คุณอาจใช้คำว่าพลังงานในชีวิตประจำวันของคุณตลอดเวลา แต่จริงๆ แล้วหมายความว่าอย่างไร? คุณได้รับปริมาณเท่าไรเมื่อคุณพูดว่า "ฉันไม่มีแรงในวันนี้" หรือ "เด็ก ๆ เหล่านี้จำเป็นต้องเผาผลาญพลังงานบางส่วน"?
การใช้คำกันทั่วไปอาจทำให้คุณเข้าใจเบื้องต้นว่าพลังงานคืออะไร แต่ในบทความนี้ คุณจะ เรียนรู้ว่านักฟิสิกส์นิยามพลังงานอย่างไร เรียนรู้ว่าพลังงานประเภทต่างๆ คืออะไร และดูตัวอย่างบางส่วนจาก ทาง.
ความหมายของพลังงาน
พลังงานคือความสามารถในการทำงานหรือทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง มันแตกต่างจากแรง แรงคือสิ่งที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง ในขณะที่พลังงานสามารถคิดได้ว่าเป็นแรงผลักดันที่อยู่เบื้องหลังแรง ต้องใช้พลังงานในการออกแรง และการใช้แรงกับวัตถุมักจะถ่ายเทพลังงานไปให้วัตถุนั้น
หน่วยพลังงาน SI คือจูล โดยที่ 1 จูล = 1 นิวตัน × 1 เมตร หรือ 1 กิโลกรัม orm2/s2. หน่วยอื่นๆ ได้แก่ แคลอรี กิโลแคลอรี และกิโลวัตต์-ชั่วโมง
ประเภทของพลังงาน
พลังงานสองรูปแบบพื้นฐานที่สุดคือพลังงานศักย์และพลังงานจลน์. พลังงานศักย์เป็นพลังงานสะสมในขณะที่พลังงานจลน์เป็นพลังงานของการเคลื่อนไหว
นักวิทยาศาสตร์มักจะแยกความแตกต่างระหว่างพลังงานประเภทเหล่านี้ในระดับมหภาคและระดับจุลภาค ตัวอย่างเช่น,
พลังงานจลน์เชิงกลคือพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดมหึมา แต่ภายในวัตถุใดๆ โมเลกุลเองก็มีพลังงานจลน์ที่แตกต่างกันออกไป
ผลรวมของศักย์ทางกลและพลังงานจลน์ของวัตถุเรียกว่าพลังงานกลทั้งหมด. ซึ่งไม่เหมือนกับพลังงานทั้งหมดของวัตถุ ซึ่งจะเป็นผลรวมของพลังงานทุกรูปแบบ รวมทั้งความร้อน เคมี และอื่นๆ
ประเภทของพลังงานศักย์ที่เก็บไว้ในพันธะโมเลกุลเป็นรูปแบบของพลังงานที่เรียกว่าเคมีภัณฑ์พลังงาน. พลังงานที่สะสมอยู่ในพันธะอะตอมหรือพันธะนิวเคลียร์เรียกว่าอะตอมพลังงานหรือนิวเคลียร์พลังงาน.
