Như các bạn đã biết, vật lý là môn học bắt buộc trong chương trình giáo dục cơ sở và phổ thông tại Việt Nam. Môn học này sẽ giúp cho các bạn hiểu rõ hơn các hiện tượng vật lý và ứng dụng nó vào đời sống. Thông qua môn học này các bạn sẽ tự mình lý giải được các hiện tượng xảy ra hằng ngày và đây cũng là môn học nền tảng cho các ngành điện tử ở bậc học cao hơn.
Trong bài viết này tôi sẽ nhắc lại khái niệm và công thức tính hiệu suất vật lý mà các bạn đã được học ở cấp 2, cấp 3. Ngoài ra tôi cũng sẽ liên hệ với các lĩnh vực khác cũng áp dụng kiến thức hiệu suất này để đánh giá công việc. Nào chúng ta cùng nhau bắt đầu nhé!
Mục Lục Bài Viết
- 1. Nhắc lại công thức tính hiệu suất vật lý đã học
- 2. Vận dụng công thức tính hiệu suất vật lý để tính hiệu suất trong lĩnh vực điện
- 3. Khái niệm hiệu suất còn xuất hiện ở đâu ?
- 3.1 Lĩnh vực hoá học để tính hiệu suất phản ứng hoá học
- 3.2 Tính PUE trong quản lý data center
- 4. Tổng kết về bài viết “công thức tính hiệu suất vật lý”
1. Nhắc lại công thức tính hiệu suất vật lý đã học
Trong chương trình vật lý lớp 8 các bạn đã được làm quen với việc tính toán hiệu suất. Cụ thể là cách tính công có ích và công tổn thất và suy ra được hiệu suất sử dụng công một cách hiệu quả. Bên dưới là công thức tính tỷ số giữa công có ích và công tổn thất mà chắc hẳn các bạn vẫn còn nhớ:
Ta có A1 gọi là công bỏ ra, A là công toàn phần và H là hiệu suất sử dụng. Từ đó ta có công thức như sau:
H = A1 ÷ A
Tuy nhiên làm thế nào để xác định được A1 và A ? Chúng ta cùng nhớ lại cách tính công và ứng dụng của nó vào tính bài toán ròng rọc. Khi chúng ta kéo một vật nặng (P) lên chiều cao (h) thì phải sử dụng một lực hay một công có ích A1. Từ đó ta có công thức:
A1 = P × h
Công toàn phần được tính bằng cách nhân lực toàn phần tác động vào vật để vật di chuyển quãng đường (s). Ta có:
A = F × s
Để dễ hiểu hơn thì tôi sẽ đưa ra một ví dụ cụ thể để các bạn tham khảo như sau:
Giả sử chúng ta có một vật nặng 100N và cần sử dụng ròng rọc để kéo chúng lên cao 20m. Chúng ta sử dụng một lực 150N thì hiệu suất sử dụng của ròng rọc là bao nhiêu ?
Áp dụng các công thức ở trên chúng ta có:
A = 150 × 40 = 6000 (J)
A1 = 100 × 20 = 2000 (J)
H = A1 ÷ A = 2000 ÷ 6000 = 0,33333
Quy đổi sang % thì bằng 33,3%. Điều này có nghĩa là hiệu suất sử dụng ròng rọc chỉ có 33,3%. Vậy đồng nghĩa với việc chúng ta chưa sử dụng ròng rọc hiệu quả hay chưa sử dụng hết hiệu suất tối đa của ròng rọc. Do chúng ta đã bỏ ra lực nhiều hơn so với công làm việc của ròng rọc. Có nghĩa là chúng ta bỏ sức kéo ra quá nhiều trong khi ròng rọc có thể làm việc được nhiều hơn.
Để tối ưu được hiệu suất này chúng ta cần bỏ sức ra ít hơn và tận dụng tối đa khả năng làm việc của ròng rọc. Khi đó hiệu suất sẽ được cải thiện và chúng ta sẽ đỡ mệt hơn.
2. Vận dụng công thức tính hiệu suất vật lý để tính hiệu suất trong lĩnh vực điện
Nếu các bạn đã hiểu được hiệu suất và hiểu được cách tính hiệu suất vật lý rồi thì nó rất có ích để ứng dụng vào lĩnh vực điện. Vì nếu tận dụng được tối đa hiệu suất làm việc của máy móc thì sẽ tạo ra năng suất cao hơn, ít hao phí hơn. Nếu một nhà máy sản xuất áp dụng tốt thì sẽ mang lại nhiều giá trị hơn.
Một ví dụ dễ thấy nhất của hiệu suất ứng dụng trong lĩnh vực điện là tính điện năng tiêu thụ có ích trên tổng điện năng tiêu thụ. Trong đó sẽ phát sinh điện năng tổn thất hay công tổn thất. Chúng ta có công thức sau:
H = E1 ÷ E
Trong đó:
- E1: điện năng có ích
- E: tổng điện năng sử dụng
- H: hiệu suất
Ngoài ra trong lĩnh vực điện sử dụng khái niệm: công suất hiệu dụng, công suất phản kháng, công suất toàn phần. Mỗi liên hệ giữa 3 đại lượng này cũng gần giống như việc tính hiệu suất sử dụng. Chúng ta có hệ số công suất là mối liên hệ giữa công suất hiệu dụng trên công suất toàn phần.
