พลังงานคืออะไร?
พลังงานแสดงออกในรูปแบบต่างๆ และสัมพันธ์กับความสามารถในการผลิตงาน
ภาพของ Federico Beccari ใน Unsplash
ไม่มีคำจำกัดความที่แน่นอนสำหรับพลังงาน แต่ในฟิสิกส์ เป็นแนวคิดที่สำคัญอย่างยิ่งที่แสดงถึงความสามารถในการผลิตงานหรือดำเนินการ คำนี้ยังใช้ในด้านวิทยาศาสตร์อื่นๆ เช่น ชีววิทยาและเคมี
พลังงานมีบทบาทสำคัญในทุกด้านของชีวิต ซึ่งเป็นความสำคัญที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์ สิ่งมีชีวิตอาศัยพลังงานเพื่อความอยู่รอดและได้มาโดยผ่านอาหารในรูปของพลังงานเคมี นอกจากนี้ สิ่งมีชีวิตยังได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์อีกด้วย
หลักการทั่วไปของการอนุรักษ์พลังงาน
ในทางฟิสิกส์ คำว่าการอนุรักษ์หมายถึงบางสิ่งที่ไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งหมายความว่าตัวแปรในสมการที่แสดงถึงปริมาณแบบอนุรักษ์นิยมจะคงที่ตลอดเวลา นอกจากนี้ ระบบนี้บอกว่าพลังงานไม่ได้สูญเสีย ก่อตัว หรือถูกทำลาย เพียงแต่เปลี่ยนรูป
หน่วยพลังงาน
หน่วยของพลังงานที่กำหนดโดยระบบสากลของหน่วยคือจูล (J) ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นงานที่ทำโดยแรงของนิวตันที่การกระจัด 1 เมตร อย่างไรก็ตาม พลังงานสามารถอธิบายได้ในหน่วยอื่นๆ:
- แคลอรี่ (มะนาว): คือปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำหนึ่งกรัมจาก 14.5 เป็น 15.5 องศาเซลเซียส หนึ่งจูลเท่ากับ 0.24 แคลอรี่;
- กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh): มักใช้ในการวัดปริมาณการใช้ไฟฟ้า (1 kWh = 3.6 . 106 J);
- บีทียู (หน่วยความร้อนอังกฤษ): หน่วยความร้อนอังกฤษ 1 BTU = 252.2 แคลอรี่;
- อิเลคตรอน-โวลต์ (eV): เป็นปริมาณพลังงานจลน์ที่ได้รับจากอิเล็กตรอนเดี่ยว (อิเล็กตรอน) เมื่อถูกเร่งโดยความต่างศักย์ไฟฟ้า 1 โวลต์ ในสุญญากาศ (1 eV = 1.6 . 10–19 J)
ประเภทของพลังงาน
พลังงานเป็นปริมาณที่ไม่ซ้ำกัน แต่ขึ้นอยู่กับลักษณะที่ปรากฏ พลังงานได้รับชื่อที่แตกต่างกัน เรียนรู้เกี่ยวกับประเภทหลักของพลังงานในฟิสิกส์:
พลังงานจลน์
พลังงานจลน์สัมพันธ์กับสภาวะการเคลื่อนไหวของร่างกาย พลังงานประเภทนี้ขึ้นอยู่กับโมดูลมวลและความเร็ว ยิ่งโมดูลัสของความเร็วของร่างกายมากเท่าใด พลังงานจลน์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เมื่อร่างกายหยุดนิ่ง กล่าวคือ โมดูลความเร็วเป็นศูนย์ พลังงานจลน์เป็นศูนย์
พลังงานศักย์
พลังงานศักย์สัมพันธ์กับตำแหน่งที่ร่างกายอยู่หรือกับความผิดปกติของระบบยืดหยุ่น ในกรณีแรก พลังงานศักย์เรียกว่าพลังงานศักย์โน้มถ่วง ในขณะที่ในกรณีที่สอง พลังงานศักย์ยืดหยุ่น
พลังงานศักย์โน้มถ่วงขึ้นอยู่กับมวล แรงโน้มถ่วง และความสูงของจุดที่ร่างกายกำลังวิเคราะห์ ในทางกลับกัน พลังงานศักย์ยืดหยุ่นนั้นมาจากค่าคงที่ยืดหยุ่นและการเสียรูปของสปริงที่เป็นปัญหา
พลังงานกล
พลังงานกลคือพลังงานที่สามารถถ่ายเทได้ด้วยแรง โดยพื้นฐานแล้ว สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของร่างกาย
พลังงานกลยังคงคงที่หากไม่มีแรงกระจาย มีเพียงการแปลงระหว่างรูปแบบจลนศาสตร์และรูปแบบที่อาจเกิดขึ้นเท่านั้น
พลังงานความร้อน
