Nội dung chuyên đề năng lượng - Bài tập Cơ Nhiệt | Trường Đại học Khánh Hòa

I. Nội dung kiến thức: Năng lượng (7 tiết)
1.1. Khái niệm về năng lượng
- Năng lượng là một dạng vật chất có khả năng sinh công, bao gồm nguồn năng
lượng sơ cấp: than, dầu, khí đốt và nguồn năng lượng thứ cấp là nhiệt năng,
điện năng được sinh ra thông qua quá trình chuyển hóa năng lượng sơ cấp.
- Phần lớn năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống trên trái đất đều có
nguồn gốc từ năng lượng mặt trời (NLMT). Vòng tuần hoàn nước bắt đầu khi
NLMT làm bốc hơi nước từ ao, hồ, sông, suối và biển cả. Bằng cách đó, năng
lượng bức xạ được chuyển thành thế năng của các đám mây. Thế năng của nước
lại được chuyển thành động năng khi mưa rơi.
- Năng lượng trong vũ trụ là có hạn, chúng ta không thể tạo ra hoặc tiêu hủy
chúng mà chỉ có thể chuyển đổi hoặc biến đổi nó.
- Năng lượng giữ vai trò rất quan trọng trong hoạt động sống của con người.
1.2. Lịch sử sử dụng năng lượng
- Thời cố xưa, người nguyên thủy chỉ dùng sức mạnh của cơ bắp để sản sinh ra
năng lượng cho cuộc sống, năng lượng này do thức ăn cung cấp. Giai đoạn hái
lượm, mức tiêu thụ năng lượng của con người vào khoảng 2000 kcalo/người/ngày.
- Phát minh đầu tiên về năng lượng của con người chính là lửa.
- Sau khi phát hiện ra lửa và cải biến công cụ săn bắn các thú lớn thì năng lượng
mà con người tiêu thụ được từ thức ăn là 4000 – 5000 kcalo/người/ngày.
- Đến cuộc cách mạng nông nghiệp thời kì đồ đá mới thì năng lượng tự nhiên
bắt đầu được khai thác là sức nước và sức gió, đốt than củi để lấy nhiệt năng.
- Khoảng 5000 năm trước Công nguyên, người Trung Quốc đã phát hiện ra năng lượng từ trường.
- Khoảng 1000 năm trước Công nguyên, cũng người Trung Quốc tìm ra than.
- Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời, đã được khai thác
bởi con người từ thời cổ đại. Ngày nay năng lượng mặt trời được chuyển hóa
thành điện mặt trời và sử dụng rộng rãi trong cuộc sống.
- Vào thế kỉ thứ 17, người Anh đã bắt đầu tự khai thác than và cung cấp cho các
nước khác trên thế giới
1.3. Phân loại năng lượng
Tùy theo tiêu chí, có các cách phân loại:
1.3.1. Theo nguồn gốc tạo ra năng lượng:
Các loại năng lượng này được phân loại theo nguồn tạo ra chúng: - Cơ năng - Quang năng - Hóa năng - Nhiệt năng
- Điện năng - Vật lý hạt nhân
1.3.2. Theo lịch sử sử dụng năng lượng:
- Năng lượng truyền thống là năng lượng đã được sử dụng từ lâu, bao gồm:
+ Năng lượng hóa thạch (khí tự nhiên, dầu mỏ, than đá,..) + Năng lượng sinh khối.
Từ các phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, lá cây, bã mía, phân gia súc
dùng sản xuất biogas, sản xuất methanol, etanol từ sinh khối,…
Đây là dạng năng lượng gián tiếp được khai thác tương đối có hiệu quả ,
là sự chuyển đổi khí sinh học từ các chất thải động vật và thực vật.
Lợi ích của sự chuyển đổi này là giảm sử dụng trực tiếp gỗ, giảm phá
rừng, đảm bảo vệ sinh môi trường. Phế liệu còn lại sau quá trình chuyển
đổi dùng làm phân bón hữu cơ có chất liệu tốt. Ưu điểm:
 Năng lượng sinh khối làm giảm đi sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch.
 Năng lượng sinh khối làm giảm phát sinh thải khí nhà kính, giảm
thiểu đáng kể các vấn đề về ô nhiễm và quản lý về chất thải.
 Năng lượng sinh khối sử dụng nhiều loại cây trồng khác nhau hỗ
trợ người nông dân trong nông nghiệp.
