กฎทรงพลังงาน

กฎอนุรักษ์พลังงาน () เป็นกฎในทางฟิสิกส์และเคมีที่กล่าวว่า พลังงานโดยรวมในระบบแยกส่วน หนึ่ง ๆ จะมีค่าเท่าเดิม หรือพูดได้ว่าพลังงานจะถูกอนุรักษ์ตลอดช่วงเวลา พลังงานที่ป้อนเข้าไปในระบบใดระบบหนึ่ง จะเท่ากับพลังงานที่ส่งออกมา พลังงานไม่สามารถถูกสร้างขึ้นใหม่หรือถูกทำลาย มันทำได้แต่เพียงเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น พลังงานเคมีสามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ได้ในการระเบิดของแท่งไดนาไมต์ เป็นต้น การอนุรักษ์พลังงานมีความแตกต่างกับการอนุรักษ์มวล แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษแสดงให้เห็นว่ามวลมีความสัมพันธ์กับพลังงาน โดยที่  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  เมื่อ  เมื่อ  คือ มวลของวัตถุ และ  คือ ความเร็วของวัตถุ และเช่นกันปริมาณที่เกี่ยวข้องกับพลังงานศักย์โน้มถ่วงโดยตรงคือ ตำแหน่งความสูงของวัตถุ หากวัตถุมีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งความสูง แสดงว่าวัตถุนั้นมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วง ซึ่งสามารถหาได้จากสมการ  เมื่อ  คือมวลของวัตถุ  คือ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง และ  คือ ความสูงของวัตถุ 

หากเราพิจารณาการการเปลี่ยนรูปพลังงานของวัตถุเฉพาะพลังงานกล (พลังงานจลน์กับพลังงานศักย์ถูกเรียกรวมว่าพลังงานกล) โดยไม่มีพลังงานอื่นเข้ามาเกี่ยวข้องเลย จะได้การเปลี่ยนรูปพลังงานตามสมการ

การอนุรักษ์พลังงานกล 

เมื่อพิจารณาระบบที่มีวัตถุก้อนหนึ่งมวล  กิโลกรัม อยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงอนุรักษ์ (Conservative force) เช่น แรงโน้มถ่วงของโลกหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ การที่วัตถุก้อนนี้อยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลก  มีขนาดคงตัวประมาณ 9.8 m/s2 หรือแม้แต่ใช้กันโดยอนุโลมเป็น 10 m/s2 โดยทั่วไปแล้วเราจะเรียกผลรวมของพลังงานศักย์โน้มถ่วง  และพลังงานจลน์  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

  หรือเท่ากับ 

โดยที่  คือปริมาณของพลังงานที่เพิ่มเข้ามาในระบบโดยกระบวนการความร้อน  เป็นปริมาณของพลังงานที่สูญเสียไปจากระบบเนื่องจากงานที่กระทำโดยระบบไปที่สภาพแวดล้อม และ  คือการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในของระบบ

เครื่องหมาย  หน้าพจน์ของความร้อนและงานนั้น ใช้เพื่อบ่งบอกถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงาน ซึ่งเป็นคนละความหมายกับ  ซึ่งหมายถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายใน (ดู Inexact differential) งานและความร้อน หมายถึง กระบวนการที่ทำให้เกิดการเพิ่มหรือหายไปของพลังงานในระบบ ในขณะที่พลังงานภายใน  เป็นสมบัติในสภาวะหนึ่งของระบบเมื่อระบบไม่มีการเปลี่ยนแปลงสภาพสมดุลทางความร้อนนั่นคือ พจน์พลังงานความร้อน  หมายถึง ปริมาณของพลังงานที่ถูกเพิ่มเข้ามาเนื่องจากผลของการให้ความร้อน ไม่ได้หมายถึงรูปแบบของพลังงานชนิดหนึ่ง เช่นเดียวกันพจน์งาน  หมายถึง ปริมาณของพลังงานที่สูญเสียไปซึ่งเป็นผลมาจากงาน นั่นคือคน ๆ หนึ่งสามารถบอกถึงปริมาณของพลังงานภายในของระบบความร้อนได้โดยรู้สถานะหนึ่งของระบบ แต่ไม่สามารถบอกได้ว่าก่อนหน้านั้นมีพลังงานเท่าไหร่ไหลเข้าหรือออกจากระบบเนื่องจากผลของการร้อนขึ้นหรือเย็นลงหรือจากงานที่กระทำหรือถูกกระทำ รู้เพียงแค่สถานะหนึ่งของระบบ

เอนโทรปี คือ ฟังก์ชันสถานะของระบบซึ่งบอกถึงข้อจำกัดของความเป็นไปได้ในการแปลงความร้อนเป็นงาน

สำหรับระบบอัดตัวได้เชิงเดียว (simple compressible system) งานที่ถูกกระทำโดยระบบสามารถอธิบายได้โดย

 

เมื่อ  คือ ความดัน และ  คือ การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของระบบอย่างน้อยมาก ๆ ซึ่งแต่ละตัวเป็นตัวแปรของระบบ ในกรณีสมมุติที่กระบวนการเป็นกระบวนการอุดมคติและช้าอย่างเป็นอนันต์ เรียกว่า กระบวนการกึ่งคงที่ (quasi-static) เป็นกระบวนการย้อนกลับได้ ความร้อนที่ถูกถ่ายโอนจากแหล่งกำเนิดด้วยอุณหภูมิที่มากกว่าอุณหภูมิของระบบเพียงน้อยมาก ๆ สามารถอธิบายได้โดย

 

เมื่อ  คือ อุณหภูมิ และ  คือ การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบอย่างน้อยมาก ๆ ซึ่งอุณหภูมิและเอนโทรปีเป็นตัวแปรของระบบ

ถ้าระบบเปิด (ที่อาจมีการแลกเปลี่ยนมวลกับสภาพแวดล้อม) มีหลายกำแพงซึ่งการถ่ายโอนมวลผ่านกำแพงแข็งแกร่ง (rigid wall) แยกจากการถ่ายโอนความร้อนและงาน กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกสามารถแสดงได้ ดังนี้

 

เมื่อ  คือ มวลที่เพิ่มเข้ามา และ  คือ พลังงานภายในต่อหน่วยมวลของมวลที่เพิ่มเข้ามา ซึ่งวัดจากสภาพแวดล้อมก่อนเกิดกระบวนการ

Notes

อ้างอิง 

กฎการอนุรักษ์
ประวัติศาสตร์ฟิสิกส์
พลังงานในฟิสิกส์
กฎของอุณหพลศาสตร์