พลังงานความร้อนหรือพลังงานภายในหมายถึงผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ที่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบจุลภาคที่ประกอบเป็นสสาร อะตอมและโมเลกุลที่ประกอบเป็นร่างมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มของการแปล การหมุน และการสั่น การเคลื่อนไหวนี้เรียกว่าการกวนความร้อน การเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อนของระบบเกิดขึ้นจากการทำงานหรือความร้อน
ในทางทฤษฎี พลังงานความร้อนเชื่อมโยงกับระดับการเคลื่อนที่ของอนุภาคย่อย ยิ่งอุณหภูมิของร่างกายสูงขึ้น พลังงานภายในก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เมื่อตัวที่มีอุณหภูมิสูงมาสัมผัสหรือตัวที่มีอุณหภูมิต่ำลง การถ่ายเทความร้อนจะเกิดขึ้น
ไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้าคือพลังงานที่ผลิตจากประจุไฟฟ้าของอนุภาคมูลฐาน ประจุในขณะที่เคลื่อนที่ จะสร้างกระแสไฟฟ้า สร้างสิ่งที่เราเรียกว่าไฟฟ้า
พลังงานแสงหรือพลังงานแสงอาทิตย์
พลังงานแสงเกิดขึ้นจากช่วงคลื่นที่ดวงตาสามารถรับได้ นอกจากนี้ยังรับรู้โดยพืชซึ่งใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง รังสีของแสงซึ่งเป็นรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเข้าสู่ดวงตาของเรา กระทบกับเรตินา และสร้างสัญญาณไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ไปตามเส้นประสาทไปยังสมอง
สามารถแปลงเป็นพลังงานความร้อนหรือพลังงานไฟฟ้าและนำไปใช้งานต่างๆ ได้ สองวิธีหลักในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์คือการผลิตไฟฟ้าและการทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ สำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้านั้น ใช้สองระบบ: ความร้อนใต้พิภพ ซึ่งการฉายรังสีจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนในครั้งแรกและต่อมาเป็นพลังงานไฟฟ้า และเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งรังสีแสงอาทิตย์จะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง
พลังงานเสียง
พลังงานเสียงถูกส่งผ่านอากาศโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลระหว่างวัตถุสองชิ้นขึ้นไปทำให้เกิดคลื่นเสียง คลื่นเสียงประกอบด้วยบริเวณที่มีการอัดตัวของโมเลกุล (โมเลกุลอยู่ใกล้กัน ความดันสูงขึ้น) และบริเวณที่เกิดการแยกตัวของโมเลกุล (โมเลกุลห่างกัน ความดันต่ำกว่า) เสียงสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อวัตถุสองชิ้นอยู่ในทิศทางตรงกันข้าม หรือหากวัตถุทั้งสองอยู่ในทิศทางเดียวกัน จะมีความเร็วต่างกัน
คลื่นเสียงพูดและเสียงทั่วไปอื่นๆ เป็นคลื่นที่ซับซ้อน ซึ่งเกิดขึ้นที่ความถี่การสั่นสะเทือนที่แตกต่างกันมากมาย เมื่อไปถึงหู พลังงานเสียงจะเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งเคลื่อนที่ไปตามเส้นประสาทไปยังสมอง ทำให้เรารับรู้เสียง
พลังงานนิวเคลียร์
พลังงานนิวเคลียร์คือพลังงานที่ผลิตในพืชแสนสาหัส หลักการทำงานของโรงไฟฟ้าเทอร์โมนิวเคลียร์คือการใช้ความร้อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ความร้อนมาจากการแยกนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียมออกเป็นสองส่วน กระบวนการที่เรียกว่านิวเคลียร์ฟิชชัน
การฉายรังสีมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในทางการแพทย์ การเอกซเรย์ การฉายรังสี แต่ยังเกี่ยวข้องกับผลกระทบด้านลบ เช่น ระเบิดปรมาณูและกากนิวเคลียร์
