กฎทรงพลังงาน

กฎอนุรักษ์พลังงาน (Conservation of energy) เป็นกฎในทางฟิสิกส์และเคมีที่กล่าวว่า พลังงานโดยรวมในระบบแยกส่วน หนึ่ง ๆ จะมีค่าเท่าเดิม หรือพูดได้ว่าพลังงานจะถูกอนุรักษ์ตลอดช่วงเวลา พลังงานที่ป้อนเข้าไปในระบบใดระบบหนึ่ง จะเท่ากับพลังงานที่ส่งออกมา พลังงานไม่สามารถถูกสร้างขึ้นใหม่หรือถูกทำลาย มันทำได้แต่เพียงเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น พลังงานเคมีสามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ได้ในการระเบิดของแท่งไดนาไมต์ เป็นต้น การอนุรักษ์พลังงานมีความแตกต่างกับการอนุรักษ์มวล แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษแสดงให้เห็นว่ามวลมีความสัมพันธ์กับพลังงาน โดยที่ E = mc^2 และวิทยาศาสตร์ปัจจุบันจะใช้มุมมองที่ว่า มวลและพลังงานถูกอนุรักษ์
การอนุรักษ์พลังงานสามารถพิสูจน์ได้โดยใช้ทฤษฎีของนอยเธอร์ เป็นทฤษฎีบทที่เป็นผลจากความสมมาตรของการเลื่อนเวลาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งมาจากข้อเท็จจริงที่ว่า กฎทางฟิสิกส์ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา
ผลที่ตามมาของกฎทรงพลังงานนี้ก็คือเครื่องยนต์ที่เคลื่อนไหวได้โดยไม่มีวันหยุดประเภทที่หนึ่งไม่มีจริง หรือพูดอีกอย่างคือ ไม่มีระบบที่ปราศจากการจ่ายพลังงานจากภายนอกจะสามารถส่งออกพลังงานที่ไม่มีขีดจำกัดออกมาในสิ่งแวดล้อมได้
พลังงาน คือ ความสามารถในการทำงานได้ของวัตถุ พลังงานมีหลายประเภท เช่น พลังงานจลน์ พลังงานศักย์ พลังงานเคมี พลังงานไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานความร้อน เป็นต้น
ปริมาณที่เกี่ยวข้องกับปริมาณพลังงานจลน์โดยตรง คือ ความเร็วของวัตถุนั่นเอง หากความเร็วของวัตถุมีการเปลี่ยนแปลง แสดงว่าพลังงานจนล์ของวัตถุนั้นมีการเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งสามารถหาพลังงานจลน์ได้จากสมการ E_k=\frac{1}{2}mv^2 เมื่อ  เมื่อ m คือ มวลของวัตถุ และ v คือ ความเร็วของวัตถุ และเช่นกันปริมาณที่เกี่ยวข้องกับพลังงานศักย์โน้มถ่วงโดยตรงคือ ตำแหน่งความสูงของวัตถุ หากวัตถุมีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งความสูง แสดงว่าวัตถุนั้นมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วง ซึ่งสามารถหาได้จากสมการ E_p=mgh เมื่อ m คือมวลของวัตถุ g คือ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง และ h คือ ความสูงของวัตถุ
หากเราพิจารณาการการเปลี่ยนรูปพลังงานของวัตถุเฉพาะพลังงานกล (พลังงานจลน์กับพลังงานศักย์ถูกเรียกรวมว่าพลังงานกล) โดยไม่มีพลังงานอื่นเข้ามาเกี่ยวข้องเลย จะได้การเปลี่ยนรูปพลังงานตามสมการ
\frac{1}{2} mv^2_1 + mgh_1 = \frac{1}{2} mv^2_2 + mgh_2
== การอนุรักษ์พลังงานกล ==
เมื่อพิจารณาระบบที่มีวัตถุก้อนหนึ่งมวล m กิโลกรัม อยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงอนุรักษ์ (Conservative force) เช่น แรงโน้มถ่วงของโลกหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ การที่วัตถุก้อนนี้อยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลก g มีขนาดคงตัวประมาณ 9.8 m/s2 หรือแม้แต่ใช้กันโดยอนุโลมเป็น 10 m/s2 โดยทั่วไปแล้วเราจะเรียกผลรวมของพลังงานศักย์โน้มถ่วง E_p และพลังงานจลน์ E_k ของวัตถุก้อนนี้ ณ ตำแหน่งหนึ่ง ณ ขณะหนึ่งว่า พลังงานกล (Mechanical energy) และเป็นที่ประจักษ์ว่าพลังงานกลของวัตถุก่อนหนึ่ง ๆ จะมีค่าคงตัวเสมอจึงได้เรียกกันว่า กฎการอนุรักษ์พลังงานกล (Law of conservation of mechanical energy) กล่าวโดยสรุปคือในขณะที่ระบบวัตถุหนึ่ง ๆ อยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงอนุรักษ์ ดังเช่นในกรณีแรงโน้มถ่วงของโลกที่กำลังพิจารณาอยู่นี้ จะได้ว่าพลังงานกลของระบบวัตถุนี้ คือผลรวมของพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์ของระบบวัตถุนี้ย่อมมีค่าคงตัวเนื่องจากทั้งพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์มีหน่วยเดียวกันคือ จูล (joule) ตามระบบหน่วยอนุพันธ์เอสไอ อาจกล่าวได้ว่าเมื่อวัตถุก้อนหนึ่งมีการเปลี่ยนรูปไปมาระหว่างพลังงานสองชนิดนี้ เราควรจะพิจารณาลักษณะของพลังงานที่เปลี่ยนจะดูสมจริงมากกว่าการอ้างถึงกฎการอนุรักษ์พลังงานกลเพียงอย่างเดียว
== กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิก ==
สำหรับระบบเทอร์โมได้นามิกแบบปิด กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกได้กล่าวไว้ว่า
\delta Q = \mathrm{d}U + \delta W หรือเท่ากับ \mathrm{d}U = \delta Q - \delta W
โดยที่ \delta Q คือปริมาณของพลังงานที่เพิ่มเข้ามาในระบบโดยกระบวนการความร้อน \delta W เป็นปริมาณของพลังงานที่สูญเสียไปจากระบบเนื่องจากงานที่กระทำโดยระบบไปที่สภาพแวดล้อม และ \mathrm{d}U คือการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในของระบบ
เครื่องหมาย \delta หน้าพจน์ของความร้อนและงานนั้น ใช้เพื่อบ่งบอกถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงาน ซึ่งเป็นคนละความหมายกับ \mathrm{d}U ซึ่งหมายถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายใน (ดู Inexact differential) งานและความร้อน หมายถึง กระบวนการที่ทำให้เกิดการเพิ่มหรือหายไปของพลังงานในระบบ ในขณะที่พลังงานภายใน U เป็นสมบัติในสภาวะหนึ่งของระบบเมื่อระบบไม่มีการเปลี่ยนแปลงสภาพสมดุลทางความร้อนนั่นคือ พจน์พลังงานความร้อน \delta Q หมายถึง ปริมาณของพลังงานที่ถูกเพิ่มเข้ามาเนื่องจากผลของการให้ความร้อน ไม่ได้หมายถึงรูปแบบของพลังงานชนิดหนึ่ง เช่นเดียวกันพจน์งาน \delta W หมายถึง ปริมาณของพลังงานที่สูญเสียไปซึ่งเป็นผลมาจากงาน นั่นคือคน ๆ หนึ่งสามารถบอกถึงปริมาณของพลังงานภายในของระบบความร้อนได้โดยรู้สถานะหนึ่งของระบบ แต่ไม่สามารถบอกได้ว่าก่อนหน้านั้นมีพลังงานเท่าไหร่ไหลเข้าหรือออกจากระบบเนื่องจากผลของการร้อนขึ้นหรือเย็นลงหรือจากงานที่กระทำหรือถูกกระทำ รู้เพียงแค่สถานะหนึ่งของระบบ
เอนโทรปี คือ ฟังก์ชันสถานะของระบบซึ่งบอกถึงข้อจำกัดของความเป็นไปได้ในการแปลงความร้อนเป็นงาน
สำหรับระบบอัดตัวได้เชิงเดียว (simple compressible system) งานที่ถูกกระทำโดยระบบสามารถอธิบายได้โดย
\delta W = P\,\mathrm{d}V
เมื่อ P คือ ความดัน และ \mathrm{d}V คือ การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของระบบอย่างน้อยมาก ๆ ซึ่งแต่ละตัวเป็นตัวแปรของระบบ ในกรณีสมมุติที่กระบวนการเป็นกระบวนการอุดมคติและช้าอย่างเป็นอนันต์ เรียกว่า กระบวนการกึ่งคงที่ (quasi-static) เป็นกระบวนการย้อนกลับได้ ความร้อนที่ถูกถ่ายโอนจากแหล่งกำเนิดด้วยอุณหภูมิที่มากกว่าอุณหภูมิของระบบเพียงน้อยมาก ๆ สามารถอธิบายได้โดย
\delta Q = T\,\mathrm{d}S
เมื่อ T คือ อุณหภูมิ และ \mathrm{d}S คือ การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบอย่างน้อยมาก ๆ ซึ่งอุณหภูมิและเอนโทรปีเป็นตัวแปรของระบบ
ถ้าระบบเปิด (ที่อาจมีการแลกเปลี่ยนมวลกับสภาพแวดล้อม) มีหลายกำแพงซึ่งการถ่ายโอนมวลผ่านกำแพงแข็งแกร่ง (rigid wall) แยกจากการถ่ายโอนความร้อนและงาน กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกสามารถแสดงได้ ดังนี้
\mathrm{d}U = \delta Q - \delta W + u'\,\mathrm{d}M
เมื่อ \mathrm{d}M คือ มวลที่เพิ่มเข้ามา และ u' คือ พลังงานภายในต่อหน่วยมวลของมวลที่เพิ่มเข้ามา ซึ่งวัดจากสภาพแวดล้อมก่อนเกิดกระบวนการ
== Notes ==
== อ้างอิง ==
กฎการอนุรักษ์
ประวัติศาสตร์ฟิสิกส์
พลังงานในฟิสิกส์
กฎของอุณหพลศาสตร์