พลังงานคือสิ่งที่ทำให้ชีวิตเป็นไปได้ ไม่เพียงแต่บนโลกของเรา แต่ยังรวมถึงในจักรวาลด้วย อย่างไรก็ตาม มันอาจแตกต่างกันมาก ดังนั้น ความร้อน เสียง แสง ไฟฟ้า ไมโครเวฟ แคลอรี่ จึงเป็นพลังงานประเภทต่างๆ สำหรับกระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นรอบตัวเรา สารนี้มีความจำเป็น พลังงานส่วนใหญ่ที่มีอยู่บนโลกได้รับจากดวงอาทิตย์ แต่ก็มีแหล่งอื่นอีก ดวงอาทิตย์ถ่ายโอนมันไปยังโลกของเรามากที่สุดเท่าที่ 100 ล้านของโรงไฟฟ้าที่ทรงพลังที่สุดจะผลิตได้ในเวลาเดียวกัน
พลังงานคืออะไร
ทฤษฎีที่เสนอโดย Albert Einstein ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสสารและพลังงาน นักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่คนนี้สามารถพิสูจน์ความสามารถของสารหนึ่งในการเปลี่ยนเป็นสารอื่นได้ ในเวลาเดียวกัน ปรากฎว่าพลังงานเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการดำรงอยู่ของร่างกาย และสสารเป็นเรื่องรอง
พลังงานคือความสามารถในการทำงาน เธอคือคนที่ยืนหยัดเพื่อแนวความคิดของแรงที่สามารถเคลื่อนย้ายร่างกายหรือให้คุณสมบัติใหม่แก่มัน คำว่า "พลังงาน" หมายถึงอะไร? ฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากจากยุคและประเทศต่าง ๆ อุทิศชีวิตของพวกเขา แม้แต่อริสโตเติลยังใช้คำว่า "พลังงาน" เพื่ออ้างถึงกิจกรรมของมนุษย์ แปลจากภาษากรีก "พลังงาน" คือ "กิจกรรม", "ความแข็งแกร่ง", "การกระทำ", "พลัง" ครั้งแรกที่คำนี้ปรากฏในบทความของนักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกชื่อ "ฟิสิกส์"
ในความหมายที่ยอมรับกันทั่วไปในตอนนี้ คำนี้ถูกคิดค้นโดย Thomas Young นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เหตุการณ์สำคัญยิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อ พ.ศ. 2350 ในยุค 50 ของศตวรรษที่ XIX ช่างกลชาวอังกฤษ วิลเลียม ทอมสันเป็นคนแรกที่ใช้แนวคิดเรื่อง "พลังงานจลน์" และในปี พ.ศ. 2396 นักฟิสิกส์ชาวสก็อต วิลเลียม แรนกิน ได้แนะนำคำว่า "พลังงานศักย์"
วันนี้ปริมาณสเกลาร์นี้มีอยู่ในฟิสิกส์ทุกสาขา เป็นการวัดรูปแบบการเคลื่อนที่และการโต้ตอบของสสารในรูปแบบต่างๆ กล่าวอีกนัยหนึ่ง มันคือการวัดการเปลี่ยนแปลงของรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง
การวัดและการกำหนด
ปริมาณพลังงานมีหน่วยเป็นจูล (J) หน่วยพิเศษนี้ ขึ้นอยู่กับชนิดของพลังงาน อาจมีการกำหนดที่แตกต่างกัน เช่น:
- W คือพลังงานทั้งหมดของระบบ
- Q - ความร้อน
- U – ศักยภาพ
ประเภทของพลังงาน
พลังงานในธรรมชาติมีหลายประเภท หลักๆคือ
- เครื่องกล;
- แม่เหล็กไฟฟ้า;
- ไฟฟ้า;
- เคมี;
- ความร้อน;
- นิวเคลียร์ (อะตอม).
