พลังงาน

พลังงาน
หลอดไฟพลาสม่าที่ใช้พลังงานไฟฟ้าสร้างแสงพลาสม่า ความร้อน การเคลื่อนไหวและเสียงแผ่ว
สัญลักษณ์ทั่วไป	E
หน่วยเอสไอ	จูล
หน่วยอื่น	kW⋅h, BTU, แคลอรี, eV, erg, ฟุต-ปอนด์
ในหน่วยฐานเอสไอ	J = kg m2 s−2
เอ็กเทนซีฟ	ใช่
ปริมาณอนุรักษ์	ใช่
มิติ	M L2 T−2

สายฟ้าเป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงาน รูปแบบหนึ่งที่สามารถมองเห็นได้ ฟ้าผ่าครั้งหนึ่ง อาจมีพลังงานศักย์ไฟฟ้า 500 megajoules ถูกเปลี่ยนให้เป็นพลังงานแสง พลังงานเสียงและพลังงานความร้อน

ในทางฟิสิกส์ พลังงาน (อังกฤษ: Energy) หมายถึง ความสามารถซึ่งมีอยู่ในตัวของสิ่งที่อาจให้แรงงาน เป็นกำลังงานที่ใช้ในช่วงเวลาหนึ่ง หรือระยะทางหนึ่ง มีค่าเป็น จูล หรือ Joule ในทางฟิสิกส์ พลังงานเป็นหนึ่งในคุณสมบัติเชิงปริมาณพื้นฐานที่อธิบายระบบทางกายภาพหรือสถานะของวัตถุ พลังงานสามารถเปลี่ยนรูป (แปลงรูป) ได้หลายรูปแบบที่แต่ละแบบอาจจะชัดเจนและสามารถวัดได้ในหลายรูปแบบที่แตกต่างกัน กฎของการอนุรักษ์พลังงานระบุว่า พลังงาน (ทั้งหมด) ของระบบสามารถเพิ่มหรือลดได้โดยการถ่ายโอนเข้าหรือออกจากระบบเท่านั้น พลังงานทั้งหมดของระบบใด ๆ สามารถคำนวณได้โดยการรวมกันอย่างง่าย ๆ เมื่อมันประกอบด้วยชิ้นส่วนที่ไม่มีการปฏิสัมพันธ์ทั้งหลายหรือมีหลายรูปแบบของพลังงานที่แตกต่างกัน รูปแบบของพลังงานทั่วไปประกอบด้วยพลังงานจลน์ของวัตถุเคลื่อนที่, พลังงานที่แผ่รังสีออกมาโดยแสงและการแผ่รังสีของแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ และประเภทต่าง ๆ ของพลังงานศักย์ เช่นแรงโน้มถ่วงและความยืดหยุ่น ประเภททั่วไปของการถ่ายโอนและการเปลี่ยนแปลงพลังงานประกอบด้วยกระบวนการ เช่นการให้ความร้อนกับวัสดุ, การปฏิบัติงานทางกลไกบนวัตถุ, การสร้างหรือการใช้พลังงานไฟฟ้า และปฏิกิริยาทางเคมีจำนวนมาก

หน่วยของการวัดพลังงานมักจะถูกกำหนดโดยผ่านกระบวนการของการทำงาน งานที่ทำโดยสิ่งหนึ่งบนอีกสิ่งหนึ่งถูกกำหนดไว้ในฟิสิกส์ว่า เป็นแรง (หน่วย SI : นิวตัน) ที่ทำโดยสิ่งนั้นคูณด้วย ระยะทาง (หน่วย SI : เมตร) ของการเคลื่อนไหวเพื่อต่อสู้กับแรงที่กระทำโดยฝ่ายตรงข้าม ดังนั้น หน่วยพลังงานเป็นนิวตัน-เมตร หรือที่เรียกว่า จูล หน่วย SI ของกำลัง (พลังงานต่อหน่วยเวลา) เป็นวัตต์ หรือแค่ จูลต่อวินาที ดังนั้น จูลเท่ากับ วัตต์-วินาที หรือ 3600 จูลส์เท่ากับหนึ่งวัตต์-ชั่วโมง หน่วยพลังงาน CGS เป็น เอิร์ก, และหน่วยอิมพีเรียลและสหรัฐอเมริกาเป็น ฟุตปอนด์ หน่วยพลังงานอื่น ๆ เช่น อิเล็กตรอนโวลต์, แคลอรี่อาหารหรือกิโลแคลอรีอุณหพลศาสตร์ (ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของน้ำในกระบวนการให้ความร้อน) และ บีทียู ถูกใช้ในพื้นที่เฉพาะของวิทยาศาสตร์และการพาณิชย์ และมีปัจจัยการแปลงหน่วยที่เกี่ยวข้องให้เป็น จูล

