พลังงานมีอยู่สองรูปแบบหลัก: พลังงานจลน์และพลังงานศักย์พลังงานจลน์เป็นพลังงานการเคลื่อนที่ของวัตถุหรืออนุภาค และพลังงานศักย์คือพลังงานที่เกี่ยวข้องกับตำแหน่งของวัตถุหรืออนุภาค
บางครั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางกลของวัตถุมหภาคจะเรียกรวมกันว่าพลังงานกลและไม่รวมรูปแบบของพลังงานที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางความร้อน เคมี และปรมาณู
กฎพื้นฐานของฟิสิกส์คือการอนุรักษ์พลังงานทั้งหมดในระบบปิด นี้เรียกว่ากฎการอนุรักษ์พลังงาน. นั่นคือในขณะที่พลังงานอาจเปลี่ยนรูปแบบหรือถ่ายโอนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง ปริมาณทั้งหมดจะคงที่ในระบบที่แยกออกจากสภาพแวดล้อมได้อย่างสมบูรณ์
เพื่อลดความซับซ้อนของการคำนวณในปัญหาฟิสิกส์เบื้องต้นจำนวนมาก มักจะสันนิษฐานว่าแรงเสียดทานและอื่น ๆ แรงกระจายมีน้อยมาก ซึ่งส่งผลให้พลังงานกลทั้งหมดของระบบปิดแยกจากกัน อนุรักษ์
พลังงานกลสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานประเภทอื่นได้เมื่อมีแรงเสียดทาน และอาจเป็นเรื่องยากที่จะนำพลังงานความร้อนกลับมาเป็นพลังงานกล (และเป็นไปไม่ได้ที่จะทำอย่างนั้นทั้งหมด) นี่คือสาเหตุที่พลังงานกลมักถูกพูดถึงว่าเป็นปริมาณที่สงวนไว้ต่างหาก แต่จะถูกอนุรักษ์ไว้ก็ต่อเมื่อไม่มี แรงเสียดทาน
หน่วย SI สำหรับพลังงานคือจูล (J) โดยที่ 1 จูล = 1 นิวตัน x 1 เมตร
ประเภทของพลังงานศักย์
พลังงานศักย์คือพลังงานอันเนื่องมาจากตำแหน่งหรือการจัดเรียงของวัตถุหรืออนุภาค บางครั้งมันถูกอธิบายว่าเป็นพลังงานที่สะสม แต่สิ่งนี้ไม่ถูกต้องทั้งหมดเนื่องจากพลังงานจลน์สามารถคิดได้ว่าเป็นพลังงานที่เก็บไว้เพราะมันยังคงมีอยู่ภายในวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ พลังงานศักย์ประเภทหลักคือ:
พลังงานศักย์ยืดหยุ่นซึ่งเป็นพลังงานในรูปของการเปลี่ยนรูปของวัตถุ เช่น สปริง เมื่อคุณบีบอัดหรือยืดสปริงเกินตำแหน่งสมดุล (พัก) สปริงจะมีพลังงานศักย์ยืดหยุ่น เมื่อปล่อยสปริงนี้ พลังงานศักย์ยืดหยุ่นนี้จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์
ในกรณีของมวลที่ห้อยลงมาจากสปริงที่ยืดออกแล้วปล่อย มวลจะแกว่งขึ้นลงเมื่อพลังงานศักย์ยืดหยุ่น พลังงานจลน์จากนั้นจะถูกแปลงกลับเป็นศักย์และอื่น ๆ (ด้วยพลังงานกลบางส่วนถูกเปลี่ยนเป็นรูปแบบที่ไม่ใช่ทางกลเนื่องจาก แรงเสียดทาน)
สมการของพลังงานศักย์ที่เก็บไว้ในสปริงได้มาจาก:
PE_{spring}=\frac{1}{2}k\Delta x^2
ที่ไหนkคือค่าคงที่สปริงและ Δx คือการกระจัดจากสมดุล
พลังงานศักย์โน้มถ่วงคือพลังงานที่เกิดจากตำแหน่งของวัตถุในสนามโน้มถ่วง เมื่อวัตถุในสนามดังกล่าวถูกปล่อยออกมา มันจะเร่งความเร็ว และพลังงานศักย์นั้นจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์
พลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุมวลมใกล้พื้นผิวโลกได้รับโดย:
PE_{grav}=mgh
ที่ไหนกคือค่าคงตัวโน้มถ่วง 9.8 m/s2, และห่าคือความสูงจากระดับพื้นดิน
คล้ายกับพลังงานศักย์โน้มถ่วงพลังงานศักย์ไฟฟ้าคือผลของวัตถุที่มีประจุอยู่ในสนามไฟฟ้า หากปล่อยออกมาในสนามนี้ พวกมันจะเร่งความเร็วตามแนวสนามเช่นเดียวกับมวลที่ตกลงมา และพลังงานศักย์ไฟฟ้าของพวกมันจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์
สูตรของพลังงานศักย์ไฟฟ้าเป็นประจุแบบจุดqระยะทางrจากจุดชาร์จคิวมอบให้โดย:
PE_{elec,\text{ }poiny\text{ }ชาร์จ}=\frac{kqQ}{r}
ที่ไหนkคือค่าคงที่ของคูลอมบ์ 8.99 × 109 นม2/ค2.