พลังงานยังมีอีกประเภทคือ แสง เสียง แม่เหล็ก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์จำนวนมากขึ้นมีแนวโน้มที่จะตั้งสมมติฐานว่ามีการดำรงอยู่ของพลังงานที่เรียกว่า "ความมืด" สารนี้แต่ละประเภทที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้มีลักษณะเฉพาะของตัวเอง ตัวอย่างเช่น พลังงานเสียงสามารถส่งผ่านโดยใช้คลื่น พวกเขามีส่วนทำให้เกิดการสั่นสะเทือนของแก้วหูในหูของคนและสัตว์ซึ่งต้องขอบคุณเสียงที่สามารถได้ยินได้ ในปฏิกิริยาเคมีต่างๆ พลังงานที่จำเป็นต่อชีวิตของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดจะถูกปล่อยออกมา เชื้อเพลิง อาหาร เครื่องสะสม แบตเตอรี่ ล้วนเป็นแหล่งเก็บพลังงานนี้
ดาวของเราให้พลังงานแก่โลกในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ด้วยวิธีนี้เท่านั้นที่สามารถเอาชนะพื้นที่กว้างใหญ่ของจักรวาลได้ ด้วยเทคโนโลยีที่ทันสมัย เช่น แผงโซลาร์เซลล์ เราจึงสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด พลังงานที่ไม่ได้ใช้ส่วนเกินจะถูกสะสมในโรงเก็บพลังงานพิเศษ นอกจากพลังงานที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว บ่อน้ำพุร้อน แม่น้ำ กระแสน้ำในมหาสมุทร ยังมักใช้เชื้อเพลิงชีวภาพ
พลังงานกล
พลังงานชนิดนี้มีการศึกษาในสาขาฟิสิกส์ที่เรียกว่า "กลศาสตร์" มันเขียนแทนด้วยตัวอักษร E. มีหน่วยวัดเป็นจูล (J) พลังงานนี้คืออะไร? ฟิสิกส์ของกลศาสตร์ศึกษาการเคลื่อนที่ของร่างกายและการมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันหรือกับสนามภายนอก ในกรณีนี้ พลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนไหวของร่างกายเรียกว่าจลนศาสตร์ (แสดงโดยเอก) และพลังงานที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ของร่างกายหรือสนามภายนอกเรียกว่าศักย์ (Ep) ผลรวมของการเคลื่อนไหวและการโต้ตอบคือพลังงานกลทั้งหมดของระบบ
มีกฎทั่วไปในการคำนวณทั้งสองประเภท ในการกำหนดปริมาณพลังงาน จำเป็นต้องคำนวณงานที่จำเป็นในการถ่ายโอนร่างกายจากสถานะศูนย์ไปยังสถานะนี้ ยิ่งทำงานมาก ร่างกายก็จะยิ่งมีพลังงานในสภาวะนี้มากขึ้น
การแยกสายพันธุ์ตามเกณฑ์ต่างๆ
การแบ่งปันพลังงานมีหลายประเภท ตามเกณฑ์ต่าง ๆ มันถูกแบ่งออกเป็น: ภายนอก (จลนศาสตร์และศักยภาพ) และภายใน (เครื่องกล, ความร้อน, แม่เหล็กไฟฟ้า, นิวเคลียร์, ความโน้มถ่วง) ในทางกลับกัน พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าถูกแบ่งออกเป็นแม่เหล็กและไฟฟ้า และพลังงานนิวเคลียร์ถูกแบ่งออกเป็นพลังงานของการโต้ตอบที่อ่อนแอและรุนแรง
จลนศาสตร์
วัตถุที่เคลื่อนไหวใดๆ ก็มีพลังงานจลน์โดดเด่น มักเรียกกันว่า - การขับรถ พลังงานของร่างกายที่เคลื่อนไหวจะหายไปเมื่อช้าลง ดังนั้น ยิ่งความเร็วเร็ว พลังงานจลน์ก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
เมื่อวัตถุเคลื่อนที่สัมผัสกับวัตถุที่อยู่นิ่ง ส่วนหนึ่งของจลนศาสตร์จะถูกถ่ายโอนไปยังวัตถุหลัง ตั้งค่าให้เคลื่อนไหว สูตรพลังงานจลน์มีดังต่อไปนี้:
ในคำสูตรนี้สามารถแสดงได้ดังนี้: พลังงานจลน์ของวัตถุคือผลคูณของมวลคูณครึ่งหนึ่งของความเร็ว