พลังงานจลน์ที่มีอยู่ในระดับโมเลกุลเนื่องจากการสั่นสะเทือนและการเคลื่อนที่ของโมเลกุลเรียกว่าความร้อนพลังงานหรือความร้อนพลังงาน. เมื่อคุณวัดอุณหภูมิ คุณกำลังวัดปริมาณเฉลี่ยของพลังงานประเภทนี้
พลังงานศักย์ทางกลในรายละเอียดเพิ่มเติม
พลังงานศักย์เชิงกลที่พบบ่อยที่สุดที่คุณอาจเรียนรู้ ได้แก่
- พลังงานศักย์โน้มถ่วง:พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุตามตำแหน่งของมันในสนามโน้มถ่วง ตัวอย่างเช่น ลูกบอลที่อยู่สูงเหนือพื้นโลกมีพลังงานศักย์โน้มถ่วง เมื่อปล่อยออกก็จะลดลงตามไปด้วย
- พลังงานศักย์ไฟฟ้า:นี่คือพลังงานที่เก็บไว้ในวัตถุที่มีประจุเนื่องจากตำแหน่งในสนามไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนในวงจรจะมีพลังงานศักย์ไฟฟ้าจำนวนหนึ่งเนื่องจากแบตเตอรี่ เมื่อเชื่อมต่อวงจรจะทำให้อิเล็กตรอนไหล
- พลังงานศักย์แม่เหล็ก:นี่คือพลังงานที่เก็บไว้ในวัตถุที่มีโมเมนต์แม่เหล็กเนื่องจากตำแหน่งในสนามแม่เหล็ก พิจารณาเมื่อคุณถือแม่เหล็กสองปุ่มไว้ใกล้กันและคุณรู้สึกว่ามันดึง นี่เป็นเพราะพลังงานศักย์แม่เหล็ก
- พลังงานศักย์ยืดหยุ่น:นี่คือพลังงานที่เก็บไว้ในวัสดุยืดหยุ่น ตัวอย่างเช่น แถบยางยืดเก็บพลังงานไว้ เช่นเดียวกับสปริงอัด เมื่อทั้งสองถูกปล่อยพวกเขาจะย้าย
พลังงานจลน์เครื่องกลในรายละเอียดเพิ่มเติม
พลังงานจลน์ทางกลแตกต่างจากพลังงานศักย์ตรงที่สัมพันธ์กับการเคลื่อนไหว และมีตัวแปรเดียวเท่านั้น สมการอย่างง่ายให้พลังงานจลน์ของวัตถุใด ๆ ที่มีมวลมเคลื่อนที่ด้วยความเร็ววี. นั่นคือ:
KE = \frac{1}{2}mv^2
ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เร็วหรือมีน้ำหนักมากเท่าใด พลังงานจลน์ก็ยิ่งมีมากขึ้นเท่านั้น
เมื่อวัตถุที่มีพลังงานศักย์ถูกปลดปล่อยออกมาและปล่อยให้เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ วัตถุนั้นจะเริ่มเร่งความเร็ว ส่งผลให้พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกัน พลังงานศักย์ก็ลดลง ในทางสุทธิ พลังงานกลทั้งหมดของวัตถุจะคงที่ (โดยปราศจากการเสียดสีหรือแรงที่คล้ายคลึงกัน) พลังงานจะเปลี่ยนแปลงรูปแบบ
สมการพลังงาน
ในส่วนที่แล้ว ได้แนะนำสมการพลังงานจลน์เชิงกล นอกจากนี้ยังมีสูตรสำหรับพลังงานศักย์ประเภทต่างๆ รวมทั้งสมการที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับปริมาณทางกายภาพอื่นๆ
พลังงานศักย์โน้มถ่วงของมวลมที่ความสูงห่าเหนือพื้นโลกคือ:
PE_{grav} = mgh
ที่ไหนg= 9.8 ม./วินาที2 คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง
พลังงานศักย์ไฟฟ้าของประจุqที่แรงดันไฟฟ้าวีเป็นเพียง:
PE_{elec} = qV
ดิ พลังงานศักย์ที่สะสมอยู่ในสปริง มอบให้โดย:
PE_{สปริง} = \frac{1}{2}k\Delta x^2
ที่ไหนkคือ ค่าคงที่สปริง (ค่าคงที่ขึ้นอยู่กับความแข็งของสปริง) และΔxคือปริมาณที่สปริงถูกบีบอัดหรือยืดออก
การเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อน (หรือที่เรียกว่าพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอน) ถูกกำหนดโดยสมการต่อไปนี้:
Q = mc\Delta T
ที่ไหนคิวคือพลังงานมคือมวลคคือความจุความร้อนจำเพาะและΔTคือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน
งานปริมาณทางกายภาพ (กำหนดเป็นผลคูณของแรงและการกระจัด) มีหน่วยเดียวกับพลังงาน (J หรือ Nm) ปริมาณงานและพลังงานจลน์ทั้งสองสัมพันธ์กันผ่านทฤษฎีบทงาน-พลังงานจลน์ ซึ่งระบุว่างานตาข่ายบนวัตถุเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ของวัตถุ
กฎการอนุรักษ์พลังงาน
ข้อเท็จจริงพื้นฐานของธรรมชาติคือพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ สรุปไว้ใน in กฎการอนุรักษ์พลังงาน. กฎข้อนี้ระบุว่าพลังงานทั้งหมดของระบบที่แยกออกมาจะคงที่
แม้ว่าพลังงานทั้งหมดจะคงที่ แต่ก็สามารถเปลี่ยนแปลงรูปแบบได้บ่อยครั้ง ศักยภาพอาจเปลี่ยนเป็นจลนศาสตร์ จลนศาสตร์อาจเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนเป็นต้น แต่ยอดรวมจะเท่าเดิมเสมอ
สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่ากฎหมายนี้ระบุระบบที่แยกออกมา ระบบที่แยกออกมาเป็นระบบที่ไม่สามารถโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมได้ ระบบเดียวที่แยกได้อย่างสมบูรณ์ในจักรวาลก็คือตัวจักรวาลเอง อย่างไรก็ตาม มีความเป็นไปได้ที่จะสร้างระบบต่างๆ บนโลกที่ใกล้จะแยกออกจากกัน (เช่นเดียวกับที่มันเป็นไปได้ที่จะทำให้เสียดสีเพียงเล็กน้อย แม้ว่าจะไม่เป็น 0 เลยก็ตาม)
การแปลงพลังงานสามารถเกิดขึ้นได้หลายวิธี โดยปกติมาจากพลังงานสะสมที่ถูกปล่อยออกมาเป็นพลังงานจลน์บางชนิดหรือเป็นพลังงานแผ่รังสี
ตัวอย่างเช่น พลังงานเคมีสามารถปล่อยออกมาได้ในระหว่างปฏิกิริยาเคมี ระหว่างปฏิกิริยาดังกล่าว มันจะเปลี่ยนจากพลังงานศักย์เคมีไปเป็นรูปแบบอื่น ซึ่งอาจรวมถึงพลังงานการแผ่รังสีหรือพลังงานความร้อน
พลังงานนิวเคลียร์ถูกปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ นี่คือที่ที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์E = mc2สมการเข้ามามีบทบาท (พลังงานเท่ากับมวลคูณความเร็วของแสงกำลังสอง) มวลของนิวเคลียสที่แยกออกจากกันเพื่อปลดปล่อยพลังงานจะเบาลงเล็กน้อยในตอนท้ายด้วยปริมาณที่กำหนดโดยสูตรของไอน์สไตน์ มวลเองก็ถือได้ว่าเป็นพลังงานศักย์รูปแบบหนึ่ง
แหล่งพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ได้บนโลก
บนโลกใบนี้ คุณอาจใช้พลังงานไฟฟ้าบ่อยครั้ง ทุกครั้งที่คุณเปิดไฟในบ้านหรืออ่านอะไรจากหน้าจออิเล็กทรอนิกส์เหมือนตอนนี้ แสดงว่าคุณกำลังใช้พลังงานไฟฟ้า แต่พลังงานนี้มาจากไหน?
คำตอบที่ชัดเจนคือแบตเตอรี่หรือเต้ารับที่ผนัง แต่แหล่งที่มาหลักที่แท้จริงคืออะไร?