คุณคงคุ้นเคยกับคำว่าแรงดันไฟฟ้าซึ่งหมายถึงปริมาณที่เรียกว่าศักย์ไฟฟ้า. พลังงานศักย์ไฟฟ้าของประจุqหาได้จากศักย์ไฟฟ้า (แรงดัน,วี) ดังต่อไปนี้
PE_q=qV
พลังงานศักย์เคมีเป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในพันธะเคมีและการจัดเรียงตัวของอะตอม พลังงานนี้สามารถแปลงเป็นรูปแบบอื่นได้ในระหว่างปฏิกิริยาเคมี ไฟเป็นตัวอย่างหนึ่งของสิ่งนี้ เมื่อไฟเผาไหม้ พลังงานศักย์ในพันธะเคมีของวัสดุที่เผาไหม้จะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนและการแผ่รังสี เมื่อคุณกินอาหาร กระบวนการต่างๆ ในร่างกายของคุณจะเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานที่ร่างกายต้องการเพื่อให้มีชีวิตอยู่และทำงานพื้นฐานทั้งหมดในการดำรงชีวิต
พลังงานศักย์นิวเคลียร์คือพลังงานในนิวเคลียสของอะตอม เมื่อนิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอน) ภายในนิวเคลียสจัดเรียงตัวเองใหม่โดยการรวมตัว แตกตัว หรือ เปลี่ยนจากที่หนึ่งไปเป็นอย่างอื่น (ไม่ว่าจะผ่านการหลอมรวม ฟิชชัน หรือการสลายตัว) พลังงานศักย์นิวเคลียร์จะถูกเปลี่ยนรูปหรือ การเผยแพร่.
ที่มีชื่อเสียง E = mc2 สมการอธิบายปริมาณพลังงานอี, ปล่อยออกมาในระหว่างกระบวนการดังกล่าวในแง่ของมวลมและความเร็วแสงค. นิวเคลียสสามารถลงเอยด้วยมวลรวมที่ต่ำกว่าหลังจากการสลายหรือการหลอมรวม และความแตกต่างของมวลนี้โดยตรง แปลเป็นปริมาณพลังงานศักย์นิวเคลียร์ที่ถูกแปลงเป็นรูปแบบอื่น เช่น การแผ่รังสีและ ความร้อน
ประเภทของพลังงานจลน์
พลังงานจลน์คือพลังงานของการเคลื่อนไหว ในขณะที่วัตถุที่มีพลังงานศักย์มีศักยภาพที่จะเคลื่อนที่ได้ วัตถุที่มีพลังงานจลน์กำลังเคลื่อนที่อยู่ พลังงานจลน์ประเภทหลักคือ:
พลังงานจลน์เครื่องกลซึ่งเป็นพลังงานจลน์ของวัตถุมหภาคที่มีมวลมเคลื่อนที่ด้วยความเร็ววี. มันถูกกำหนดโดยสูตร:
KE_{mech}=\frac{1}{2}mv^2
เคล็ดลับ
สำหรับวัตถุที่ตกลงมาเนื่องจากแรงโน้มถ่วง การอนุรักษ์พลังงานกลช่วยให้เราสามารถกำหนดความเร็วของวัตถุในขณะที่ตกลงมาโดยไม่ต้องใช้สมการความเร่งคงที่มาตรฐานของการเคลื่อนที่ เพียงแค่กำหนดพลังงานกลทั้งหมดก่อนที่วัตถุจะเริ่มตก (mgh) และไม่ว่าจะอยู่ที่ระดับความสูงเท่าใด ความต่างของพลังงานศักย์ต้องเท่ากับ 1/2mv2. เมื่อคุณรู้พลังงานจลน์แล้ว คุณก็สามารถแก้หาวี.