ศักยภาพ
พลังงานประเภทนี้ถูกครอบครองโดยร่างกายที่อยู่ในสนามพลังบางอย่าง ดังนั้นแม่เหล็กจึงเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก วัตถุทั้งหมดบนโลกมีพลังงานโน้มถ่วงที่อาจเกิดขึ้น
สามารถมีพลังงานศักย์ต่างกันได้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัตถุที่ศึกษา ดังนั้นร่างกายที่ยืดหยุ่นและยืดหยุ่นที่สามารถยืดตัวได้จึงมีพลังงานยืดหยุ่นหรือตึงเครียด ร่างกายที่ร่วงหล่นซึ่งก่อนหน้านี้ไม่มีการเคลื่อนไหวจะสูญเสียศักยภาพและได้รับจลนศาสตร์ ในกรณีนี้มูลค่าของทั้งสองประเภทนี้จะเท่ากัน ในสนามโน้มถ่วงของโลกของเรา สูตรพลังงานศักย์จะมีลักษณะดังนี้:
ในคำพูด สูตรนี้สามารถแสดงได้ดังนี้: พลังงานศักย์ของวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์กับโลกเท่ากับผลคูณของมวลของมัน ความเร่งของแรงโน้มถ่วงและความสูงที่มันตั้งอยู่
ค่าสเกลาร์นี้เป็นลักษณะเฉพาะของการสำรองพลังงานของจุดวัสดุ (ร่างกาย) ที่อยู่ในสนามแรงที่อาจเกิดขึ้นและเคยได้รับพลังงานจลน์จากการทำงานของแรงในสนาม บางครั้งเรียกว่าฟังก์ชันพิกัด ซึ่งเป็นคำศัพท์ในระบบ Langrangian (ฟังก์ชัน Lagrange ของระบบไดนามิก) ระบบนี้อธิบายการโต้ตอบของพวกเขา
พลังงานศักย์เท่ากับศูนย์สำหรับโครงร่างบางอย่างของร่างกายที่อยู่ในอวกาศ ทางเลือกของการกำหนดค่าจะถูกกำหนดโดยความสะดวกในการคำนวณเพิ่มเติม และเรียกว่า "การทำให้เป็นมาตรฐานของพลังงานศักย์"
กฎการอนุรักษ์พลังงาน
หลักการพื้นฐานของฟิสิกส์อย่างหนึ่งคือกฎการอนุรักษ์พลังงาน ตามที่เขาพูดพลังงานไม่ปรากฏขึ้นจากทุกที่และไม่หายไปทุกที่ มันเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปอีกรูปแบบหนึ่งอย่างต่อเนื่อง กล่าวอีกนัยหนึ่งมีเพียงการเปลี่ยนแปลงพลังงานเท่านั้น ตัวอย่างเช่น พลังงานเคมีของแบตเตอรี่ไฟฉายจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า จากนั้นเปลี่ยนเป็นแสงและความร้อน เครื่องใช้ในครัวเรือนต่างๆ เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นแสง ความร้อน หรือเสียง ส่วนใหญ่แล้วผลลัพธ์สุดท้ายของการเปลี่ยนแปลงคือความร้อนและแสง หลังจากนั้นพลังงานจะเข้าสู่อวกาศโดยรอบ
กฎแห่งพลังงานอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพได้หลายอย่าง นักวิทยาศาสตร์ให้เหตุผลว่าปริมาตรรวมของมันในเอกภพยังคงไม่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ไม่มีใครสามารถสร้างพลังงานใหม่หรือทำลายมันได้ ในการพัฒนารูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง ผู้คนใช้พลังงานของเชื้อเพลิง น้ำที่ตกลงมา อะตอม ในขณะเดียวกัน รูปแบบหนึ่งก็กลายเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง
ในปี 1918 นักวิทยาศาสตร์สามารถพิสูจน์ได้ว่ากฎการอนุรักษ์พลังงานเป็นผลที่ตามมาทางคณิตศาสตร์ของความสมมาตรเชิงการแปลของเวลา - ค่าของพลังงานคอนจูเกต กล่าวอีกนัยหนึ่ง พลังงานถูกอนุรักษ์ไว้เนื่องจากกฎของฟิสิกส์ไม่แตกต่างกันในแต่ละช่วงเวลา
คุณสมบัติด้านพลังงาน
