หน่วยที่ 2: พลังงานและการอนุรักษ์พลังงาน (Energy and Conservation of Energy)

2.3 กฎการอนุรักษ์พลังงาน: พลังงานไม่สูญหายไป แต่เปลี่ยนรูป

กฎการอนุรักษ์พลังงานเป็นหนึ่งในกฎพื้นฐานของฟิสิกส์ที่ระบุว่าพลังงานไม่สามารถถูกสร้างขึ้นหรือทำลายได้ แต่สามารถเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งได้ ซึ่งหมายความว่าพลังงานทั้งหมดในระบบปิดจะคงที่เสมอ

กฎนี้เป็นพื้นฐานสำคัญในการทำความเข้าใจระบบทางธรรมชาติและกระบวนการต่าง ๆ เช่น การเคลื่อนที่ของวัตถุ การเปลี่ยนพลังงานจากพลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์ หรือการเปลี่ยนพลังงานเคมีในอาหารเป็นพลังงานกลในร่างกายมนุษย์

1. การเปลี่ยนรูปของพลังงานในระบบต่าง ๆ

ตัวอย่างทั่วไปที่แสดงถึงการเปลี่ยนรูปของพลังงานได้แก่:

• ลูกตุ้มที่แกว่ง: เมื่อลูกตุ้มถูกยกขึ้นไปที่จุดสูงสุด มันจะมีพลังงานศักย์สูงสุด แต่เมื่อมันเริ่มแกว่งลงมา พลังงานศักย์จะลดลงและเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ จนถึงจุดต่ำสุด ซึ่งเป็นจุดที่ลูกตุ้มมีความเร็วสูงสุด
• การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง: เมื่อเชื้อเพลิงเช่นน้ำมันหรือก๊าซถูกเผาไหม้ พลังงานเคมีที่สะสมในเชื้อเพลิงจะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานกล ซึ่งสามารถใช้ในการขับเคลื่อนเครื่องยนต์
• การใช้พลังงานในร่างกาย: ในร่างกายมนุษย์ พลังงานเคมีที่สะสมอยู่ในอาหารจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกลที่ใช้ในการเคลื่อนไหว และพลังงานความร้อนที่ช่วยรักษาอุณหภูมิของร่างกาย

2. กฎการอนุรักษ์พลังงานในระบบปิด

ในระบบปิด พลังงานทั้งหมดที่อยู่ในระบบจะคงที่เสมอ ไม่ว่าพลังงานจะเปลี่ยนแปลงไปเป็นรูปแบบใดก็ตาม ตัวอย่างเช่น ในการแกว่งของลูกตุ้มที่กล่าวถึงข้างต้น พลังงานทั้งหมดในระบบ (พลังงานศักย์ + พลังงานจลน์) จะคงที่ตลอดเวลา ตราบใดที่ไม่มีการสูญเสียพลังงานไปในรูปแบบอื่น เช่น พลังงานเสียงหรือพลังงานความร้อนจากแรงเสียดทาน

ในทางปฏิบัติ แม้ว่าพลังงานจะถูกเปลี่ยนเป็นรูปแบบต่าง ๆ เช่นจากพลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์ หรือจากพลังงานเคมีเป็นพลังงานกล แต่พลังงานทั้งหมดในระบบนั้นจะยังคงที่ ไม่มีการสร้างหรือทำลายพลังงานใหม่ขึ้น เพียงแค่เปลี่ยนรูปแบบของมันไปเท่านั้น

ตัวอย่าง:

พิจารณาการเคลื่อนที่ของรถยนต์ที่ขับเคลื่อนโดยเครื่องยนต์สันดาปภายใน เมื่อรถเคลื่อนที่ พลังงานเคมีจากน้ำมันจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกลเพื่อให้รถเคลื่อนที่ นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียพลังงานในรูปแบบของพลังงานความร้อนที่ถูกระบายออกจากเครื่องยนต์ พลังงานทั้งหมดในระบบยังคงอยู่ แต่ถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานอื่น ๆ

3. การประยุกต์ใช้กฎการอนุรักษ์พลังงาน

กฎการอนุรักษ์พลังงานสามารถนำไปใช้ในหลายด้าน เช่น ในการออกแบบระบบพลังงานที่มีประสิทธิภาพ เช่น ระบบการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลม วิศวกรจะต้องคำนึงถึงการเปลี่ยนรูปของพลังงานเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดในการใช้งาน

สรุป:

• กฎการอนุรักษ์พลังงานระบุว่าพลังงานไม่สามารถถูกสร้างหรือทำลายได้ แต่สามารถเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง
• ตัวอย่างเช่น พลังงานศักย์สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ หรือพลังงานเคมีในอาหารสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานกลในร่างกายมนุษย์
• ในระบบปิด พลังงานทั้งหมดในระบบจะคงที่เสมอ แม้ว่าพลังงานจะเปลี่ยนรูปไป