Bài học

Vận dụng định luật Jun – Len-xơ trong thiết bị và an toàn điện

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng định luật Jun – Len-xơ để tính nhiệt lượng toả ra ở các thiết bị đun nấu gia dụng, giải thích được cơ chế hoạt động của cầu chì, và lí giải bằng số liệu cụ thể vì sao dây dẫn quá tải là nguy cơ cháy nổ điện hàng đầu trong gia đình.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em công thức $Q = I^2Rt$ và nhận xét quan trọng $A = Q$ ở thiết bị thuần điện trở. Bài này áp dụng trực tiếp điều đó vào hai tình huống thực tế: đun nước bằng điện, và an toàn khi dòng điện vượt quá mức cho phép.

Khởi động

Vì sao trong tủ điện gia đình luôn có một cầu chì hoặc aptomat (CB), và những thiết bị này "biết" khi nào cần tự động ngắt điện dù không có ai bấm nút?

Kiến thức trọng tâm

Ứng dụng đun nấu. Ấm điện, nồi cơm điện, bếp điện đều dùng dây điện trở làm nóng — toàn bộ điện năng tiêu thụ chuyển hoá gần như hoàn toàn thành nhiệt lượng theo $Q = I^2Rt$ (hoặc tính nhanh bằng $Q = Pt$ vì $A = Q$ ). Nhiệt lượng đó sau đó truyền cho nước hoặc thức ăn, làm tăng nhiệt độ theo công thức đã học ở phần nhiệt học: $Q_{thu} = mc\Delta t$ , với $c$ là nhiệt dung riêng của nước ( $c \approx 4200\,J/kg.K$ ). Trong thực tế, hiệu suất luôn nhỏ hơn 100% vì một phần nhiệt lượng thoát ra môi trường xung quanh (qua thành ấm, hơi nước bốc lên) thay vì truyền hết cho nước.

An toàn điện — vai trò của cầu chì. Dây chì trong cầu chì có nhiệt độ nóng chảy thấp và tiết diện nhỏ, được tính toán để khi cường độ dòng điện qua mạch vượt quá một giá trị định mức, chính nhiệt lượng toả ra theo $Q = I^2Rt$ ở dây chì sẽ đủ lớn để làm nó nóng chảy và đứt, tự động ngắt mạch — bảo vệ dây dẫn chính và các thiết bị khác khỏi bị quá nhiệt, cháy hỏng.

Vì sao quá tải nguy hiểm. Vì $Q$ tỉ lệ với BÌNH PHƯƠNG của $I$ , một sự tăng dòng điện tưởng chừng nhỏ (do cắm quá nhiều thiết bị công suất lớn vào cùng một ổ hoặc một đường dây) lại gây ra mức tăng nhiệt lượng lớn hơn rất nhiều — đây chính là cơ chế vật lí đứng sau phần lớn các vụ cháy nổ do chập điện, quá tải dây dẫn trong thực tế.

**Ứng dụng đun nấu.** Ấm điện, nồi cơm điện, bếp điện đều dùng dây điện trở làm nóng — toàn bộ điện năng tiêu thụ chuyển hoá gần như hoàn toàn thành nhiệt lượng theo $Q = I^2Rt$ (hoặc tính nhanh bằng $Q = Pt$ vì $A = Q$). Nhiệt lượng đó sau đó truyền cho nước hoặc thức ăn, làm tăng nhiệt độ theo công thức đã học ở phần nhiệt học: $Q_{thu} = mc\Delta t$, với $c$ là nhiệt dung riêng của nước ($c \approx 4200\,J/kg.K$). Trong thực tế, hiệu suất luôn nhỏ hơn 100% vì một phần nhiệt lượng thoát ra môi trường xung quanh (qua thành ấm, hơi nước bốc lên) thay vì truyền hết cho nước. **An toàn điện — vai trò của cầu chì.** Dây chì trong cầu chì có nhiệt độ nóng chảy thấp và tiết diện nhỏ, được tính toán để khi cường độ dòng điện qua mạch vượt quá một giá trị định mức, chính nhiệt lượng toả ra theo $Q = I^2Rt$ ở dây chì sẽ đủ lớn để làm nó nóng chảy và đứt, tự động ngắt mạch — bảo vệ dây dẫn chính và các thiết bị khác khỏi bị quá nhiệt, cháy hỏng. **Vì sao quá tải nguy hiểm.** Vì $Q$ tỉ lệ với BÌNH PHƯƠNG của $I$, một sự tăng dòng điện tưởng chừng nhỏ (do cắm quá nhiều thiết bị công suất lớn vào cùng một ổ hoặc một đường dây) lại gây ra mức tăng nhiệt lượng lớn hơn rất nhiều — đây chính là cơ chế vật lí đứng sau phần lớn các vụ cháy nổ do chập điện, quá tải dây dẫn trong thực tế.