Hệ số công suất = P ÷ S
P: công suất hiệu dụng (công suất thực)
S: công suất toàn phần
Q: công suất phản kháng (hao phí)
Như vậy để sử dụng công suất hiệu quả hay hiệu suất sử dụng tối đa thì chúng ta phải giảm đi công suất hao phí và đảm bảo rằng công suất thực gần bằng với tổng công suất bỏ ra. Hệ số công suất tối đa là 1 tương đương 100%.
3. Khái niệm hiệu suất còn xuất hiện ở đâu ?
Có thể nói hiệu suất là khái niệm được nhắc đến rất nhiều và được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Công thức tính hiệu suất vật lý là nền tảng để chúng ta áp dụng nó vào lĩnh vực khác. Khi hiểu được đúng và đầy đủ ý nghĩa của nó thì việc áp dụng rất đơn giản. Dưới đây là một số lĩnh vực ứng dụng cách tính hiệu suất mà tôi đã từng áp dụng.
3.1 Lĩnh vực hoá học để tính hiệu suất phản ứng hoá học
Trong lĩnh vực hoá học, để đánh giá phản ứng hoá học thành công hay không sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Một trong số yếu tố quan trọng nhất chính là đảm bảo cho khối lượng sau khi xảy ra phản ứng hoá học vẫn còn nguyên vẹn như khối lượng ban đầu trước phản ứng. Khi đó chúng ta mới đánh giá hiệu suất của quá trình phản ứng hoá học đó.
Công thức tính hiệu suất của phản ứng hoá học các bạn cũng đã được học trong SGK. Tôi sẽ nhắc lại một cách tổng quát như sau:
“Hiệu suất phản ứng hoá học là đại lượng được đo lường bằng tỷ số giữa khối lượng thực tế so với khối lượng lý thuyết ban đầu. Hiệu suất phản ứng hoá học được tính theo đơn vị %”
Công thức tính hiệu suất của phản ứng hoá học như sau:
H = (Mtt ÷ Mlt) × 100
Trong đo:
H là hiệu suất
Mtt là khối lượng thực tế
Mlt là khối lượng lý thuyết
Để các bạn dễ hình dung hơn, tôi sẽ lấy một ví dụ như sau:
Đun nóng 0,8 mol CaCO3 và thu được 0,6 mol CaO. Hỏi hiệu suất của phản ứng là bao nhiêu ?
Bài giải: H = (0,6 ÷ 0,8) × 100 = 75%
Như vậy phản ứng hoá học này chỉ đạt hiệu suất 75% mà thôi.
3.2 Tính PUE trong quản lý data center
PUE là viết tắt của cụm từ Power Usage Effectiveness có nghĩa là hiệu quả sử dụng điện năng. Thuật ngữ này được sử dụng nhiều trong trung tâm dữ liệu – Datacenter. Công thức tính PUE như sau:
PUE = P1 ÷ P2 = (Total Facility Power) ÷ (IT Equipment Power)
Trong đó: P1 là tổng công suất tiêu thụ của toàn bộ trung tâm dữ liệu (IDC) được tính theo đơn vị kWh bao gồm: toàn bộ tải IT; tải thiết bị hệ thống điện: hệ thống làm mát; hệ thống phụ trợ khác (chiếu sáng, PCCC…).
P2 là tổng công suất tiêu thụ của riêng các thiết bị IT được tính theo đơn vị kWh như: các thiết bị máy chủ, thiết bị mạng và các thiết bị hỗ trợ như monitor, KVM, laptop, PC….
Việc đo lường chỉ số kWh của các hệ thống điện trong IDC sẽ được thực hiện tự động bằng đồng hồ đo điện năng 3 pha. Và các đồng hồ này sẽ đưa tín hiệu Modbus về phần mềm giám sát tập trung DCIM, BMS để tính toán tự động hàng tháng. Các bạn có thể tham khảo loại đồng hồ đo điện 3 pha theo link bên dưới:
PUE được coi là lý tưởng khi nó bằng 1. Điều này có nghĩa là công suất tiêu thụ của thiết bị IT sẽ bằng với tổng công suất toàn bộ IDC. Tuy nhiên trên thực tế chỉ số PUE tốt nhất nằm trong khoảng từ 1.2 – 1.5 mà thôi. Khi chỉ số PUE > 1.5 có nghĩa là IDC sử dụng điện chưa hiệu quả và phải tìm phương án khác để tiết kiệm năng lượng hơn.
Đây cũng là một ví dụ rất gần với công thức tính hiệu suất vật lý mà tôi đã đề cập ở đầu bài viết. Hiệu suất ở đây là chỉ số PUE của trung tâm dữ liệu. Hiệu suất sử dụng điện của IDC sẽ tốt nhất nếu nó bằng 1.
4. Tổng kết về bài viết “công thức tính hiệu suất vật lý”
Tóm lại qua bài viết này, các bạn sẽ được ôn lại một số công thức tính hiệu suất đã học trong sách giáo khoa như: vật lý và hoá học. Từ đó các bạn sẽ nắm vững hơn kiến thức này và ứng dụng trong việc giải bài tập.
Ngoài ra tôi cũng đưa ra một số lĩnh vực liên quan có sử dụng đến khái nhiệm và công thức tính hiệu suất như: lĩnh vực điện, công nghệ thông tin, quản trị kinh doanh. Thông qua đó sẽ góp phần định hướng cho các bạn trong quá trình lựa chọn nghề nghiệp sau này.
Hy vọng với những chia sẻ trên sẽ cung cấp những kiến thức hữu ích cho các bạn. Trong bài viết chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Nếu có thiếu xót mong các bạn đừng ngần ngại mà góp ý với tôi để hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn!