พลังงาน, งาน และกำลัง
| English | ไทย |
|---|---|
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | พลังงานจลน์ |
| gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ | พลังงานศักย์โน้มถ่วง |
| conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | กฎการอนุรักษ์พลังงาน |
| Sankey diagram/ˈsæŋki ˈdaɪəɡræm/ | แผนภาพซานกี |
| work done/wɜːk dʌn/ | งานที่ทำ |
| joule/dʒuːl/ | จูล |
| power/ˈpaʊə/ | กำลัง |
| efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ | ประสิทธิภาพ |
| watt/wɒt/ | วัตต์ |
พลังงานไม่เคยหายไป
- ที่ยอดเขาของรถเหวี่ยง รถจะเคลื่อนที่ช้าแต่สูง; ที่ฐานรถจะเคลื่อนที่เร็วแต่ต่ำ
- พลังงานไม่ได้หายไป — มันเพียง เคลื่อนย้าย จากที่เก็บหนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งเท่านั้น
- นี่คือแนวคิดหลักของบทเรียนนี้: พลังงานมีลักษณะเป็น การเก็บรักษา, การถ่ายโอน, และมีการ อนุรักษ์ เสมอ
ที่เก็บพลังงานและการถ่ายโอนพลังงาน
- พลังงานสามารถถูก เก็บรักษา ไว้ในรูป: พลังงานจลน์, พลังงานศักย์โน้มถ่วง, เคมี, ยืดหยุ่น (ความเครียด), นิวเคลียร์, อิเล็กสแตติก, และภายใน (ความร้อน)
- พลังงานถูก ถ่ายโอน ระหว่างที่เก็บโดย: แรง (งานกล), กระแสไฟฟ้า, การให้ความร้อน, และคลื่น (เช่น แสงและเสียง)
- คำว่า "การใช้พลังงาน" จริงๆ แล้วหมายถึงการย้ายมันจากที่เก็บหนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง
กังหันลมถ่ายโอนพลังงานจากอากาศที่เคลื่อนที่ไปเป็นไฟฟ้า
Energy flow & efficiency
พลังงานเข้าแบ่งออกเป็นพลังงาน有用และพลังงานสิ้นเปลือง ประสิทธิภาพคือส่วนที่เป็นประโยชน์ และรวมทั้งหมดจะถูกอนุรักษ์เสมอ
พลังงาน งาน กำลัง
PE + KE = ค่าคงที่
เมื่อวัตถุตก下来 พลังงานศักย์ เปลี่ยนเป็น พลังงานจลน์ — รวมคงที่
เลือก ทั้งหมด ของสิ่งเหล่านี้ที่เป็น แหล่งเก็บพลังงาน
พลังงานจลน์ เคมี และพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นแหล่งเก็บพลังงาน “ดัง” และ “เร็ว” อธิบายสิ่งต่างๆ แต่ไม่ใช่แหล่งเก็บพลังงาน
พลังงานจลน์และพลังงานศักย์
- พลังงานจลน์ คือพลังงานของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่:
- การยกมวลขึ้นด้วยความสูง $\Delta h$ จะเปลี่ยน พลังงานศักย์โน้มถ่วง ของมัน:
- วัตถุที่ตกจะแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วงให้เป็นพลังงานจลน์
ลูกบอลมวล $2.0\ \text{kg}$ เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว $3.0\ \text{m/s}$ พลังงานจลน์是多少? ในหน่วย J?
$E_k = \tfrac{1}{2}mv^2 = \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 3.0^2 = 9.0\ \text{J}$.
กฎการอนุรักษ์พลังงาน
- หลักการอนุรักษ์พลังงาน: พลังงานไม่ถูกสร้างหรือทำลาย — มันเพียงเคลื่อนย้ายระหว่างที่เก็บเท่านั้น
- พลังงานบางส่วนจะถูก สิ้นเปลือง เสมอ — โดยมักกระจายออกเป็นความร้อนสู่สิ่งแวดล้อม
- แผนภาพ_sankey แสดงพลังงานเข้าที่แยกออกเป็นพลังงานที่มีประโยชน์และพลังงานที่สิ้นเปลือง
บนรถเหวี่ยง พลังงานที่เก็บไว้ที่ยอดจะกลายเป็นพลังงานจลน์ด้านล่าง
เมื่อเครื่องจักรสิ้นเปลืองพลังงาน พลังงานที่สิ้นเปลืองมัก去哪?
พลังงานถูกอนุรักษ์ — ไม่เคยหายไป พลังงานที่สูญเสียไปมักจะกระจายตัวในรูปของความร้อน ซึ่งยากที่จะนำมาใช้ได้อีกครั้ง
งาน
- งานที่ทำ เท่ากับการถ่ายโอนพลังงาน เมื่อมีแรงเคลื่อนที่วัตถุไปตามทิศทางของมัน:
- หน่วยของงานและพลังงานคือ จูล (J)
- การยกน้ำหนักที่หนักขึ้น หรือเคลื่อนที่ยิ่งไกลขึ้น จะทำางมากขึ้น
ลูกตุ้มนานาเล็งแลกเปลี่ยนพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นพลังงานจลน์และกลับคืนมา
แรง $50\ \text{N}$ ดันกล่อง $4.0\ \text{m}$ ตามพื้นดิน การทำงานที่ทำไปมีค่าเท่าใด ในหน่วย J?
$W = Fd = 50 \times 4.0 = 200\ \text{J}$.
กำลังและประสิทธิภาพ
- กำลัง คืองานที่ทำ (การถ่ายโอนพลังงาน) ต่อทุกวินาที:
- หน่วยคือ วัตต์ (W); $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$
- ประสิทธิภาพ คือสัดส่วนของพลังงานเข้าที่ถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานที่มีประโยชน์:
- มันจะน้อยกว่า $100\%$ เสมอเนื่องจากมีพลังงานส่วนหนึ่งสิ้นเปลืองเสมอ
แผนภาพ_sankey: ความกว้างของแถบแปรผันตามพลังงาน ดังนั้นพลังงานเข้าจึงแยกเป็นเอาต์พุตที่มีประโยชน์และความร้อนที่สิ้นเปลือง
มอเตอร์ทำงาน $200\ \text{J}$ ในเวลา $10\ \text{s}$ กำลังไฟฟ้าของมอเตอร์มีค่าเท่าใด ในหน่วย W?
$P = \dfrac{W}{t} = \dfrac{200}{10} = 20\ \text{W}$.
โคมไฟรับพลังงานไฟฟ้าเข้า $50\ \text{J}$ และปล่อยแสงที่มีประโยชน์ออกมา $30\ \text{J}$ ประสิทธิภาพของโคมไฟมีค่าเท่าใด ในหน่วย %?
ประสิทธิภาพ $= \dfrac{\text{useful}}{\text{total}} \times 100\% = \dfrac{30}{50} \times 100\% = 60\%$.
คุณเข้าใจแล้ว
- $E_k = \tfrac{1}{2}mv^2$ · $\Delta E_p = mg\,\Delta h$
- พลังงานถูก อนุรักษ์ — พลังงานที่สิ้นเปลืองมักจะจบลงเป็นความร้อน
- งาน $W = Fd$ (จูล); กำลัง $P = \dfrac{W}{t}$ (วัตต์)
- ประสิทธิภาพ $= \dfrac{\text{useful}}{\text{total}} \times 100\%$, น้อยกว่า $100\%$ เสมอ