Chủ đề III. Năng lượng và cuộc sống

Năng lượng gắn với khả năng gây ra những biến đổi, chẳng hạn làm vật chuyển động, biến dạng hoặc nóng lên. Ta thường nhận biết năng lượng qua tác dụng của nó chứ không nhìn thấy năng lượng như một vật riêng. Gió có thể làm quay chong chóng, pin có thể làm sáng đèn, ánh nắng có thể làm mặt đường nóng lên.

Vật đang chuyển động có động năng. Với cùng một vật, chuyển động nhanh hơn thường có động năng lớn hơn; ở cùng tốc độ, vật có khối lượng lớn hơn có động năng lớn hơn. Ở lớp 6 chỉ cần nhận biết và so sánh trong điều kiện rõ, chưa cần công thức tính động năng. Không thử so sánh bằng cách để đồ nặng rơi hoặc va chạm vào người.

Vật ở độ cao so với mốc chọn có thế năng hấp dẫn. Lò xo bị nén hoặc kéo dãn trong giới hạn thích hợp có năng lượng do biến dạng, thường gọi là thế năng đàn hồi. Hai ví dụ cho thấy vật không chuyển động vẫn có thể có năng lượng. Khi nói về độ cao, cần nêu mốc so sánh, như mặt sàn hoặc mặt đất.

Năng lượng còn được nhận biết qua nhiệt, điện, ánh sáng và âm thanh. Vật nóng có thể làm vật khác nóng lên; nguồn điện cung cấp năng lượng cho thiết bị; ánh sáng và âm thanh cũng mang năng lượng. Nhiệt độ và năng lượng không phải cùng một đại lượng: chỉ biết nhiệt độ cao hơn chưa đủ kết luận tổng năng lượng nhiệt lớn hơn nếu lượng chất khác nhau.

Thức ăn, nhiên liệu và pin chứa năng lượng hóa học có thể được chuyển thành các dạng khác khi xảy ra quá trình thích hợp. Cơ thể dùng năng lượng từ thức ăn để vận động và duy trì hoạt động sống. Xăng, khí đốt hoặc than có thể cung cấp năng lượng khi sử dụng đúng cách, nhưng cũng có tác động môi trường và yêu cầu an toàn riêng.

Đơn vị năng lượng thường dùng là joule, kí hiệu J. Khi mô tả, cần nói rõ vật hoặc hệ đang xét và dạng năng lượng trước, sau quá trình. Một thiết bị có thể liên quan nhiều dạng năng lượng cùng lúc. Việc gắn một tên duy nhất cho mọi hoạt động của thiết bị dễ làm bỏ sót sự chuyển hóa hoặc phần năng lượng truyền ra môi trường.

Năng lượng có thể được truyền từ vật này sang vật khác. Khi tay đẩy xe, tay truyền năng lượng giúp xe chuyển động. Khi thìa kim loại đặt trong nước nóng và nóng dần lên, năng lượng được truyền từ nước sang thìa. Trong mỗi ví dụ, cần nêu rõ nguồn truyền, vật nhận và dấu hiệu nhận biết sự thay đổi.

Năng lượng cũng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác. Pin cấp năng lượng cho đèn là một chuỗi có năng lượng hóa học, điện và ánh sáng. Quạt điện biến đổi năng lượng điện thành năng lượng chuyển động của cánh quạt và không khí, đồng thời có nhiệt, âm thanh. Một quá trình thực tế thường vừa có truyền năng lượng vừa có chuyển hóa.

Khi vật rơi gần mặt đất, thế năng hấp dẫn giảm và động năng có thể tăng. Nếu có lực cản của không khí, một phần năng lượng còn được chuyển sang dạng khác và truyền cho môi trường. Trong mô hình lí tưởng bỏ qua lực cản, có thể xem sự chuyển hóa chủ yếu giữa thế năng và động năng; phải nêu rõ điều kiện đơn giản hóa này.

Trong nhà máy thủy điện, nước ở vị trí cao chảy xuống, làm quay turbine rồi máy phát tạo năng lượng điện. Chuỗi đơn giản có thể viết: thế năng của nước → động năng của dòng nước và turbine → năng lượng điện. Mô hình này giúp theo dõi dạng năng lượng chính, chưa liệt kê mọi phần nhiệt hoặc âm thanh phát sinh.

Sơ đồ năng lượng nên dùng mũi tên chỉ từ nguồn hoặc dạng ban đầu đến đầu ra. Chú thích mỗi mũi tên bằng quá trình nếu cần, như đun nóng, chiếu sáng hoặc làm quay. Nếu có nhiều đầu ra, vẽ nhánh thay vì chỉ ghi một dạng. Không nhầm mũi tên trong sơ đồ năng lượng với mũi tên biểu diễn phương, chiều và độ lớn của lực.

Quan sát năng lượng cần an toàn: dùng mô hình, thiết bị học tập đúng hướng dẫn, không tháo pin, không nối với điện lưới và không tự đốt nhiên liệu. Khi giải thích, tránh viết “thiết bị tạo năng lượng từ không có gì”. Thiết bị nhận năng lượng rồi truyền hoặc chuyển hóa nó. Nhận biết đúng đầu vào và đầu ra giúp học phần bảo toàn năng lượng rõ hơn.

