Mục lục bài họcĐang ở d06-b4
Efficiency, Waste Heat, and Doing the Numbers
Efficiency is multiplied, not added
Every conversion step keeps only a fraction of what enters it, and the fractions multiply. Burn fuel at a plant ($35\%$ to electricity), send it down the wires ($94\%$ arrives), then run an incandescent bulb ($5\%$ becomes light):
$$0{,}35 \times 0{,}94 \times 0{,}05 \approx 0{,}017$$Under $2\%$ of the fuel's energy becomes light. The second law of thermodynamics guarantees that the remainder leaves as low-grade waste heat — it cannot be recovered as work.
The unit conversions the exam requires
- $1 \text{ kWh} = 3{,}6 \text{ MJ} = 3{,}6 \times 10^{6} \text{ J}$
- $1 \text{ W} = 1 \text{ J/s}$, so $\text{kWh} = \text{kW} \times \text{h}$
- $1$ year $= 8\,760$ hours; $1$ metric ton $= 1\,000$ kg
Conservation beats generation
Cogeneration (CHP) captures the waste heat for buildings or industry and lifts total useful output to roughly $80\%$. CAFE standards set fleet fuel economy for vehicles. LEDs use about one-sixth the electricity of an incandescent bulb for the same light. Insulation, sealed ducts and passive solar design cut demand before any generator is built — and a kilowatt-hour never used needs no fuel, no transmission line and no waste heat.
Payback period is the standard way to compare: $\text{payback} = \dfrac{\text{cost}}{\text{savings per unit time}}$.
Hiệu suất được NHÂN vào nhau, không cộng. Mỗi khâu chuyển hoá chỉ giữ lại một phần những gì đi vào nó, và các phần ấy nhân với nhau. Đốt nhiên liệu ở nhà máy ($35\%$ thành điện), truyền tải trên đường dây ($94\%$ tới nơi), rồi thắp bóng sợi đốt ($5\%$ thành ánh sáng):
$$0{,}35 \times 0{,}94 \times 0{,}05 \approx 0{,}017$$Chưa tới $2\%$ năng lượng của nhiên liệu trở thành ánh sáng. Định luật hai nhiệt động lực học bảo đảm phần còn lại thoát ra dưới dạng nhiệt thải chất lượng thấp, và không có cách nào thu nó lại thành công cơ học.
Bốn mốc đổi đơn vị bắt buộc thuộc lòng — thiếu một mốc là hỏng cả bài tính:
- $1 \text{ kWh} = 3{,}6 \text{ MJ} = 3{,}6 \times 10^{6} \text{ J}$
- $1 \text{ W} = 1 \text{ J/s}$, do đó $\text{kWh} = \text{kW} \times \text{giờ}$
- một năm có $8\,760$ giờ
- một tấn $= 1\,000$ kg
Tiết kiệm thắng phát điện. Đồng phát nhiệt điện thu lại nhiệt thải để sưởi hoặc cấp cho công nghiệp, đưa tổng phần hữu ích lên khoảng $80\%$. Chuẩn CAFE quy định mức tiêu thụ nhiên liệu bình quân đội xe. Đèn LED dùng khoảng một phần sáu điện năng của bóng sợi đốt cho cùng lượng sáng. Cách nhiệt, bịt kín ống gió và thiết kế thụ động cắt nhu cầu trước khi phải xây thêm bất kỳ nhà máy nào — và một kilôoát giờ không bao giờ được dùng thì không cần nhiên liệu, không cần đường dây, không sinh nhiệt thải.
Thời gian hoàn vốn là cách so sánh chuẩn trong đề tự luận: $\text{hoàn vốn} = \dfrac{\text{chi phí}}{\text{tiền tiết kiệm mỗi đơn vị thời gian}}$.
Một ngôi nhà dùng $2\,400$ kWh điện sưởi mỗi mùa đông. Lắp thêm cách nhiệt mái giá $1\,150$ đô la cắt được $30\%$ lượng điện sưởi. Giá điện $0{,}16$ đô la mỗi kWh. Tính thời gian hoàn vốn, và tính lượng $\text{CO}_2$ tránh được mỗi mùa nếu điện lấy từ than ($0{,}95$ kg $\text{CO}_2$/kWh).
Bước 1 — điện tiết kiệm mỗi mùa.
$$2\,400 \times 0{,}30 = 720 \text{ kWh mỗi mùa}$$Bước 2 — quy ra tiền.
$$720 \times 0{,}16 = 115{,}20 \text{ đô la mỗi mùa}$$Bước 3 — hoàn vốn.
$$\frac{1\,150}{115{,}20} \approx 9{,}98 \approx 10 \text{ mùa đông}$$Bước 4 — $\text{CO}_2$ tránh được.
$$720 \times 0{,}95 = 684 \text{ kg } \text{CO}_2 \text{ mỗi mùa}$$Nhận xét cần viết vào bài tự luận: mười mùa đông là dài so với thói quen tài chính hộ gia đình, nhưng lớp cách nhiệt có tuổi thọ vài chục năm, nên sau mốc hoàn vốn nó tiếp tục sinh lợi mà không cần bảo trì. Đây là chỗ đề AP muốn thấy học viên so tuổi thọ công trình với thời gian hoàn vốn, chứ không chỉ nêu ra một con số.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 6 — Energy Resources and Consumption gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.