms = 1385,64 - 800 = 585,64 (J)Hiệu suất của chuyển động bằng:
H = A_ci / A_tp ≈ 71%Câu 6: Để đưa một vật có khối lượng 250 kg lên độ cao 10 m người ta dùng một hệ thống gồm một ròng rọc cố định và một ròng rọc động. Lúc này lực kéo dây để nâng vật lên là F = 1500 N, với g = 10 m/s^2. Hiệu suất của hệ thống là:
A. 80%.
B. 83,3%.
C. 86,7%.
D. 88,3%.
Đáp án đúng là: B
Công có ích để đưa vật lên là:
A_ci = P.h = m.g.h = 250.10.10 = 25000 JDo sử dụng ròng rọc động nên quãng đường sẽ tăng lên gấp đôi:
A_tp = F.2s = F.2h = 1500.2.10 = 30000 JHiệu suất của hệ thống là:
H = A_ci/A_tp = 25000/30000 ≈ 83,3%Câu 7: Một máy bơm nước mỗi giây có thể bơm 15 lít nước lên trên bể ở độ cao 10 m. Coi hao tổn không đáng kể. Lấy $g = 10 m/s^2$. Công suất của máy bơm bằng:
A. 150 W.
B. 3000 W.
C. 1500 W.
D. 2000 W.
Đáp án đúng là: C
Công suất của máy bơm bằng công có ích:
P = A_tp = A_ci = 1500 WCâu 8: Một ô tô chạy 100 km với một lực kéo không đổi là 700 N thì tiêu thụ hết 6 lít xăng. Hiệu suất của động cơ ô tô đó là bao nhiêu? Biết năng suất tỏa nhiệt của xăng là 4,6.10^7 J/kg và khối lượng riêng của xăng là 700 kg/m^3.
A. 86%
B. 52%
C. 40%
D. 36,23%
Đáp án đúng là: D
Công có ích để kéo xe di chuyển bằng:
A_ci = F.s = 700.100.1000 = 70000000 JCông của lực ma sát bằng:
A_ms = F_ms.s = kNs = kmgs = 0,2.10.10.20 = 400Công có ích để làm vật di chuyển là:
A_ci = A_tp - A_ms = 70000000 - 400 = 69600000 JHiệu suất của chuyển động bằng:
H = A_ci / A_tp ≈ 36,23%Câu 9: Thác nước cao 45m, mỗi giây đổ xuống 180 m^3 nước. Người ta dùng thác nước làm trạm thủy điện với hiệu suất là 85%. Biết khối lượng riêng của nước là $D = 10^3$ (kg/m^3). Công suất của trạm thủy điện bằng:
A. 68,85 MW.
B. 81,00 MW.
C. 95,29 MW.
D. 76,83 MW.
Đáp án đúng là: A
Khối lượng nước đổ xuống mỗi giây là:
m = D.V = 10^3.180 = 180000 kgCông sinh ra khi nước đổ xuống đến chân thác trong mỗi giây là:
A_tp = m.g.h = 18000. 10. 45 = 81000000 JGọi A_ci là phần công có ích để phát điện trong mỗi giây
Ta có:
P = A_ci / t ⇒ A_ci = Pt = 0,85.81000000 = 68850000 JSuy ra công suất máy phát điện là:
P = A_ci / t = 68850000 W = 68,85 MWCâu 10: Một máy bơm nước mỗi giây có thể bơm được 15 lít nước lên bể ở độ cao 10 m. Hiệu suất của máy bơm là 70%, lấy g = 10 m/s^2. Sau nửa giờ máy bơm đã thực hiện một công bằng
A. 1500 kJ.
B. 3875 kJ.
C. 1890 kJ.
D. 7714 kJ.
Đáp án đúng là: B
Công có ích để đưa vật lên là:
A_ci = P.h = m.g.h = 250.10.10 = 25000 JCông toàn phần do máy bơm sinh ra trong mỗi giây là:
A_tp = P.t = 1500.30 = 45000 JCông mà máy bơm thực hiện được sau nửa giờ:
A = P.t = 45000.0,5.60 = 135000 J