พลังงานศักย์เป็นพลังงานที่ถูกเก็บไว้โดยอาศัยอำนาจตามตำแหน่งของวัตถุในสนามพลังเช่นสนามแรงโน้มถ่วง, สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น การยกวัตถุที่ต้านกับแรงโน้มถ่วงทำงานบนวัตถุและเก็บรักษาพลังงานที่มีศักยภาพของแรงโน้มถ่วง ถ้ามันตก แรงโน้มถ่วงไม่ได้ทำงานบนวัตถุซึ่งแปลงพลังงานศักย์ให้เป็นพลังงานจลน์ที่เกี่ยวข้องกับความเร็ว บางรูปแบบเฉพาะของพลังงานได้แก่พลังงานยืดหยุ่นเนื่องจากการยืดหรือการเปลี่ยนรูปของวัตถุของแข็ง, พลังงานเคมีเช่นที่ถูกปล่อยออกมาเมื่อเผาไหม้น้ำมันเชื้อเพลิงและพลังงานความร้อน, พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ขนาดเล็ก ๆ ของการเคลื่อนไหวที่ไม่มีทิศทางของอนุภาคทำให้เป็นเรื่องขึ้นมา

ไม่ใช่ทั้งหมดของพลังงานในระบบจะสามารถถูกเปลี่ยนหรือถูกโอนโดยกระบวนการของงาน; ปริมาณที่สามารถจะถูกปลี่ยนหรือถูกโอนเรียกว่าพลังงานที่มีอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์จะจำกัดปริมาณของพลังงานความร้อนที่สามารถถูกเปลี่ยนให้เป็นพลังงานรูปอื่น ๆ พลังงานรูปแบบเชิงกลและอื่น ๆ สามารถถูกเปลี่ยนในทิศทางอื่น ๆ ให้เป็นพลังงานความร้อนโดยไม่มีข้อจำกัดดังกล่าว

วัตถุใด ๆ ที่มีมวลเมื่อหยุดนิ่ง (จึงเรียกว่ามวลนิ่ง) มีพลังงานนิ่งที่สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ ของ Albert Einstein E = mc² การเป็นรูปแบบของพลังงานแบบหนึ่ง, พลังงานนิ่งสามารถถูกเปลี่ยนไปยังหรือจากรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงาน ในขณะที่ปริมาณทั้งหมดของพลังงานไม่เปลี่ยนแปลง จากมุมมองนี้ จำนวนของสสารในจักรวาลก่อให้เกิดการรวมของพลังงานทั้งหมด

ในทำนองเดียวกัน พลังงานทั้งหมดจะปรากฏเป็นจำนวนสัดส่วนของมวล ตัวอย่างเช่นการเพิ่ม 25 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (90 megajoules) ของรูปแบบใด ๆ ของพลังงานให้กับวัตถุหนึ่งจะเพิ่มมวลของวัตถุนั้นอีก 1 ไมโครกรัม หากคุณมีเครื่องชั่งมวลที่ไวพอ การเพิ่มขึ้นของมวลนี้สามารถวัดได้ ดวงอาทิตย์ของเรา (หรือระเบิดนิวเคลียร์) จะแปลงพลังงานศักย์นิวเคลียร์ไปเป็นรูปแบบอื่นของ พลังงาน มวลรวมของมันไม่ได้ลดลง เพราะมันยังคงมีพลังงานทั้งหมดเหมือนเดิม เพียงแต่อยู่ในรูปแบบอื่น แต่มวลของมันลดลงจริงเมื่อพลังงานหนีออกไปยังสภาพแวดล้อม ส่วนใหญ่เป็นพลังงานที่แผ่รังสี

รูปแบบใหม่ของพลังงานไม่สามารถกำหนดกฎเกณฑ์ตามใจได้ เพื่อที่จะให้ถูกต้อง มันจะต้องถูก แสดงให้เห็นว่าสามารถเปลี่ยนรูปไปยังหรือจากจำนวนที่คาดการณ์ได้ของพลังงานบางรูปแบบที่รู้จักกัน นี่จึงแสดงให้เห็นว่าปริมาณพลังงานจะมากแค่ไหนที่มันเป็นตัวแทนในหน่วยเดียวกันที่ใช้ ในรูปแบบอื่น มันจะต้องปฏิบัติตามการอนุรักษ์พลังงาน ดังนั้นมันจะต้องไม่ลดหรือเพิ่ม ยกเว้น ผ่านการเปลี่ยนแปลง (หรือถ่ายโอน) ดังกล่าว นอกจากนี้ ถ้ารูปแบบใหม่ของพลังงานที่ถูกกล่าวหาสามารถแสดงว่าจะไม่เปลี่ยนมวลของระบบในสัดส่วนกับพลังงานของมัน ดังนั้น มันไม่ได้เป็น รูปแบบของพลังงาน

