Hiệu suất chuyển đổi năng lượng được hiểu ra sao?

• Toàn bộ năng lượng đưa vào
• Phần hữu ích
• Phần thành nhiệt thải

Bạn sẽ học được gì

• Nêu cách tính hiệu suất từ hai lượng năng lượng.
• Giải thích phần năng lượng không hữu ích đi đâu.
• Đọc được hiệu suất trong ví dụ xe, nhà máy điện và pin mặt trời.

Cần biết trước

Chỉ cần biết năng lượng có nhiều dạng, như nhiệt, chuyển động và điện. Không cần công thức.

Hiệu suất được tính thế nào?

Hiệu suất là tỷ lệ giữa phần hữu ích và tổng năng lượng đưa vào. Trang về nguyên lý năng lượng của Đại học Illinois Urbana-Champaign định nghĩa: hiệu suất năng lượng là lượng năng lượng hữu ích lấy ra từ một hệ chia cho tổng năng lượng đưa vào hệ.

Nhà máy điện có một cách đo riêng. Trang hỏi đáp của EIA nói suất tiêu hao nhiệt là lượng năng lượng một nhà máy dùng để tạo ra một kilowatt giờ điện. Lấy 3.412 Btu của một kWh điện chia cho suất tiêu hao nhiệt tính bằng Btu/kWh để có tỷ lệ hiệu suất, rồi đổi tỷ lệ đó thành phần trăm. Ví dụ, nếu suất tiêu hao nhiệt là 10.500 Btu thì hiệu suất xấp xỉ 33% theo ví dụ EIA.

• Năng lượng hữu ích ở trên vạch
• Tổng năng lượng đưa vào ở dưới vạch

Phần năng lượng còn lại đi đâu?

Nó vẫn tồn tại, chỉ không còn hữu ích. Bài của Đại học Illinois nhắc định luật thứ nhất: tổng năng lượng không đổi, nên toàn bộ năng lượng phải kết thúc ở đâu đó, ở dạng ban đầu hoặc dạng khác. Năng lượng không được dùng sẽ thành nhiệt thải, âm thanh, dao động nhiệt hoặc ánh sáng.

Trong một chuỗi có tổn hao ở từng bước, thêm bước chuyển đổi tạo thêm chỗ năng lượng chuyển thành nhiệt thải. Đây là cách bài của Đại học Illinois giải thích chuỗi chuyển đổi, không phải quy tắc để xếp hạng hai thiết bị chỉ bằng số bước. Xe chạy xăng là ví dụ: năng lượng hóa học trong xăng thành nhiệt, rồi thành chuyển động cơ học. Ví dụ minh họa trong giáo trình dùng hiệu suất chung khoảng 30%, tương ứng 70% năng lượng ban đầu trong xăng thành nhiệt thải. Đây là con số của ví dụ, không phải giới hạn chung cho mọi loại xe hay động cơ.

• Bốn khối nối nhau, mỗi khối là một bước chuyển đổi năng lượng
• Nhiệt thải bốc lên ở các bước giữa
• Phần còn lại sau mỗi bước ngắn dần

Hiệu suất xuất hiện ở đâu trong đời sống?

Ở mọi thiết bị đổi năng lượng, và mỗi nơi có phần mất riêng.

Với xe, trang fueleconomy.gov ghi rằng ở xe chạy xăng, phần lớn năng lượng của nhiên liệu mất trong động cơ, chủ yếu dưới dạng nhiệt. Xe lai, xe lai cắm sạc và xe điện dùng phanh tái sinh để thu hồi một phần năng lượng phanh vốn sẽ bị mất.

Với pin mặt trời, trang của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ định nghĩa hiệu suất chuyển đổi là phần trăm năng lượng mặt trời chiếu lên pin được chuyển thành điện dùng được. Không phải toàn bộ ánh sáng tới pin đều thành điện.

• Nhà máy điện: ống khói
• Xe: bánh xe
• Pin mặt trời: tấm nghiêng

Ví dụ trong đời sống

Hãy nghĩ tới việc đổ nước từ ấm sang cốc qua một cái phễu bị rò. Nước đổ vào là tổng đưa vào, nước vào cốc là phần hữu ích, nước rỏ ra ngoài là phần mất. Phễu càng rò, hiệu suất càng thấp.

Phép so sánh chỉ để nhớ. Thử tự hỏi: nếu bạn rót qua hai phễu nối tiếp, mỗi phễu đều rò, phần nước còn lại sẽ nhiều hơn hay ít hơn một phễu? Ít hơn, giống như nhiều bước chuyển đổi mất nhiều nhiệt hơn.

Hiểu lầm thường gặp

Năng lượng thất thoát không biến mất. Nó đi đâu đó, thường là thành nhiệt thải.

Nhiệt có được tính là hữu ích hay không phụ thuộc mục đích đang xét. Với ví dụ tạo chuyển động, nhiệt tỏa ra môi trường không nằm trong phần chuyển động hữu ích. Không nên dùng một tỷ lệ khi chưa xác định đầu vào và đầu ra.

Hiệu suất thấp không có nghĩa thiết bị hỏng. Con số khoảng 30% trong giáo trình là một ví dụ về phân chia năng lượng, không phải phép chẩn đoán xe hỏng.

Câu hỏi thường gặp

Hiệu suất bằng bao nhiêu thì tốt?

Còn tùy thiết bị. Nhà máy điện trong ví dụ của EIA đạt xấp xỉ 33% với một mức suất tiêu hao nhiệt, còn bài của Đại học Illinois minh họa xe chạy xăng bằng giá trị khoảng 30%. Hai ví dụ không đặt ra một ngưỡng tốt chung cho mọi thiết bị.

Năng lượng thất thoát đi đâu?

Nó thành nhiệt thải, âm thanh, dao động nhiệt hoặc ánh sáng, tức những dạng không dùng được cho mục đích ban đầu.

Phanh tái sinh giúp gì?

Nó thu hồi một phần năng lượng phanh vốn sẽ bị mất, nên giảm phần thất thoát.

Tóm tắt

• Hiệu suất là năng lượng hữu ích chia cho tổng năng lượng đưa vào.
• Phần còn lại thành nhiệt thải hoặc dạng không dùng được, ngoài phần đầu ra hữu ích đang xét.
• Trong chuỗi có tổn hao, mỗi bước chuyển đổi là thêm một nơi mất phần năng lượng hữu ích.