 Sản xuất các chất hay nhiên liệu thay thế sạch hơn và tái tạo mới
cho dầu thô và các nhiên liệu hóa thạch thông thường.  Nhược điểm:
 Các dạng năng lượng sinh khối rắn có hàm lượng năng lượng thấp
hơn hẳn so với các dạng nhiên liệu hóa thạch.
 Nhiên liệu hóa thạch được dùng để sản xuất nhiên liệu sinh học
chiếm một lượng lớn trong đất đai. Làm giảm lượng đất có sẵn
trong sản xuất nông nghiệp và thực phẩm.
- Năng lượng mới: là loại năng lượng được khai thác, sử dụng với quy mô
thương mại trong thời gian gần đây, gồm có:
+ Năng lượng mặt trời: Là dạng năng lượng đến từ dòng bức xạ điện từ của mặt
trời và một nguồn năng lượng nhỏ của các hạt nguyên tử khác được tạo ra từ ngôi sao.
 Nguồn gốc của năng lượng mặt trời là do các phản ứng nhiệt hạch xảy ra
liên tiếp trong lòng mặt trời ở nhiệt độ rất cao, các phản ứng này phát ra
năng lượng dưới các dạng bức xạ nhiệt, quang và các hạt mang
điện,..năng lượng mà trái đất nhận được từ mặt trời là rất nhỏ.
 Ưu thế của năng lượng này là: vô tận và sạch. Năng lượng gần như không
có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường. Việc sử dụng năng lượng môi
trường không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phần vào vấn
đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính.
 Nhược: Sự biến thiên của năng lượng này là theo ngày và mùa, theo khí
hậu và vị trí của trái đất đối với mặt trời.
 Được chia thành 2 dạng:
 Năng lượng trực tiếp là dòng năng lượng trực tiếp, có thể sử dụng
để sản xuất ra nhiệt hay năng lượng thứ cấp như điện, nhiên liệu tổng hợp,..
 Năng lượng gián tiếp của bức xạ mặt trời là gió, sóng biển, thủy
triều và chuyển đổi năng lượng sinh học.
 Hiện nay, năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến dưới hai dạng là
nhiệt và điện. Trong công nghiệp, dạng năng lượng này được sử dụng với
nhiều công dụng khác nhau như: sản xuất pin quang điện, đun nước, làm
khô nông sản, cung cấp điện cho một số máy móc, thiết bị,…
+ Năng lượng gió: Là dạng năng lượng được tạo nên từ động năng do sự chuyển
động của các luồng không khí trong khí quyển. Các luồng gió thổi đều đặn là
nguồn năng lượng giúp làm quay tuabin, phục vụ cho hoạt động sản xuất điện
hoặc hỗ trợ vận hành cho một số loại máy móc – thiết bị.
 Được sử dụng rộng rãi
 Người Ai cập đã biết sử dụng cối xay gió từ 3.000 năm trước Công
nguyên. Là nguồn năng lượng tái tạo và không phát thải, rất thích hợp
cho việc sản xuất quy mô lớn. Năng lượng gió đóng một vai trò quan
trọng trên con đường hướng tới một tương lai không có carbon.  Ưu điểm:
 Có tính bền vững, trữ lượng vô hạn.
 Là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.
 Chi phí hoạt động thấp.
 Là nguồn năng lượng nội địa dồi dào, giúp hạn chế sự phụ thuộc
vào nguồn cung cấp ngoại địa như năng lượng không tái tạo.
 Tuabin gió có thể được xây dựng trên các trang trại hoặc trại chăn
nuôi hiện có, tạo điều kiện thuận lợi cho con người tiếp tục làm việc trên đó.
 Tăng trưởng nhanh với tiềm năng lớn, giá thành vật liệu đang
giảm, và công nghệ hiện đại.  Nhược điểm:
 Nhược điểm lớn nhất đó là nó không liên tục. Vì điện có thể được
sản xuất và cung cấp đầy đủ khi gió đủ mạnh.
 Các tuabin gió có thể làm ảnh hưởng đến động vật địa phương, gây
tiếng ồn và ảnh hưởng mỹ quan.
 Phụ thuộc nhiều vào yếu tố thời tiết, những cơn bão có thể gây ra những nguy hiểm.
 Điện gió vẫn phải đang cạnh tranh với các nguồn phát điện thông
thường trên cơ sở chi phí.
