พลังงาน: การจัดเก็บ การถ่ายโอน และการสูญเสีย
ไม่มีสิ่งใดใช้พลังงานไปหมด — พลังงานเพียงเคลื่อนที่ระหว่าง แหล่งกักเก็บ และรั่วไหลไปตามทาง ส่วนนี้จะระบุชื่อแหล่งกักเก็บและการถ่ายโอน วัด ประสิทธิภาพ ด้วย แผนภาพซานकी ติดตามการถ่ายโอนความร้อนด้วยการนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี เชื่อมโยงการทำงาน พลังงานศักย์โน้มถ่วง และพลังงานจลน์ และ (P) ประเมินวิธีการผลิตไฟฟ้า
ฟิสิกส์ Edexcel International GCSE 4PH1, ส่วน 4 (ข้อความ 4.1–4.19P) หน่วย: จูล (J), วัตต์ (W), นิวตัน (N), และ (P) J/kg °C
การถ่ายโอนพลังงาน
มีแปด แหล่งกักเก็บ: เคมี, จลน์, โน้มถ่วง, ยืดหยุ่น, ความร้อน, แม่เหล็ก, อิเล็กตรอสแตติก, นิวเคลียร์ สี่ ช่องทางถ่ายโอน: โดยกลไก, โดยไฟฟ้า, โดยการให้ความร้อน, โดยรังสี (แสงและเสียง) พลังงานถูก อนุรักษ์ — รวมทั้งหมดไม่เปลี่ยน; อุปกรณ์เพียงแต่เบี่ยงเบนส่วนหนึ่งจากแหล่งที่เราต้องการไปยังแหล่งที่ไม่ต้องการ
ตรวจสอบตัวอย่าง. โคมไฟข้างต้น: ประสิทธิภาพ $= 10/100 \times 100 = 10\%$
ตัวอย่างวิธีทำ (ประสิทธิภาพทั้งสองทาง). กุ๊กเต็มนำพลังงานไฟฟ้า 2000 J เข้าไป และ 1800 J ของมันใช้ทำความร้อนน้ำ; ส่วนที่เหลือ 200 J ใช้ทำความร้อนกุ๊กเต็มนและอากาศ. ประสิทธิภาพ $= 1800/2000 \times 100 = 90\%$
คำนวณย้อนกลับ: โคมไฟมีประสิทธิภาพ 25% และปล่อยแสงออกมา 15 จูล ต่อวินาที พลังงานที่ต้องใช้ต้องเป็น $15 \div 0.25 = 60$ จูล ต่อวินาที ดังนั้นจึงเป็นโคมไฟกำลัง 60 วัตต์; ส่วนที่เหลือ 45 จูล ต่อวินาที คือความร้อนที่สูญเสียไป
การถ่ายโอนพลังงานความร้อน
ความร้อนเคลื่อนที่สามวิธี แต่ละวิธีมีกลไกของตัวเองและแต่ละวิธีก็ถูกป้องกันด้วยวิธีที่แตกต่างกัน
Conduction: particle vibrations pass energy along a solid — fast in metals (free electrons). Convection: fluid warms, expands, becomes less dense and rises; cooler fluid sinks to replace it — sea breezes, radiators heating rooms. Radiation: infrared waves travel through a vacuum; dark, dull surfaces are the best emitters and absorbers; light, shiny surfaces reflect. Reducing unwanted transfer: insulation (cavity wall, loft, double glazing cuts conduction and convection; shiny foil reflects radiation).
งาน กำลัง และสมการพลังงาน
Work done equals energy transferred. Falling, GPE converts to KE (minus work against drag).
แบบฝึกหัดทำแล้ว. Kitab 2 kg ยกสูง 1.5 m ที่ g = 10 N/kg: $GPE = 2 \times 10 \times 1.5 = 30$ J. ทิ้งลง ถึงพื้น $KE = 30$ J → $v = \sqrt{2 \times 30/2} = \sqrt{30} \approx 5.5$ m/s. หลอดไฟ 60 W ทำงาน 10 s: $W = 60 \times 10 = 600$ J
ตัวอย่างวิธีทำ (KEเปลี่ยนเป็น GPE). ลูกบอลมวล 0.50 กิโลกรัม ถูกโยนขึ้นไปในแนวดิ่งด้วยความเร็ว 8.0 เมตร/วินาที. ตัดแรงต้านอากาศออก ($g = 10$ นิวตัน/กิโลกรัม).
- พลังงานจลน์เริ่มต้น: $KE = \tfrac12 \times 0.50 \times 8.0^2 = \tfrac12 \times 0.50 \times 64 = 16$ จুল. สี่เหลี่ยมความเร็วก่อน
- ที่จุดสูงสุดทุก 16 จูล เป็น GPE: $h = \dfrac{GPE}{mg} = \dfrac{16}{0.50 \times 10} = 3.2$ เมตร
ลูกบอลมวล 1.0 กิโลกรัม โยนด้วยความเร็วเท่าเดิมก็ขึ้นถึง 3.2 เมตร: มวลตัดกัน
ตัวอย่างวิธีทำ (กำลังและประสิทธิภาพรวม). มอเตอร์ไฟฟ้ายกโหลด massa 20 กิโลกรัม ขึ้นสูง 3.0 เมตร ภายในเวลา 5.0 วินาที. งานที่มีประโยชน์ $= mgh = 20 \times 10 \times 3.0 = 600$ จูล, ดังนั้นกำลังที่มีประโยชน์ $= 600 \div 5.0 = 120$ วัตต์. มอเตอร์ใช้พลังงานไฟฟ้า 1000 จูล ในช่วงเวลานั้น, ดังนั้นประสิทธิภาพคือ $600/1000 \times 100 = 60\%$.
