Theo thống kê, vùng Tây Nguyên và Nam Trung Bộ có số giờ nắng trong 1 năm (365 ngày) trung bình khoảng 2300 giờ. Cường độ bức xạ Mặt Trời trung bình cho bề mặt nằm ngang một ngày là 5,3 kWh/m². Một máy nước nóng năng lượng Mặt Trời có bộ thu nhiệt gồm nhiều ống thuỷ tinh có 2 lớp chân không, kích thước bộ thu nhiệt là 2000 mm × 1250 mm. Máy hoạt động nhờ nguồn năng lượng Mặt Trời chuyển đổi trực tiếp thành nhiệt năng làm nóng nước. Dựa vào hình vẽ, ta trong thời điểm trời lưu, nước trong bình sau khi chạy qua bộ thu nhiệt năng lượng Mặt Trời được làm nóng tuần hoàn phiên cho tới khi nhiệt độ của nước trong bình đạt tới nhiệt độ yêu cầu. Cho biết nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K, khối lượng riêng của nước là 1000 kg/m³. Khi mở van, có 70 lít nước tràn vào toàn bộ các ống thuỷ tinh. Biết nước này ban đầu có nhiệt độ 25°C. Sau 3,5 giờ nắng liên tục, lượng năng lượng ánh sáng Mặt Trời nhận được là bao nhiêu có thể ? Biết rằng chỉ có 45% năng lượng ánh sáng Mặt Trời chiếu lên bộ thu nhiệt được chuyển hoá thành nhiệt năng làm nóng nước.

😎 Cùng DOL xem qua cách giải câu này nhé!

📃 Thông tin đề bài cho:

• Vùng có số giờ nắng trung bình: 2300 giờ/năm.

• Bức xạ Mặt Trời trung bình cho bề mặt nằm ngang: 5,3 kWh/m²·ngày.

• Kích thước bộ thu nhiệt: 2000 mm × 1250 mm → diện tích = 2,0 m × 1,25 m = 2,5 m².

• Thời gian nắng liên tục xét: 3,5 giờ.

• Hiệu suất chuyển hoá năng lượng bức xạ thành nhiệt: 45%.

• Thể tích nước tràn vào ống: 70 L = 0,07 m³ → khối lượng nước m = 70 kg (ρ = 1000 kg/m³).

• Nhiệt dung riêng của nước: c = 4200 J/kg·K.

• Nhiệt độ ban đầu của nước: 25°C.

❓ Hiểu câu hỏi:

• Câu hỏi yêu cầu tìm lượng năng lượng bức xạ Mặt Trời nhận được và chuyển hoá thành nhiệt trong 3,5 giờ, rồi xác định tăng nhiệt độ nước trong ống.

• Cần áp dụng các khái niệm: chuyển đổi năng lượng bức xạ → công suất trên diện tích, tính năng lượng trong một khoảng thời gian, rồi dùng Q = mc\Delta T để tìm biến đổi nhiệt độ.

🔎 Hướng dẫn cách làm:

• Tính năng lượng bức xạ trung bình trên một giờ nắng (từ dữ liệu ngày và số giờ nắng/năm):

  • Tổng năng lượng hàng năm trên 1 m²: E_{\text{năm}} = 5{,}3\ \text{kWh/m}^2\cdot\text{ngày}\times 365\ \text{ngày} = 1934{,}5\ \text{kWh/m}^2/\text{năm}.

  • Công suất trung bình trong giờ nắng (chia cho 2300 giờ nắng/năm): I = \frac{E_{\text{năm}}}{2300\ \text{h}} \approx 0{,}8415\ \text{kW/m}^2.

• Công suất thu được trên toàn bộ bộ thu (diện tích A = 2,5 m²): P_{\text{thu}} = I\cdot A \approx 0{,}8415\times 2{,}5 = 2{,}1038\ \text{kW}.

• Năng lượng bức xạ chiếu lên bộ thu trong 3,5 giờ: E_{\text{inc}} = P_{\text{thu}}\times t = 2{,}1038\ \text{kW}\times 3{,}5\ \text{h} \approx 7{,}3633\ \text{kWh}.

• Chỉ 45% được chuyển hoá thành nhiệt nước: E_{\text{heat}} = 0{,}45\times E_{\text{inc}} \approx 0{,}45\times 7{,}3633 = 3{,}3135\ \text{kWh}.

• Chuyển sang joule để dùng trong công thức nhiệt lượng: E_{\text{heat}} = 3{,}3135\ \text{kWh}\times 3{,}6\times10^6\ \text{J/kWh} \approx 1{,}1929\times10^7\ \text{J}.

• Dùng công thức nhiệt để tìm tăng nhiệt độ: \Delta T = \frac{Q}{mc} = \frac{1{,}1929\times10^7}{70\times 4200}\ \text{K} \approx 40{,}56\ ^\circ\text{C}.

• Nhiệt độ cuối cùng của nước: T_{\text{cuối}} = 25^\circ\text{C} + 40{,}56^\circ\text{C} \approx 65{,}6^\circ\text{C}.

✅ Đáp án: 65.6°C