+ Năng lượng địa nhiệt: Là năng lượng được lấy ra từ tâm của Trái Đất, được
khai thác dưới 2 dạng phổ biến là điện và nhiệt. Là nguồn năng lượng vô cùng
thân thiện với môi trường. Tại một số quốc gia trên thế giới như Pháp, Mỹ,
Nhật,..dạng năng lượng này được khuyến khích khai thác và sử dụng. Ở nước
ta, đã có nhà máy nhiệt điện nhưng hoạt động khai thác để sử dụng chưa thực sự được phổ biến.  Ưu điểm:
 Địa nhiệt là nguồn năng lượng tái tạo vô tận lấy từ nhiệt của trái đất.
 Là nguồn năng lượng sạch,chỉ thải ra hơi nước, bền vững và thân thiện với môi trường.  Hiệu quả kinh tế cao
 Các nhà máy có tuổi thọ vài thập kỉ nếu quản lý đúng cách, không
gian xây dựng nhỏ hơn so với các nhà máy điện khác.
 Hệ thống khai thác không phụ thuộc vào sự thay đổi của thời tiết và khí hậu.
 Thích ứng và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau sửa ấm, làm
mát và cung cấp năng lượng cho các quy trình công nghiệp.  Nhược điểm:
 Hoạt động bơm nước dễ gây ra các chấn động nhỏ trên bề mặt trái đất.
 Dễ xảy ra các hiện tượng sụt lún, tạo vết nứt ngầm, làm hư hỏng
đường ống, phố xá hay hệ thống thoát nước tự nhiên.
 Thải ra lượng nhỏ khí nhà kính như H2S hay CO2. Nước dễ bị ô
nhiễm bởi nhiều nguyên tố độc hại khi hệ thống địa nhiệt không
được cách nhiệt đúng cách.
+ Năng lượng đại dương: Đại dương có thể sản sinh ra hai loại năng lượng,
năng lượng nhiệt từ sức nóng của mặt trời và năng lượng cơ học từ thủy triều và sóng biển.
 Năng lượng nhiệt đại dương: Hoạt động dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ
giữa vùng nước lạnh sâu và vùng nước ấm trên mặt biển để chạy một
động cơ sản xuất ra điện.
 Năng lượng cơ học: Được tạo ra từ thủy triều và sóng.
 Ưu điểm: là một dạng năng lượng sạch và tiềm năng lớn.  Nhược điểm:
 Chi phí hoạt động rất cao
 Việc xây dựng ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển.
+ Năng lượng hạt nhân: là công nghệ hạt nhân dùng để tách các năng lượng hữu
ích từ hạt nhân nguyên tử trong các lò phản ứng hạt nhân được kiểm soát (là
năng lượng thu được trong một phản ứng hạt nhân). Dạng năng lượng này ít phụ
thuộc vào điều kiện tự nhiên cũng như vị trí địa lý. Năng lượng hạt nhân yêu
cầu trình độ kỹ thuật cao và có khả năng gây ra các rủi ro lớn khi gặp sự cố. Do
vậy, chúng ít được khuyến khích khai thác.
 Năng lượng phân hạch hạt nhân
 Năng lượng tổng hợp hạt nhân.  Ưu điểm:
 Tạo ra nguồn năng lượng lớn
 Là nguồn năng lượng xanh: không tạo ra các khí thải nhà kính.
 Không làm ô nhiễm không khí: sản xuất hạt nhân không thải ra
khói, vì thế không gây ô nhiễm không khí trực tiếp, tuy nhiên, xử
lý chất thải phóng xạ là một vấn đề lớn hiện nay.
 Nhiên liệu độc lập. Lò phản ứng hạt nhân sử dụng Uranium nhiên
liệu. Hiện nay, nguồn dự trữ Uranium được tìm thấy trên trái đất dự
kiến sẽ đáp ứng nhu cầu trong 100 năm nữa. Sử dụng năng lượng
này có thể làm cho nhiều quốc gia có thể độc lập về năng lượng và
không phụ thuộc vào việc khai thác những nhiên liệu như than đá.
 Việc vận hành nhà máy đòi hỏi rất ít nhân lực.  Nhược điểm:
 Bức xạ: sự giải phóng ngẫu nhiên các bức xạ là nhược điểm lớn
nhất của năng lượng hạt nhân. Quá trình phân hạch giải phóng bức
xạ, nhưng chúng được kiểm soát trong một lò phản ứng hạt nhân.
Nếu các biện pháp an toàn không được đảm bảo, các bức xạ có thể
tiếp xúc với môi trường, dẫn đến những ảnh hưởng nghiêm trọng
đối với hệ sinh thái và con người.
 Không thể tái tạo: các lò phản ứng phụ thuộc vào Uranium, là
nguồn nhiên liệu có thể cạn kiệt.
 Năng lượng này có thể sử dụng cho sản xuất và phổ biến vũ khí hạt
nhân. Đó là mối đe dọa lớn đối với thế giới. Tác động của chúng có
thể ảnh hưởng tới nhiều thế hệ.
 Chất thải hạt nhân: các chất thải sau phản ứng phân hạch có chứa
những nguyên tố không ổn định và phóng xạ cao.
 Có khả năng xảy ra các rủi ro, gây ảnh hưởng đến môi trường, dẫn
đến những thiệt hại về người, thiên nhiên và đất đai.
1.3.3. Theo khả năng tái tạo:
- Năng lượng không tái tạo là những nhiên liệu hóa thạch, dạng năng lượng này
có giới hạn và không có khả năng tái tạo. Vì vậy, hiện nay các ngành công
nghiệp thường có xu hướng chuyển sang dùng các dạng năng lượng hiệu quả
hơn và có khả năng bảo vệ môi trường tốt hơn. gồm: + than + dầu
+ Khí thiên nhiên: bao gồm khí tự nhiên và khí đồng hành (là phần nhẹ nhất của
dầu thô), gồm metan dạng paraffin đơn giản (CH4), propane (C3H8), butane
(C4H10) và một số khí khác dạng vết. + Năng lượng hạt nhân
- Năng lượng tái tạo: Hay còn gọi là năng lượng tái sinh, năng lượng sạch. Đây
là dạng năng lượng được sinh ra từ những nguồn năng lượng vô hạn như: mặt
trời, địa nhiệt, sóng, gió,… Hiện nay, do ảnh hưởng của môi trường mà các
quốc gia khuyến khích ngành công nghiệp nên sử dụng năng lượng tái tạo thay
vì sử dụng các nguồn năng lượng hữu hạn như hóa thạch, than, dầu mỏ,… + Năng lượng mặt trời + Năng lượng gió
+ Năng lượng đại dương + Năng lượng sinh khối
1.3.4. Theo mức độ ô nhiễm môi trường:
- Năng lượng sạch như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều.
- Năng lượng gây ô nhiễm môi trường như năng lượng hóa thạch (là dạng năng
lượng được sinh ra từ nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ,..)
1.4. Đặc trưng của năng lượng
- Mọi vật đều cần năng lượng để hoạt động. Các hoạt động này (thay đổi chuyển
động hoặc biến dạng của vật) có được là do có tác dụng lực giữa các vật.
- Năng lượng đặc trưng cho khả năng tác dụng lực.
1.5. Định luật bảo toàn năng lượng
1.5.1 Sự chuyển hóa giữa các dạng năng lượng
1.5.1.1 Khái niệm về chuyển hóa năng lượng
- Chuyển hóa năng lượng là quá trình biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác.
- Ví dụ về chuyển hóa năng lượng:
+ Quá trình chuyển đổi năng lượng trong một nhà máy điện đốt than:
+) Quá trình chuyển đổi năng lượng trong oto
1.5.1.2 Các chuyển đổi năng lượng khác
- Chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng: nhiệt điện
- Chuyển đổi nhiệt năng → cơ năng: động cơ nhiệt,..
- Chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng: năng lượng đại dương
- Chuyển đổi thế năng trọng trường thành điện năng: đập thủy điện
- Chuyển đổi động năng hoặc Công cơ học thành điện năng: máy phát điện
- Chuyển đổi hóa năng thành năng lượng điện: pin,..
- Chuyển đổi năng lượng hóa học thành nhiệt năng và quang năng: lửa
- Chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng và quang năng: đèn điện
- Chuyển đổi động năng thành nhiệt năng: ma sát,..
- Chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng: lò sưởi điện
1.5.2 Định luật bảo toàn năng lượng
- Con người khai thác năng lượng từ dòng nước chảy và thác nước để làm thủy
điện. Cây cỏ qua quá trình quang hợp, sử dụng năng lượng mặt trời tạo ra sinh
khối cho mình và nguồn thực phẩm cho các sinh vật khác, như vậy, năng lượng
mặt trời được chuyển thành năng lượng hóa học trong nhiên liệu hóa thạch,…
- Nội dung định luật: Năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên
mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác.
1.6. Sử dụng năng lượng
1.6.1 Thực trạng năng lượng toàn cầu
- Ngành năng lượng toàn cầu đang lâm vào tình trạng khó khăn.
+ Tại châu Âu, tình hình thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng bắt đầu nổi lên từ
đầu tháng 9/2021, khi lượng khí đốt dự trữ trong khu vực xuống thấp nhưng
nguồn cung khí đốt cung cấp từ một số quốc gia, đặc biệt từ Nga, Na Uy bị hạn
chế, giá xăng tăng vọt (Mỹ).
+ Tại châu Á, giá khí đốt và điện tăng cao kỷ lục. Sản lượng khai thác khí đốt
và dầu mỏ đều giảm mạnh.
+ Trung Quốc: các công ty điện đã chuyển sang dùng khí tự nhiên hóa lỏng, đẩy
giá khí tăng vọt theo giá than. 2/3 các khu vực trên khắp Trung Quốc phải hạn
chế sử dụng điện. Do thời tiết khắc nhiệt nên nhiều mỏ than đã phải đóng cửa,
các đập thủy điện mở Vân Nam cũng gặp khó khăn do tình hình hạn hán trong nhiều năm.
+ Ấn Độ: vô cùng lo ngại về tình trạng thiếu điện và mất điện bất cứ lúc nào.
- Tại Việt Nam, nguồn tài nguyên năng lượng ngày một cạn kiệt, Việt Nam từ
một nước xuất khẩu tịnh năng lượng trong nhiều năm, đã trở thành nước nhập
khẩu tịnh năng lượng từ năm 2015.
- Nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên thế giới tiếp tục tăng.
+ Theo dự báo của Cơ quan thông tin về năng lượng (EIA) vào năm 2004, trong
vòng 24 năm (2001 - 2025) mức tiêu thụ năng lượng trên thế giới có thể tăng
thêm 54%, mà chủ yếu rơi vào các quốc gia có nền kinh tế đang phát triwwnr
mạnh mẽ như Trung Quốc hay Ấn Độ.
+ Hiện nay, mức độ tiêu thụ trung bình năng lượng của một người trên thế giới khoảng 200.000 kcal/ngày.
+ Theo tính toán, mức gia tăng tiêu thụ năng lượng thường có giá trị gấp hơn
hai lần mức gia tăng thu nhập GDP. Cùng với sự phát triển, cơ cấu tiêu dùng
năng lượng sinh khối cổ truyền sang năng lượng thương mại (điện, than, khí đốt,…). 1.6.2 Giải pháp
- Dự thảo những chiến lượng quốc gia về năng lượng thật rõ ràng trong tương lại.
- Hạn chế sử dụng các loài nhiên liệu hóa thạch, sự lãng phí trong việc phân
phối năng lượng và ô nhiễm môi trường trong việc sản xuất năng lượng thương mại.
- Sử dụng năng lượng có hiệu quả cao hơn nữa ở gia đình, các khu công nghiệp,
các công trình công cộng và giao thông. Cần tiết kiệm trong khâu sử dụng, đặc
biệt là sử dụng điện. Đây là giải pháp đầu tư rẻ nhất, vì theo ước tính của các
chuyên gia năng lượng thì chi phí để tiết kiệm 1 kWh chỉ bằng ¼ chi phí để sản xuất thêm 1 kWh đó.
- Tăng cường khai thác tiềm năng trong khâu cung cấp năng lượng, đó là: sử
dụng công nghệ có hiệu suất cao hơn. Đồng thời, tăng cường ứng dụng công
nghệ mới trong quản lý vận hành hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối,
nhằm giảm thiểu hơn nữa tổn thất điện năng trên lưới điện.
- Chú trọng phát triển nguồn năng lượng tái tạo sẵn có trong nước, đặc biệt là
nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió. Đối với nguồn năng lượng mặt trời,
cần tăng phát triển dự án pin mặt trời, góp phần giảm gánh nặng cho ngành điện.
- Phát động các chiến dịch tuyên truyền quảng cáo để đẩy mạnh hoạt động tiết
kiệm năng lượng và bán các sản phẩm tiêu thụ ít năng lượng.
II. Thảo luận: Xây dựng và tổ chức thực hiện một số kế hoạch bài học theo
chủ đề (3 tiết)
2.1 Bài 41: Năng lượng
2.2 Bài 42: Bảo toàn năng lượng và sử dụng năng lượng