Bài 15Miễn phí~25 phút

Bài 15 — Sự bảo toàn và chuyển hoá năng lượng

Năng lượng luôn được bảo toàn; các dạng năng lượng và sự chuyển hoá giữa chúng; năng lượng tái tạo và ý nghĩa của tiết kiệm năng lượng.

Trong mọi quá trình biến đổi, năng lượng không tự sinh ra và cũng không tự mất đi — nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác, từ vật này sang vật khác. Đó là định luật bảo toàn năng lượng.

Năng lượng như tiền

Trong vật lý

Sự chuyển hoá năng lượng

Trong đời thường

Đổi tiền sang ngoại tệ rồi chi tiêu

Tiền không biến mất khi em đổi sang ngoại tệ hay mua hàng — nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. Năng lượng cũng vậy, chỉ khác là "tỉ giá" chuyển hoá không bao giờ có lợi tuyệt đối.

Lưu ý: Ẩn dụ bỏ qua việc một phần năng lượng luôn bị "thất thoát" thành nhiệt khó tận dụng.

Năng lượng tái tạo

  • Mặt Trời, gió, nước, sinh khối
  • Gần như không cạn kiệt
  • Ít phát thải

Năng lượng không tái tạo

  • Than, dầu, khí đốt
  • Sẽ cạn kiệt theo thời gian
  • Phát thải khí nhà kính
  1. Trong nhà máy thuỷ điện: thế năng của nước → động năng → điện năng.
  2. Trong bóng đèn: điện năng → quang năng + nhiệt năng.
  3. Trong quạt điện: điện năng → cơ năng + nhiệt năng (hao phí).
  4. Trong mọi trường hợp, tổng năng lượng luôn được bảo toàn.

Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước

  1. 1Cho dòng điện chạy qua dây dẫn: dây nóng lên — điện năng chuyển thành nhiệt năng.
  2. 2Nhận xét nhiệt lượng Q tăng khi tăng I, R hoặc thời gian t.
  3. 3Đây là ví dụ của sự chuyển hoá năng lượng, không phải sự "sinh ra" năng lượng mới.

Mô phỏng: Định luật Jun–Len-xơ

  • Dây dẫn nóng lên (đỏ = nhiệt cao)
  • Nhiệt lượng toả ra Q
  • Dòng điện I
Nhiệt lượng Q = I²Rt
1.200 J
Quy đổi calo
287 cal
Điện năng (kWh)
0,000333 kWh
Cường độ dòng điện
2 A

Q = I²Rt. Tăng cường độ dòng điện lên gấp đôi thì nhiệt lượng tăng gấp bốn lần. Quan sát dây dẫn chuyển dần sang đỏ khi Q lớn.

Quan sát điện năng chuyển hoá thành nhiệt năng trên dây dẫn.

Suy nghĩ một chút

Nếu năng lượng luôn bảo toàn, vì sao chúng ta vẫn lo "thiếu năng lượng"?

Chuyển hoá năng lượng quanh em

Mỗi thiết bị và hiện tượng quanh ta là một "trạm chuyển hoá năng lượng" theo đúng định luật bảo toàn.

  • Đạp xe rồi bóp phanh, vành xe nóng lên

    Cơ năng của xe chuyển thành nhiệt năng do ma sát giữa má phanh và vành. Đạp nhiều thì trữ cơ năng, phanh thì "xả" nó thành nhiệt — năng lượng không mất mà chỉ đổi dạng và phân tán ra môi trường.

    Lý thuyết của bài: Cơ năng → nhiệt năng qua ma sát; tổng năng lượng bảo toàn.

  • Thác nước, đập thuỷ điện phát điện

    Nước trên cao có thế năng; chảy xuống chuyển thành động năng; động năng quay tuabin rồi máy phát biến thành điện năng. Một chuỗi chuyển hoá liên tiếp, nhưng tổng năng lượng luôn được bảo toàn (một phần mất thành nhiệt).

    Lý thuyết của bài: Thế năng → động năng → điện năng.

  • Điện thoại sạc nóng lên

    Điện năng nạp pin chuyển thành hoá năng dự trữ, nhưng một phần hao phí thành nhiệt do điện trở trong mạch sạc (Q = I²Rt). Vì vậy củ sạc và máy nóng lên — minh chứng cho "hao phí năng lượng" khiến hiệu suất luôn dưới 100%.

    Lý thuyết của bài: Một phần năng lượng luôn chuyển thành nhiệt khó tận dụng.

  • Bóng đèn dây tóc rất nóng dù mục đích là phát sáng

    Bóng sợi đốt biến phần lớn điện năng thành nhiệt (hao phí) và chỉ một phần nhỏ thành ánh sáng hữu ích. Vì vậy nó kém hiệu suất hơn đèn LED, dù năng lượng vẫn bảo toàn — chỉ có phần "hữu ích" khác nhau.

    Lý thuyết của bài: Hiệu suất = năng lượng có ích / năng lượng toàn phần < 100%.

  • Pin Mặt Trời trên mái nhà

    Quang năng từ Mặt Trời chuyển thành điện năng nhờ các tế bào quang điện. Đây là chuyển hoá trực tiếp của năng lượng tái tạo, giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch hữu hạn.

    Lý thuyết của bài: Quang năng → điện năng; năng lượng tái tạo.

Vì sao có định luật bảo toàn năng lượng?

Trực giác:Mọi chuyển động và tương tác đều tuân theo những quy luật lặp lại được. Khi đo đạc cẩn thận, các nhà vật lý thấy rằng tổng năng lượng trước và sau mọi quá trình luôn bằng nhau — chưa từng quan sát được trường hợp nào năng lượng "sinh ra từ hư vô".

Wtổng=const(na˘ng lượng chỉ chuyển hoaˊ, khoˆng sinh/maˆˊt)W_{tổng} = \text{const} \quad (\text{năng lượng chỉ chuyển hoá, không sinh/mất})
Định luật bảo toàn năng lượng.
  1. 1Công và năng lượng liên hệ với nhau: khi một lực sinh công, năng lượng được truyền từ vật này sang vật khác (W = F·s).
  2. 2Trong một hệ kín, không có năng lượng đi vào hay đi ra ngoài, nên tổng năng lượng của hệ không đổi theo thời gian.
  3. 3Năng lượng có nhiều dạng (cơ, nhiệt, điện, quang, hoá, hạt nhân). Khi một dạng giảm thì luôn có một hoặc nhiều dạng khác tăng tương ứng — tổng không đổi.
  4. 4Thực tế có vẻ "mất" năng lượng là do nó chuyển thành nhiệt phân tán ra môi trường, khó thu hồi — nhưng tổng vẫn bảo toàn.
  5. 5Vì vậy không bao giờ có "máy chuyển động vĩnh cửu" sinh năng lượng vô hạn: định luật bảo toàn loại bỏ điều đó trước khi ta thử chế tạo.

Ý nghĩa: Định luật bảo toàn năng lượng khẳng định năng lượng là bất biến về tổng lượng, chỉ thay đổi hình thức. Nó là kim chỉ nam để phân tích mọi quá trình, và giải thích vì sao hiệu suất thiết bị luôn nhỏ hơn 100%.

Kiểm tra: Bảo toàn năng lượng

10 câu hỏi · Điểm đạt 70%