พลังงานความร้อนหรือที่เรียกว่าพลังงานความร้อนเป็นผลมาจากโมเลกุลในสารที่สั่นสะเทือน ยิ่งโมเลกุลเคลื่อนที่เร็วขึ้นเท่าใด พลังงานความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และวัตถุยิ่งร้อนขึ้นเท่านั้น ยิ่งเคลื่อนไหวช้า วัตถุยิ่งเย็นลง ในขีดจำกัดที่การเคลื่อนไหวทั้งหมดหยุดลง อุณหภูมิของวัตถุจะเป็น 0 สัมบูรณ์ในหน่วยของเคลวิน
อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุล พลังงานความร้อนของก๊าซโมโนโทมิกในอุดมคตินั้นกำหนดโดยสูตร:
E_{thermal}=\frac{3}{2}Nk_BT
ที่ไหนนู๋คือจำนวนอะตอมตู่คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวิน และkบีคือค่าคงที่ของ Boltzmann 1.381 × 10-23 เจ/เค .
บนพื้นผิว สิ่งนี้สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นสิ่งเดียวกันกับพลังงานจลน์เชิงกล เป็นผลมาจากวัตถุ (ในกรณีนี้โมเลกุล) เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แน่นอน แต่การเคลื่อนไหวนี้เกิดขึ้นในระดับจุลทรรศน์ภายในวัตถุขนาดใหญ่ ดังนั้นจึงเหมาะสมที่จะปฏิบัติต่อมัน ต่างกัน – โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายการเคลื่อนที่ของแต่ละโมเลกุลที่แตกต่างกันภายใน บางสิ่งบางอย่าง!
โปรดทราบว่าไม่ควรสับสนกับพลังงานจลน์เชิงกลเนื่องจากพลังงานนี้ไม่เป็นเช่นนั้น เปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ในลักษณะเดียวกับพลังงานจลน์ของลูกบอลที่ถูกโยนขึ้นไปในอากาศ คือ.
พลังงานคลื่นและเสียงสร้างพลังงานจลน์เพิ่มเติม ซึ่งเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่นรบกวนเดินทางผ่านตัวกลาง จุดใดๆ ในตัวกลางนั้นจะแกว่งไปที่ตำแหน่งเมื่อคลื่นผ่าน – ซึ่งอยู่ในแนวเดียวกับทิศทางของการเคลื่อนที่ (aคลื่นตามยาว) หรือตั้งฉากกับมัน (aคลื่นขวาง) เช่น มองเห็นด้วยคลื่นบนเชือก
ในขณะที่จุดในตัวกลางแกว่งไปมา การรบกวนเองก็เดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง นี่เป็นพลังงานจลน์รูปแบบหนึ่งเพราะเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของวัสดุทางกายภาพ
พลังงานที่เกี่ยวข้องกับคลื่นโดยทั่วไปจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของแอมพลิจูดของคลื่น อย่างไรก็ตาม ความสัมพันธ์ที่แน่นอนนั้นขึ้นอยู่กับประเภทของคลื่นและสื่อที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน
คลื่นประเภทหนึ่งคือ คลื่นเสียง ซึ่งเป็นคลื่นตามยาว กล่าวคือ เป็นผลมาจากการกดอัด (บริเวณที่สื่อถูกบีบอัด) และส่วนหายาก (บริเวณที่สื่อถูกบีบอัดน้อยกว่า) โดยทั่วไปแล้วคืออากาศหรือวัสดุอื่น
พลังงานสดใสเกี่ยวข้องกับพลังงานคลื่น แต่ก็ไม่เท่ากัน นี่คือพลังงานในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า คุณอาจคุ้นเคยกับแสงที่มองเห็นได้มากที่สุด แต่พลังงานนี้มาในรูปแบบที่เรามองไม่เห็นเช่นกัน เช่น คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ อินฟราเรด รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา เป็นพลังงานที่ส่งผ่านโฟตอน - อนุภาคของแสง กล่าวกันว่าโฟตอนแสดงความเป็นคู่ของอนุภาค/คลื่น ซึ่งหมายความว่าพวกมันทำหน้าที่เหมือนคลื่นและอนุภาค
พลังงานรังสีแตกต่างจากคลื่นปกติอย่างมาก: ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ ด้วยเหตุนี้จึงสามารถเดินทางผ่านสุญญากาศของอวกาศได้ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดเดินทางด้วยความเร็วแสง (ความเร็วที่เร็วที่สุดในจักรวาล!) ในสุญญากาศ
โปรดทราบว่าโฟตอนไม่มีมวล ดังนั้นเราจึงไม่สามารถใช้สมการพลังงานจลน์เชิงกลเพื่อกำหนดพลังงานจลน์ที่เกี่ยวข้องได้ แทนที่จะให้พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าโดย E = hf โดยที่ฉคือความถี่และห่าคือค่าคงที่ของพลังค์ 6.626 × 10-34 เจ.