สิ่งมีชีวิตต้องการพลังงานเพื่อยังคงมีชีวิตอยู่; มนุษย์ได้รับพลังงานดังกล่าวจากอาหารพร้อมกับ ออกซิเจนที่จำเป็นในการเผาผลาญอาหารนั้น อารยธรรมต้องการอุปทานของพลังงานในการ ทำงาน; แหล่งพลังงาน เช่นเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นหัวข้อสำคัญในด้านเศรษฐกิจและการเมือง สภาพภูมิอากาศและระบบนิเวศของโลกถูกขับเคลื่อนด้วยพลังงานแผ่รังสีที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์ (เช่นเดียวกับพลังงานความร้อนใต้พิภพที่มีอยู่ในโลก) และมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงในปริมาณที่ได้รับ

ตัวอย่างของพลังงานได้แก่ พลังงานไฟฟ้า ในแบตเตอรี่ พลังงานเคมีในอาหาร พลังงานความร้อนของเครื่องทำน้ำร้อน หรือพลังงานศักย์ของน้ำที่อยู่เหนือเขื่อน

พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปจากรูปแบบหนึ่งไปสู่รูปแบบอื่นได้ โดยกฎการอนุรักษ์พลังงานระบุว่า ในระบบปิดนั้น พลังงานทั้งหมดที่ประกอบขึ้นจากพลังงานของส่วนย่อย ๆ จะมีค่าคงที่เสมอ

พลังงานที่ว่านี้ไม่สามารถจะทำให้สูญสลายไปได้ เว้นแต่ว่าจะแปรเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของพลังงานในรูปแบบอื่น ยกตัวอย่างเช่น

• เปลี่ยนพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านเรือน (โดยใช้โซลาร์เซลล์)
• เปลี่ยนพลังงานสะสมที่มีอยู่ในน้ำที่เก็บไว้ในเขื่อน (พลังงานศักย์) มาเป็นพลังงานที่ใช้ขับเคลื่อนไดนาโม (พลังงานจลน์) ของโรงไฟฟ้า

และยังมีพลังงานอีกหลายรูปแบบที่เราสามารถนำมาใช้ได้แต่ยังไม่ได้นำมาใช้หรือยังไม่ได้คิดค้นขึ้นมา เช่น พลังงานจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบฟิวชั่น เป็นต้น

• ความแตกต่างของพลังงาน (energy) และ กำลังงาน (power) มีดังนี้

พลังงาน (energy) คือความสามารถทำงานได้ในช่วงเวลาหนึ่ง หรือระยะทางหนึ่ง เช่นเราเปิดไฟแสงสว่าง 100 วัตต์ทิ้งไว้ 24 ชม หมายความว่า เราใช้พลังงานไป 100x24=2400 วัตต์-ชม หรือ 2.4 kWh หรือ 2.4 หน่วยไฟฟ้า คือต้องมีหน่วยบอกเวลาหรือระยะทางเสมอ

กำลังในการทำงาน (power) คืออัตราที่งานนั้นถูกทำหรือปริมาณกำลังงานที่สามารถทำได้ เช่นแบตเตอรีรถยนต์ขนาด 12V 500A แสดงว่ามีกำลัง 12x500=6000 วัตต์ หรือ 6 kW (ไม่บอกว่า สามารถทำงานได้นานเท่าไร)

รูปแบบของพลังงาน

บทความหลัก: Forms of energy

พลังงานมีอยู่ในหลายรูปแบบ ได้แก่:

ในบริบทของวิทยาศาสตร์ทางกายภาพ พลังงานมีหลายรูปแบบที่ได้รับการระบุ เหล่านี้ประกอบด้วย:

• พลังงานจลน์ (อังกฤษ: Kinetic) (มีหรือไม่มี, วัดเป็นปริมาณไม่ได้), ของการเคลื่อนไหวของร่างกาย
• พลังงานศักย์, ประเภทหนึ่ง ที่ประกอบไปด้วยหลายรูปแบบในรายการนี้
• พลังงานกลไก, ผลรวมของ (ปกติเล็ก ๆ) พลังงานจลน์และพลังงานศักย์
• พลังงานคลื่นกลไก (มีหรือไม่มี), รูปแบบของพลังงานกลที่ถูกแพร่กระจายโดยการแกว่งของวัสดุเช่นที่สร้างคลื่นพื้นผิวมหาสมุทรหรือที่สร้างเสียง
• พลังงานเคมี
• พลังงานไฟฟ้า
• พลังงานแม่เหล็ก
• พลังงานการแผ่รังสี (อังกฤษ: Radiant) (มีหรือไม่มี), ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารวมทั้งแสง
• พลังงานนิวเคลียร์, การพันธนาการของนิวคลีออนให้อยู่ในรูปของนิวเคลียสอะตอม
• พลังงานไอออนไนเซชั่น, การพันธนาการของหนึ่งอิเล็กตรอนกับอะตอมหรือโมเลกุลของมัน
• พลังงานยืดหยุ่น
• พลังงานแรงโน้มถ่วง
• พลังงานภายใน พลังงานนิ่ง (มีหรือไม่มี) เทียบเท่ากับมวลนิ่งของวัตถุ
• พลังงานความร้อน, เทียบเท่าขนาดเล็กของพลังงานกล

พลังงานอุณหภูมิเป็นพลังงานขององค์ประกอบโมเลกุลของสสาร ซึ่งอาจประกอบด้วยทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์

• พลังงานความร้อนเป็นเพียงแค่ปริมาณของพลังงานอุณหภูมิที่กำลังถูกถ่ายโอน (ในขั้นตอนที่กำหนด) ในทิศทางของอุณหภูมิที่ลดลง
• งานเครื่องกลเป็นเพียงปริมาณของพลังงาน (กล) ที่กำลังถูกโอน (ในขั้นตอนที่กำหนด) เนื่องจาก การเคลื่อนที่ไปในทิศทางของแรงที่ถูกใส่เข้าไป

บางรายชื่อที่อยู่ในรายการข้างต้นเป็นตัวของมันเองหรือเป็นส่วนประกอบของรายชื่ออื่น ๆ รายการไม่จำเป็นต้องสมบูรณ์ เมื่อใดก็ตามที่นักวิทยาศาสตร์ทางกายภาพพบว่า ปรากฏการณ์บางอย่าง ที่ดูเหมือนจะละเมิดกฎของการอนุรักษ์พลังงาน รูปแบบใหม่ของพลังงานโดยทั่วไปจะถูกเพิ่มเพื่ออธิบายความแตกต่าง

ความร้อนและงานเป็นกรณีพิเศษที่พวกมันจะไม่เป็นคุณสมบัติของระบบ แต่จะเป็นคุณสมบัติของกระบวนการถ่ายโอนพลังงานแทน โดยทั่วไปเราไม่สามารถวัดว่ามีความร้อนหรืองานเท่าไรที่ เกิดบนวัตถุนั้น รู้แต่เพียงมีพลังงานเท่าไรที่ถูกถ่ายโอนระหว่างวัตถุในรูปแบบบางอย่างในระหว่าง การเกิดขึ้นของกระบวนการที่กำหนดซะมากกว่า ความร้อนและงานจะถูกวัดว่าเป็นบวกหรือลบ ขึ้นอยู่กับเรามองการถ่ายโอนของพวกมันจากด้านไหน

กลศาสตร์คลาสสิกมีความแตกต่างระหว่างพลังงานจลน์ (ที่จะถูกกำหนดโดยการเคลื่อนไหวของวัตถุผ่านพื้นที่) และพลังงานศักย์ (ที่เป็นหน้าที่หนี่งของตำแหน่งของวัตถุภายในสนามแรงใด ๆ) ซึ่งอาจจะเกี่ยวข้องกับการจัดเรียงตัวของวัตถุหรืออนุภาคอื่น ๆ เหล่านี้ประกอบด้วยพลังงานแรงโน้มถ่วง (ซึ่งถูกเก็บไว้ในทางที่มวลทั้งหลายจะถูกจัดวางในสนามแรงโน้มถ่วง), หลายประเภทของพลังงานนิวเคลียร์ (ซึ่งใช้ประโยชน์จากศักยภาพของแรงนิวเคลียร์และแรงที่อ่อนแอ), พลังงานไฟฟ้า (จากสนามไฟฟ้า) และพลังงานแม่เหล็ก (จากสนามแม่เหล็ก)