Ví dụ

Tính nhiệt lượng và khối lượng nước đun được bằng ấm điện

1
Ấm điện ghi "220V – 1000W" đun nước trong $10$ phút, hoạt động đúng định mức. Giả sử toàn bộ nhiệt lượng toả ra dùng để đun nước từ $25\,^\circ C$ lên $100\,^\circ C$ (bỏ qua hao phí ra môi trường). Tính khối lượng nước có thể đun sôi (lấy $c = 4200\,J/kg.K$ ).
Ấm điện ghi "220V – 1000W" đun nước trong $10$ phút, hoạt động đúng định mức. Giả sử toàn bộ nhiệt lượng toả ra dùng để đun nước từ $25\,^\circ C$ lên $100\,^\circ C$ (bỏ qua hao phí ra môi trường). Tính khối lượng nước có thể đun sôi (lấy $c = 4200\,J/kg.K$).
2
Vì là thiết bị thuần điện trở nên $Q = A = Pt$ . Đổi $t = 10\,phút = 600\,s$ : $Q = 1000 \times 600 = 600\,000\,J$ .
Vì là thiết bị thuần điện trở nên $Q = A = Pt$. Đổi $t = 10\,phút = 600\,s$: $Q = 1000 \times 600 = 600\,000\,J$.
3
$Q_{thu} = mc\Delta t$ , với $\Delta t = 100 - 25 = 75\,^\circ C$ .
$Q_{thu} = mc\Delta t$, với $\Delta t = 100 - 25 = 75\,^\circ C$.
4
$m = \dfrac{Q}{c \Delta t} = \dfrac{600\,000}{4200 \times 75} = \dfrac{600\,000}{315\,000} \approx 1{,}90\,kg$ .
$m = \dfrac{Q}{c \Delta t} = \dfrac{600\,000}{4200 \times 75} = \dfrac{600\,000}{315\,000} \approx 1{,}90\,kg$.
5
Vậy ấm điện có thể đun sôi khoảng $1{,}9\,kg$ nước trong 10 phút — con số hợp lý cho một ấm điện nhỏ. Trong thực tế, do một phần nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh, khối lượng nước đun sôi được sẽ nhỏ hơn giá trị lí thuyết này một chút.
Vậy ấm điện có thể đun sôi khoảng $1{,}9\,kg$ nước trong 10 phút — con số hợp lý cho một ấm điện nhỏ. Trong thực tế, do một phần nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh, khối lượng nước đun sôi được sẽ nhỏ hơn giá trị lí thuyết này một chút.

Ví dụ

Giải thích định lượng vì sao quá tải dây dẫn gây cháy nổ

1
Một đoạn dây dẫn trong nhà có điện trở $R = 0{,}5\,\Omega$ . Bình thường dòng điện qua dây là $I_1 = 5\,A$ . Khi gia đình cắm thêm nhiều thiết bị vào cùng đường dây, dòng điện tăng lên $I_2 = 15\,A$ . So sánh nhiệt lượng toả ra trên dây dẫn trong 1 phút ở hai trường hợp, và nhận xét.
Một đoạn dây dẫn trong nhà có điện trở $R = 0{,}5\,\Omega$. Bình thường dòng điện qua dây là $I_1 = 5\,A$. Khi gia đình cắm thêm nhiều thiết bị vào cùng đường dây, dòng điện tăng lên $I_2 = 15\,A$. So sánh nhiệt lượng toả ra trên dây dẫn trong 1 phút ở hai trường hợp, và nhận xét.
2
$t = 60\,s$ . $Q_1 = I_1^2 R t = 5^2 \times 0{,}5 \times 60 = 25 \times 0{,}5 \times 60 = 750\,J$ .
$t = 60\,s$. $Q_1 = I_1^2 R t = 5^2 \times 0{,}5 \times 60 = 25 \times 0{,}5 \times 60 = 750\,J$.
3
$Q_2 = I_2^2 R t = 15^2 \times 0{,}5 \times 60 = 225 \times 0{,}5 \times 60 = 6750\,J$ .
$Q_2 = I_2^2 R t = 15^2 \times 0{,}5 \times 60 = 225 \times 0{,}5 \times 60 = 6750\,J$.
4
Tỉ số $\dfrac{Q_2}{Q_1} = \dfrac{6750}{750} = 9$ . Trong khi dòng điện chỉ tăng gấp $3$ lần ( $15/5$ ), nhiệt lượng toả ra đã tăng gấp $9$ lần — đúng bằng bình phương của $3$ .
Tỉ số $\dfrac{Q_2}{Q_1} = \dfrac{6750}{750} = 9$. Trong khi dòng điện chỉ tăng gấp $3$ lần ($15/5$), nhiệt lượng toả ra đã tăng gấp $9$ lần — đúng bằng bình phương của $3$.
5
Vậy chỉ cần dòng điện tăng gấp 3 lần do cắm quá nhiều thiết bị, dây dẫn đã phải chịu một nhiệt lượng gấp 9 lần bình thường trong cùng thời gian — vượt xa khả năng chịu nhiệt của dây, dễ làm chảy lớp cách điện và gây cháy nếu không có cầu chì hoặc aptomat bảo vệ kịp thời.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ nhiệt lượng toả ra tăng THEO CÙNG TỈ LỆ với dòng điện (tăng gấp 3 lần dòng điện thì nhiệt lượng cũng chỉ tăng gấp 3). Ví dụ trên cho thấy rõ: vì $I$ được bình phương trong công thức Jun – Len-xơ, nhiệt lượng luôn tăng nhanh hơn nhiều so với mức tăng của dòng điện.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Thiết bị thuần điện trở: $Q = A = Pt$ , dùng $Q_{thu} = mc\Delta t$ để tính khối lượng chất được làm nóng. Cầu chì bảo vệ mạch bằng cách tự nóng chảy khi $I$ vượt định mức. Vì $Q$ tỉ lệ $I^2$ , quá tải dòng điện luôn nguy hiểm hơn nhiều so với mức tăng dòng điện tưởng chừng nhỏ.

Thiết bị thuần điện trở: $Q = A = Pt$, dùng $Q_{thu} = mc\Delta t$ để tính khối lượng chất được làm nóng. Cầu chì bảo vệ mạch bằng cách tự nóng chảy khi $I$ vượt định mức. Vì $Q$ tỉ lệ $I^2$, quá tải dòng điện luôn nguy hiểm hơn nhiều so với mức tăng dòng điện tưởng chừng nhỏ.

Chương tiếp theo dùng đúng những công thức đã học — công suất, điện năng tiêu thụ — để tính ra con số cụ thể nhất mà mọi gia đình quan tâm: tiền điện phải trả mỗi tháng.