พลังงานไฟฟ้า: พลังงานจลน์ที่เกี่ยวข้องกับประจุเคลื่อนที่มีค่าเท่ากับพลังงานจลน์เชิงกล 1/2mv2; อย่างไรก็ตาม ประจุที่เคลื่อนที่ยังสร้างสนามแม่เหล็กอีกด้วย สนามแม่เหล็กนั้น เช่นเดียวกับสนามโน้มถ่วงหรือสนามไฟฟ้า มีความสามารถในการส่งพลังงานศักย์ไปยังทุกสิ่งที่สามารถ "สัมผัส" ได้ เช่น แม่เหล็กหรือประจุเคลื่อนที่อื่นๆ
การแปลงพลังงาน
พลังงานทั้งหมดของระบบปิดถูกอนุรักษ์ไว้ นั่นคือจำนวนเงินทั้งหมดในทุกรูปแบบจะคงที่แม้ว่าจะถ่ายโอนระหว่างอ็อบเจ็กต์ในระบบหรือเปลี่ยนรูปแบบหรือประเภท
ตัวอย่างที่สำคัญของสิ่งนี้คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับจลนศาสตร์ ศักยภาพ และพลังงานทั้งหมดของลูกบอลที่โยนขึ้นไปในอากาศ สมมติให้ปล่อยลูกบอลขนาด 0.5 กก. ขึ้นจากระดับพื้นดินด้วยความเร็วเริ่มต้น 20 ม./วินาที เราสามารถใช้สมการจลนศาสตร์ต่อไปนี้เพื่อกำหนดความสูงและความเร็วของลูกบอลในแต่ละวินาทีของการเดินทาง:
v_f=v_i+at=20\text{ m/s}-gt\\ y_f=y_i+v_it+\frac{1}{2}at^2=(20 \text{ m/s})t-\frac{ g}{2}t^2
หากเราประมาณว่ากเป็น 10 เมตร/วินาที2เราได้รับผลลัพธ์ที่แสดงในตารางต่อไปนี้:
ทีนี้มาดูจากมุมมองของพลังงาน ในแต่ละวินาทีของการเดินทาง เราสามารถคำนวณพลังงานศักย์โดยใช้mghและพลังงานจลน์โดยใช้ 1/2mv2. พลังงานทั้งหมดเป็นผลรวมของทั้งสอง การเพิ่มคอลัมน์ลงในตารางเพื่อหาพลังงานศักย์ จลนศาสตร์ และพลังงานรวม เราได้รับ:
•••นา
อย่างที่คุณเห็น ในช่วงเริ่มต้นของเส้นทาง พลังงานทั้งหมดของลูกบอลนั้นเป็นพลังงานจลน์ เมื่อสูงขึ้น ความเร็วจะลดลงและความสูงเพิ่มขึ้น และพลังงานจลน์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ เมื่ออยู่ที่จุดสูงสุด จลนพลศาสตร์เริ่มต้นทั้งหมดจะกลายเป็นศักย์ จากนั้นกระบวนการจะย้อนกลับเมื่อถอยกลับ ตลอดเส้นทาง พลังงานทั้งหมดยังคงที่
หากตัวอย่างของเรามีแรงเสียดทานหรือแรงกระจายอื่นๆ ในขณะที่พลังงานทั้งหมดยังคงถูกสงวนไว้ พลังงานกลทั้งหมดจะไม่เกิดขึ้น พลังงานกลทั้งหมดจะเท่ากับผลต่างระหว่างพลังงานทั้งหมดกับพลังงานที่แปรสภาพเป็นพลังงานประเภทอื่น เช่น พลังงานความร้อนหรือพลังงานเสียง