พลังงานอื่น ๆ ที่คุ้นเคยเป็นส่วนผสมที่เปลี่ยนแปรไปของทั้งพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ ตัวอย่างหนึ่งคือพลังงานกล ซึ่งเป็นผลรวมของ (ปกติเล็ก ๆ) พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ใน ระบบหนึ่ง พลังงานยืดหยุ่นในวัสดุยังขึ้นอยู่กับพลังงานศักย์ไฟฟ้า (ในอะตอมและโมเลกุล) เหมือนเป็นพลังงานเคมี ซึ่งจะถูกเก็บไว้และถูกปล่อยออกมาจากอ่างเก็บที่มีพลังงานศักย์ไฟฟ้า ระหว่างอิเล็กตรอนด้วยกันและระหว่างโมเลกุลด้วยกันหรือระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่ดึงดูด พวกมัน

พลังงานศักย์มักจะถูกวัดเป็นบวกหรือลบขึ้นอยู่กับว่าพวกมันจะมีมากกว่าหรือน้อยกว่าพลังงาน ของสถาวะหรือคอนฟิกูเรชั่นพื้นฐานที่ระบุ เช่นสองร่างที่มีปฏิสัมพันธ์กันที่ถูกแยกห่างกันสิ้นเชิง

คลื่นพลังงาน (เช่นพลังงานแผ่รังสีหรือเสียง), พลังงานจลน์ และพลังงานนิ่ง แต่ละตัวจะมากกว่าหรือเท่ากับศูนย์ เพราะพวกมันจะถุกวัดเทียบกับสถาวะพื้นฐานของพลังงานที่ศูนย์ได้แก่ "ไม่มีคลื่น", "ไม่มีการเคลื่อนไหว" และ "ไม่มีแรงเฉื่อย" ตามลำดับ

มีความพยายามที่จะจัดหมวดหมู่ทุกรูปแบบของพลังงานว่าจะเป็นพลังงานจลน์หรือพลังงานศักย์ แต่ ริชาร์ด ไฟน์แมน ชี้ให้เห็น : "ความคิดเหล่านี้ของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ขึ้นอยู่กับความเชื่อในเรื่องของขนาดความยาว ตัวอย่างเช่น คนหนึ่งสามารถพูดถึงพลังศักย์และพลังงานจลน์เล็ก ๆ ซึ่ง ไม่รวมถึงพลังงานอุณหภูมิ นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่เรียกว่า พลังงานศักย์เคมีเป็นความคิดเล็ก ๆ และการตรวจสอบที่ใกล้ชิด แสดงให้เห็นว่าจริง ๆ แล้วเป็นผลรวมของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ในระดับอะตอมและโมเลกุล คำพูดที่คล้ายกันนำไปใช้กับพลังงาน"ศักย์" นิวเคลียร์และพลังงานรูปแบบอื่น ๆ ส่วนใหญ่ การพึ่งพาในระดับความยาวนี้เป็นสิ่งที่ไม่ใช่ปัญหา หากระยะความยาวต่าง ๆ ถูกปลดออกซึ่งมักเกิดขึ้นบ่อย ๆ แต่ความสับสนสามารถเกิดขึ้นเมื่อเครื่องชั่งความยาวที่แตกต่างกันถูกจับคู่ ตัวอย่างเช่น เมื่อแรงเสียดทานแปลงงานเล็ก ๆ ให้เป็นพลังงานอุณหภูมิขนาดเล็ก ๆ"

นอกจากนี้ ความเร็วสัมพันธ์ ที่กำหนดพลังงานจลน์เป็นตัวปัญหาเพราะพลังงานที่เกิดจากการ เคลื่อนไหวของร่างกายไม่เพียงมีส่วนร่วมในการรวมพลังงานทั้งหมดเช่นเดียวกับที่มันทำที่ความเร็วคลาสสิก

พลังงานอาจจะถูกเปลี่ยนระหว่างรูปแบบที่แตกต่างกันที่ประสิทธิภาพต่าง ๆ รายการที่แปลง ระหว่างรูปแบบเหล่านี้จะถูกเรียกว่า transducers

ดูเพิ่ม

• พลังงานกล
• พลังงานเคมี
• พลังงานคลื่น
• พลังงานความร้อน
• พลังงานทดแทน
• พลังงานนิวเคลียร์
• พลังงานน้ำ
• พลังงานลม
• พลังงานแสงอาทิตย์
• พลังงานไฟฟ้า
• พลังงานแม่เหล็ก
• พลังงานที่เกิดจากการแผ่รังสี
• Elastic energy
• พลังงานเสียง
• พลังงานโน้มถ่วง
• พลังงานมวล e=mc^2

อ้างอิง

• Walding, Richard, Rapkins, Greg, Rossiter, Glenn (1999-11-01). New Century Senior Physics. Melbourne, Australia: Oxford University Press. ISBN 0-19-551084-4.