พลังงานคืออะไร?

พลังงานแสดงออกในรูปแบบต่างๆ และสัมพันธ์กับความสามารถในการผลิตงาน

พลังงาน

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