แหล่งพลังงานและการผลิตไฟฟ้า (P)
ทุกสถานีไฟฟ้าคือห่วงโซ่การถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งกักเก็บไปสู่ไฟฟ้า; ตารางนี้ระบุเจ็ดวิธีตามที่กำหนดในหลักสูตร
| วิธี | การถ่ายโอนพลังงาน | ข้อดี | ข้อเสีย |
|---|---|---|---|
| พลังงานลม | จลน์ → ไฟฟ้า | _dispersion Renewable, ไม่มีค่าเชื้อเพลิง | ไม่แน่นอน, ผลกระทบต่อทัศนียภาพ/เสียง |
| พลังงานน้ำ | โน้มถ่วง → ไฟฟ้า | _dispersion Renewable, จัดหาได้ทันที | น้ำท่วมหุบเขา, ตำแหน่งจำกัด |
| พลังงานความร้อนใต้ดิน | ความร้อน → ไฟฟ้า | _dispersion Renewable, เสถียร | ตำแหน่งที่เหมาะสมมีจำกัด |
| การทำความร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ | ความร้อน (น้ำร้อน) | พลังงานหมุนเวียน, ไม่มีค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน | ขึ้นอยู่กับช่วงเวลาและสภาพอากาศ |
| เซลล์แสงอาทิตย์ | แสง → ไฟฟ้า | พลังงานหมุนเวียน, เงียบ | มีราคาแพง, กำลังผลิตต่ำเมื่อความเข้มแสงน้อย |
| เชื้อเพลิงฟอสซิล | เคมี → ความร้อน → ไฟฟ้า | มั่นคง, ความหนาแน่นสูง | ปล่อย CO₂, ไม่สามารถฟื้นฟูได้ |
| nuclear | nuclear → thermal → electrical | huge energy per kg, no CO₂ | radioactive waste, decommissioning |
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
- ให้ค่าประสิทธิภาพเกิน 100%, หรือผสมทศนิยม (0.6) กับเปอร์เซ็นต์ (60%). ตรวจสอบว่าผลผลิตที่มีประโยชน์ ≤ ผลรวมขาเข้า, และระบุว่าใช้รูปแบบไหน
- การกล่าวพลังงานถูกใช้หมด. มันถูกถ่ายโอนไปยังแหล่งเก็บอื่นๆ ส่วนใหญ่เป็นแหล่งความร้อนของสิ่งแวดล้อม ซึ่งไม่ได้รับประโยชน์อีกต่อไป
- ลืมยกกำลังสองของความเร็วใน $KE = \tfrac12 mv^2$ หรือใช้มวลเป็นกรัม ควรใช้กิโลกรัม และยกกำลังสอง $v$ ก่อนทำการคูณ
- การบอกว่าพื้นผิวมันวาวเป็นการแผ่รังสีที่ดี พื้นผิวสีดำและด้านเป็นตัวแผ่รังสี และ ดูดซับรังสีอินฟราเรดได้ดีที่สุด ส่วนพื้นผิวมันวาวจะสะท้อนรังสีนั้น
- การกล่าวว่าความร้อนลอยขึ้น ของไหลร้อนลอยขึ้นเพราะมีการขยายตัวและความหนาแน่นลดลง การพาความร้อนไม่สามารถเกิดขึ้นในของแข็งได้
- การเรียกว่าพลังงานทดแทนมีความน่าเชื่อถือ พลังงานลมและแสงอาทิตย์เป็นพลังงานทดแทนแต่ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศ
ตรวจสอบความเข้าใจของคุณเอง
- ชื่อบันจุนพลังงานสี่ชนิดและเส้นทางการถ่ายโอนสองชนิด
- มอเตอร์ใช้ 500 J และทำงานที่มีประโยชน์ได้ 350 J จงคำนวณประสิทธิภาพ
- ชื่อกำเนิดการถ่ายโอนความร้อนสามชนิดและชนิดใดที่ต้องการตัวกลางไม่จำเป็น
- พื้นผิวแบบไหนแผ่รังสีอินฟราเรดได้ดีที่สุด?
- ระบุวิธีลดการสูญเสียความร้อนที่ไม่ต้องการในบ้านสองอย่าง
- คำนวณงานที่ทำโดยแรง 40 N ที่เคลื่อนที่ 3 m
- คำนวณพลังงานจลน์ของรถยนต์มวล 800 kg ที่ความเร็ว 20 m/s
- เครื่องทำความร้อนถ่ายโอน 12 000 J ในเวลา 30 s จงคำนวณกำลังไฟฟ้า
- (P) ระบุข้อดีและข้อเสียอย่างละหนึ่งอย่างของพลังงานลมและพลังงานนิวเคลียร์
- (P) วิธีผลิตพลังงานหมุนเวียนใดสองวิธีที่ดึงพลังงานที่เก็บไว้เป็นความร้อนใต้ดินหรือในน้ำตกออกมาใช้?
Answers: 1 chemical, kinetic, gravitational, thermal (also elastic, magnetic, electrostatic, nuclear); mechanically and electrically (also heating, radiation); 2 $350/500 \times 100 = 70\%$; 3 conduction, convection, radiation — radiation needs no medium; 4 dark, dull (matt black) surfaces; 5 loft/cavity-wall insulation and double glazing (also reflective foil, draught excluders); 6 $W = 40 \times 3 = 120$ J; 7 $KE = \frac{1}{2} \times 800 \times 400 = 160\,000$ J; 8 $P = 12\,000/30 = 400$ W; 9 (P) wind — renewable with no fuel cost, but unreliable and visually intrusive; nuclear — enormous energy per kilogram with no CO₂, but radioactive waste must be stored safely for centuries; 10 (P) geothermal (ground heat) and hydroelectric (gravitational store of water).