Năng lượng không tự sinh ra hoặc tự mất đi; nó được truyền từ vật này sang vật khác hoặc chuyển từ dạng này sang dạng khác. Khi xét đầy đủ các vật liên quan, kể cả môi trường nhận năng lượng, cần theo dõi toàn bộ phần năng lượng đã truyền và chuyển hóa. Việc một vật dừng lại không có nghĩa năng lượng ban đầu của nó đã biến mất.

Trong sử dụng thiết bị, năng lượng có ích là phần phục vụ mục đích đặt ra. Phần chuyển hoặc truyền sang dạng, nơi không phục vụ mục đích đó thường gọi là năng lượng hao phí. Hai tên gọi này phụ thuộc mục đích. Nhiệt là có ích khi đun nước, nhưng phần làm nóng động cơ quạt thường không phải đầu ra cần ưu tiên của việc quạt mát.

Thiết bị thực thường có nhiều đầu ra. Một đèn nhận năng lượng điện, phát ánh sáng và truyền nhiệt ra xung quanh; quạt nhận điện, làm không khí chuyển động nhưng cũng nóng và phát âm. Năng lượng hao phí vẫn tồn tại trong các vật nhận nó. Vì vậy không được dùng từ “hao phí” để kết luận năng lượng đã bị hủy hoặc thất thoát khỏi tự nhiên.

Với bài tập đã liệt kê đầy đủ các phần đầu ra và không có tích trữ thêm trong thời gian xét, năng lượng vào bằng tổng năng lượng có ích và hao phí. Nếu đầu vào là 200 J, phần có ích 150 J, thì hao phí 50 J. Điều kiện của mô hình rất quan trọng: nếu thiết bị còn tích trữ năng lượng, phải tính cả phần tăng thêm đó.

Giảm hao phí giúp dùng cùng nguồn năng lượng hiệu quả hơn. Có thể hạn chế ma sát không cần thiết, giữ nhiệt khi cần đun nóng hoặc chọn thiết bị phù hợp mục đích. Không thể chỉ tắt mọi đầu ra phụ bằng một lời khẳng định; giải pháp cần có tác dụng cụ thể và vẫn đáp ứng chức năng, độ an toàn của thiết bị.

Khi đọc bảng, kiểm tra đơn vị J, xác định tổng và phần, rồi xem các số có phù hợp bảo toàn không. Nếu tổng đầu ra lớn hơn đầu vào mà không có nguồn hay năng lượng tích trữ ban đầu nào khác, bảng đang thiếu hoặc sai dữ liệu. Cách giải thích phải nêu giả thiết thay vì dùng bảo toàn như khẩu hiệu không gắn với hệ được xét.

Nguồn năng lượng tái tạo được tự nhiên bổ sung trong khoảng thời gian phù hợp với việc sử dụng của con người, như ánh sáng Mặt Trời, gió và dòng nước trong chu trình nước. Nguồn không tái tạo như than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên hình thành rất lâu; lượng dùng đi không được bù lại nhanh ở quy mô thời gian đời người.

Năng lượng Mặt Trời có thể được dùng để làm nóng nước hoặc tạo điện bằng thiết bị phù hợp. Gió có thể làm quay turbine phát điện; nước ở vị trí cao có thể vận hành thủy điện. Các nguồn này phụ thuộc điều kiện tự nhiên và thiết kế. Không có ánh nắng ban đêm tại một nơi không có nghĩa năng lượng Mặt Trời đã hết trên toàn Trái Đất.

Tái tạo không đồng nghĩa với luôn sẵn có ở mọi lúc hoặc hoàn toàn không tác động môi trường. Gió thay đổi, ánh nắng phụ thuộc ngày đêm và thời tiết, dòng nước biến động theo mùa. Xây dựng thiết bị, khai thác vật liệu và bố trí công trình cũng có thể ảnh hưởng môi trường. Cần dùng phù hợp và phối hợp các giải pháp thay vì coi một nguồn là đáp án cho mọi nơi.

Sinh khối như một số vật liệu có nguồn gốc sinh vật có thể là nguồn tái tạo khi được tạo lại và quản lí bền vững. Nếu chặt cây nhanh hơn tốc độ phục hồi hoặc phá nơi sống, không thể chỉ gọi là “tái tạo” để biện minh. Với học sinh, điều quan trọng là hiểu thời gian bổ sung nguồn và hệ quả của cách sử dụng.

Tiết kiệm năng lượng là dùng hợp lí để đáp ứng nhu cầu với ít lãng phí hơn. Tắt thiết bị khi không cần, tận dụng ánh sáng tự nhiên phù hợp, chọn chế độ vận hành hợp lí và bảo dưỡng thiết bị đều có thể giúp. Không tiết kiệm bằng cách học trong ánh sáng thiếu, bỏ thông gió cần thiết hoặc tự sửa thiết bị điện nguy hiểm.

Một kế hoạch nên có số liệu ban đầu, việc làm cụ thể và cách đánh giá. Ví dụ, theo dõi thời gian đèn bật ở phòng trống rồi giảm phần không cần thiết. Khi bài cho mức dùng theo mỗi giờ, nhân với thời gian để tính tổng theo đúng đơn vị đã nêu. Sau thực hiện, so sánh trong điều kiện tương tự và ghi cả các yếu tố làm nhu cầu thay đổi.