เมื่อพูดถึงแบตเตอรี่ พลังงานมักถูกจัดเก็บไว้ทางเคมีในเซลล์แบตเตอรี่ แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากต้องการให้ชาร์จแบตเตอรี่ใหม่โดยเชื่อมต่อกับเต้ารับไฟฟ้าที่ผนัง
พลังงานที่เข้ามาในบ้านของคุณผ่านสายไฟมาจากโรงไฟฟ้าแห่งหนึ่ง โรงไฟฟ้ามีหลายวิธีในการเก็บเกี่ยวพลังงานและเปลี่ยนให้เป็นพลังงานไฟฟ้า
แหล่งพลังงานทั่วไปที่โรงไฟฟ้าเก็บเกี่ยวและแปลงเป็นไฟฟ้า ได้แก่
- พลังงานแสงอาทิตย์:นี่คือพลังงานการแผ่รังสีที่มาจากดวงอาทิตย์และสามารถจับได้โดยเซลล์แสงอาทิตย์
- พลังงานความร้อนใต้พิภพ:นี่คือพลังงานความร้อนที่พบในพื้นดินซึ่งสามารถถ่ายโอนไปยังพื้นผิวโลกเพื่อใช้
- พลังงานจากถ่านหิน:ซึ่งรวมถึงถ่านหินและน้ำมัน ซึ่งมักถูกเผาเพื่อปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ในพันธะเคมี
- พลังงานนิวเคลียร์:โรงไฟฟ้านิวเคลียร์สร้างพลังงานโดยการแยกนิวเคลียสของอะตอมและควบคุมพลังงานที่เก็บไว้ในพันธะนิวเคลียร์
- พลังงานน้ำ:นี่คือพลังงานที่มาจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์ในน้ำไหล
- พลังงานลม:ในการเก็บเกี่ยวพลังงานลมจะใช้กังหันขนาดยักษ์ ลมหมุนกังหันส่งพลังงานไปให้พวกมัน
พลังงานในร่างกายมนุษย์
จำย้อนกลับไปที่จุดเริ่มต้นของบทความนี้ซึ่งมีการกล่าวถึงวลี “วันนี้ฉันไม่มีแรง” และ “เด็กเหล่านี้จำเป็นต้องเผาผลาญพลังงาน” หรือไม่? มนุษย์ใช้พลังงานตลอดเวลา ไม่ใช่แค่จากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น ทั้งการเคลื่อนไหวขนาดใหญ่ของร่างกายและกระบวนการเล็ก ๆ ภายในร่างกายของคุณต้องการพลังงาน
วิ่ง ปีนเขา ว่ายน้ำ หรือแม้แต่แปรงฟันต้องใช้พลังงาน จำพลังงานจลน์ได้หรือไม่? เมื่อคุณเคลื่อนไหว คุณกำลังทำเช่นนั้นผ่านพลังงานจลน์ พลังงานนั้นต้องมาจากที่ไหนสักแห่ง
กระบวนการที่มองไม่เห็นหลายอย่างที่เกิดขึ้นในร่างกายของคุณยังต้องการพลังงาน เช่น การหายใจ การหมุนเวียนเลือด การย่อยอาหาร และอื่นๆ
มนุษย์ได้พลังงานมาจากไหน? อาหาร แน่นอน! อาหารที่คุณกินได้เก็บพลังงานเคมีไว้ภายใน เมื่ออาหารนั้นเข้าสู่กระเพาะของคุณ กรดในกระเพาะจะย่อยอาหารลง และบางชนิด โมเลกุลจากอาหารจะเคลื่อนตัวไปยังส่วนต่างๆ ของร่างกายที่อาจจำเป็น พลังงาน. จากนั้น เมื่อมีความจำเป็น พลังงานจะได้รับจากปฏิกิริยาเคมีขนาดเล็ก
ตอนนี้ ถ้าคุณไม่กินทั้งวันและวิ่งไปรอบๆ คุณจะใช้พลังงานมาก และจะรู้สึก "หมดแรง" จนกว่าคุณจะกินและให้ร่างกายได้รับสิ่งที่ต้องการมากขึ้น