Đề Thi Chuyên Sâu Vật Lý THPT: Bài Toán Vật Lý Nhiệt - Hiệu Suất & Công Suất

Một động cơ xăng đốt trong 4 kỳ sẽ sinh công thông qua 4 hành trình của piston: nạp, nén, nổ, xả.

1. Nạp: van nạp mở, piston đi xuống, khí và nhiên liệu được hút vào xi lanh.

2. Nén: tất cả các van được đóng, piston đi lên nén khí, bugi đánh lửa.

3. Nổ: khí và nhiên liệu nén phát nổ, đẩy piston đi xuống.

4. Xả: van xả mở, piston đi lên đẩy khí thải ra ngoài.

Một hệ làm nóng nước bằng năng lượng mặt trời có hiệu suất chuyển đổi 22\%, cường độ bức xạ mặt trời lên bộ thu nhiệt là 980 W/m${}^2$, diện tích bộ thu là 20 m${}^2$. Cho nhiệt dung riêng của nước là 4180 J/kg.K, khối lượng riêng của nước là 1000 kg/m${}^3$.

Một hệ thống tản nhiệt cho CPU, có cấu trúc như hình bên. Bộ làm mát tiếp xúc trực tiếp với CPU, giúp hấp thụ nhiệt từ CPU. Chất lỏng làm mát sẽ chảy qua bộ làm mát, hấp thụ nhiệt và nóng lên. Các ống dẫn giúp lưu thông chất lỏng từ bộ làm mát đến bộ tản nhiệt và ngược lại. Tại bộ tản nhiệt, nhiệt lượng được giải phóng ra ngoài không khí nhờ luồng không khí mát được quạt thổi liên tục. Hệ thống này có các thông số sau:

+ Lưu lượng chất lỏng: 0,4 lít/phút.

+ Nhiệt dung riêng chất lỏng: 4200 J/kg.K.

+ Khối lượng riêng chất lỏng: 1000 kg/m${}^3$.

+ Công suất tỏa nhiệt của CPU khi hoạt động bình thường là 21 W.

+ Hiệu suất làm mát của hệ thống là 80\% (tức là 80\% nhiệt lượng tỏa ra từ CPU được chất lỏng hấp thụ).

“Pin mặt trời” là một thiết bị điện tử, còn được gọi là tấm pin năng lượng mặt trời hoặc tấm quang điện (solar panel), có khả năng chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Nó hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, trong đó các tế bào quang điện (solar cells) trên bề mặt pin hấp thụ ánh sáng và tạo ra dòng điện. Công suất sử dụng điện trung bình của một gia đình là 1,5 kW. Biết năng lượng mặt trời khi chiếu trực tiếp đến bề mặt của pin mặt trời nằm ngang có công suất trung bình là 100 W trên một mét vuông. Giả sử chỉ có 10\% năng lượng mặt trời được chuyển thành năng lượng có ích (điện năng). Hỏi cần một diện tích bề mặt pin mặt trời là bao nhiêu mét vuông (m${}^2$) để có thể cung cấp đủ công suất điện cho gia đình này?

Một bếp điện được dùng để đun sôi 1,5 lít nước ở nhiệt độ ban đầu là $27^{\circ }$C trong 4,5 phút. Bếp được sử dụng với mạng điện dân dụng ở Việt Nam có điện áp hiệu dụng là 220 V. Biết nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của nước lần lượt là $c=4200$ J/kg.K và $D=1000$ kg/m${}^3$. Điện trở của bếp điện là $R=24\Omega$. Hiệu suất của bếp điện là $x\%$. Tìm $x$ (làm tròn kết quả đến chữ số hàng phần mười).

Nguyên lí hoạt động của một máy đun nước nóng như sau: nước lạnh có nhiệt độ $t_1=25^{\circ }$C được đưa vào máy từ ống dẫn nước lạnh với lưu lượng $\mu =1$ lít/phút và được làm nóng đến nhiệt độ $t_2=60^{\circ }$C. Cho biết khối lượng riêng, nhiệt dung riêng của nước lần lượt là $\rho =1000$ kg/m${}^3$ và $c=4200$ J/kg.K. Hiệu suất làm nóng nước là $H=90\%$. Với giá điện hiện nay là 2200 đồng/kWh, một giờ phải đóng tiền điện cho máy bao nhiêu đồng (làm tròn kết quả đến chữ số hàng đơn vị)?

Cho biết nhiệt hóa hơi riêng của nước là $2,26\cdot 10^6$ J/kg. Trên một ruộng muối có diện tích 400 m${}^2$, để thu hoạch được 486 kg muối thì cần phơi nắng trong bao nhiêu ngày? Giả thiết mỗi ngày nắng kéo dài 8,0 giờ, công suất bức xạ trung bình của Mặt Trời mà ruộng muối nhận được là 800 W/m${}^2$, và 55\% năng lượng này được dùng để làm bay hơi nước. (Làm tròn kết quả đến hàng đơn vị).

Một nhóm học sinh THPT dùng một ấm điện đun sôi 1 kg nước ở áp suất khí quyển $10^5$ Pa, dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của nước theo thời gian thì thu được đồ thị như hình bên. Nhiệt dung riêng của nước là 4180 J/kg.K. Cho rằng có 18,4\% nhiệt lượng của ấm tỏa ra môi trường. Coi sự bay hơi ở nhiệt độ thường của nước trong ấm là không đáng kể. Công suất của ấm là bao nhiêu kW? (kết quả lấy đến một con số sau dấu phẩy)