พลังงานคือความสามารถของร่างกายในการทำงาน ในที่ปิดระบบทางกายภาพนั้นได้รับการอนุรักษ์ไว้ตลอดเวลา (ตราบใดที่ระบบปิดอยู่) และเป็นหนึ่งในสามอินทิกรัลเพิ่มเติมของการเคลื่อนที่ที่คงค่าไว้ระหว่างการเคลื่อนไหว ได้แก่ พลังงาน โมเมนตัมเชิงมุม โมเมนตัม การแนะนำแนวคิดของ "พลังงาน" มีความเหมาะสมเมื่อระบบทางกายภาพเป็นเนื้อเดียวกันในเวลา
พลังงานภายในร่างกาย
เป็นผลรวมของพลังงานของปฏิกิริยาของโมเลกุลและการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลที่ประกอบกัน ไม่สามารถวัดได้โดยตรงเพราะเป็นหน้าที่ที่ชัดเจนของสถานะของระบบ เมื่อใดก็ตามที่ระบบพบว่าตัวเองอยู่ในสถานะที่กำหนด พลังงานภายในของระบบก็มีคุณค่าโดยธรรมชาติ โดยไม่คำนึงถึงประวัติศาสตร์ของการดำรงอยู่ของระบบ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะทางกายภาพหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งจะเท่ากับความแตกต่างระหว่างค่าในสถานะสุดท้ายและสถานะเริ่มต้นเสมอ
พลังงานภายในของแก๊ส
นอกจากของแข็งแล้ว ก๊าซยังมีพลังงานอีกด้วย มันแสดงถึงพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน (วุ่นวาย) ของอนุภาคของระบบ ซึ่งรวมถึงอะตอม โมเลกุล อิเล็กตรอน นิวเคลียส พลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติ (แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของก๊าซ) คือผลรวมของพลังงานจลน์ของอนุภาค โดยคำนึงถึงจำนวนองศาอิสระซึ่งเป็นจำนวนตัวแปรอิสระที่กำหนดตำแหน่งของโมเลกุลในอวกาศ
การใช้พลังงาน
ทุกๆ ปี มนุษยชาติใช้ทรัพยากรพลังงานมากขึ้นเรื่อยๆ ส่วนใหญ่มักจะเป็นพลังงานจำเป็นสำหรับการให้แสงสว่างและความร้อนแก่บ้านของเรา การทำงานของยานพาหนะและกลไกต่างๆ ที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนจากฟอสซิล เช่น ถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซ สิ่งเหล่านี้เป็นทรัพยากรที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้
น่าเสียดาย พลังงานเพียงเล็กน้อยในโลกของเรามาจากทรัพยากรหมุนเวียน เช่น น้ำ ลม และดวงอาทิตย์ จนถึงปัจจุบันส่วนแบ่งในภาคพลังงานเพียง 5% คนอีก 3% ได้รับในรูปของพลังงานนิวเคลียร์ที่ผลิตในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
ทรัพยากรที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้มีทุนสำรองดังต่อไปนี้ (เป็นจูล):
- พลังงานนิวเคลียร์ - 2 x 1024;
- พลังงานแก๊สและน้ำมัน – 2 x 10 23;
- ความร้อนภายในของโลก - 5 x 1020.
มูลค่าประจำปีของทรัพยากรหมุนเวียนของโลก:
- พลังงานแสงอาทิตย์ - 2 x 1024;
- ลม - 6 x 1021;
- แม่น้ำ - 6, 5 x 1019;
- กระแสน้ำ - 2.5 x 1023.
ด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างทันท่วงทีจากการใช้พลังงานสำรองของโลกที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้เป็นพลังงานหมุนเวียน มนุษยชาติมีโอกาสที่จะมีชีวิตยืนยาวและมีความสุขบนโลกของเรา เพื่อนำการพัฒนาที่ล้ำสมัยมาใช้ นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกยังคงศึกษาคุณสมบัติต่างๆ ของพลังงานอย่างถี่ถ้วนต่อไป