Năng lượng tồn tại và chuyển đổi giữa những dạng nào?

Đơn vị SI của năng lượng là joule (J). Một joule tương đương công của lực 1 newton làm điểm đặt của lực dịch chuyển 1 mét theo hướng của lực; về đơn vị cơ bản, 1J=1N⋅m=1kg⋅m2/s2.

Năng lượng là gì trong vật lý?

Năng lượng là một đại lượng vật lý dùng để mô tả khả năng của một hệ trong việc gây ra biến đổi, thực hiện công hoặc tham gia quá trình truyền năng lượng dưới dạng nhiệt. Năng lượng không phải một chất có thể nhìn thấy trực tiếp; người ta nhận biết và đo nó thông qua trạng thái của hệ cũng như những thay đổi mà hệ có thể tạo ra.

Một vật đang chuyển động có động năng. Vật ở vị trí có khả năng rơi hoặc biến đổi cấu hình có thế năng. Một vật nóng có nội năng liên quan đến chuyển động và tương tác vi mô của các hạt. Pin, nhiên liệu, trường điện từ hay hạt nhân nguyên tử cũng có thể gắn với những dạng năng lượng khác nhau.

Vì vậy, các tên gọi như cơ năng, năng lượng nhiệt, hóa học, điện, bức xạ và hạt nhân chủ yếu giúp mô tả năng lượng đang được biểu hiện hoặc lưu trữ theo cơ chế nào. Chúng không phải những “loại vật chất” tách biệt. Trong một quá trình thực tế, cùng một lượng năng lượng có thể lần lượt xuất hiện dưới nhiều dạng.

Vì sao năng lượng có thể chuyển đổi mà không bị mất đi?

Nguyên tắc trung tâm là định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng có thể chuyển từ vật này sang vật khác hoặc chuyển từ dạng này sang dạng khác, nhưng tổng năng lượng không tự nhiên được tạo ra hay biến mất. Với một hệ cô lập, tổng năng lượng của hệ không đổi. Nếu hệ trao đổi với môi trường, phải tính cả năng lượng đi vào và đi ra qua ranh giới hệ.

Có hai quá trình dễ bị nhầm lẫn:

·         Chuyển đổi năng lượng là năng lượng đổi hình thức biểu hiện, chẳng hạn thế năng chuyển thành động năng

·         Truyền năng lượng là năng lượng đi từ hệ này sang hệ khác, chẳng hạn vật nóng truyền năng lượng sang vật lạnh do chênh lệch nhiệt độ

Một cách theo dõi đơn giản là cân bằng:

Eban đaˆˋu​ Eđi vaˋo​=Esau​ Eđi ra​

Điều này cũng giải thích vì sao nói “năng lượng bị mất” thường không chính xác về mặt vật lý. Phần năng lượng không còn ở dạng mong muốn thường đã chuyển thành dạng khác hoặc được truyền ra môi trường.

Không phải mọi dạng năng lượng đều có một con đường chuyển đổi trực tiếp sang mọi dạng khác. Nhiều quá trình phải đi qua một hoặc nhiều dạng trung gian. Chẳng hạn, năng lượng hóa học của nhiên liệu thường chuyển thành nội năng trước khi tạo ra cơ năng trong động cơ.

Cơ năng gồm động năng và thế năng như thế nào?

Cơ năng là nhóm năng lượng gắn trực tiếp với chuyển động và cấu hình vĩ mô của vật. Hai thành phần quen thuộc nhất là động năng và thế năng.

Động năng phụ thuộc vào khối lượng m và vận tốc v:

K=21​mv2

Vì vận tốc được bình phương, nếu cùng một vật tăng tốc từ v lên 2v, động năng tăng lên bốn lần. Đây là lý do tốc độ có ảnh hưởng rất lớn đến năng lượng của vật chuyển động.

Thế năng phụ thuộc vào vị trí hoặc cấu hình. Với vật ở gần bề mặt Trái Đất, thế năng hấp dẫn thường được mô tả gần đúng bằng:

U=mgh

trong đó h là độ cao so với mốc đã chọn và g là gia tốc trọng trường.

Khi một vật rơi, độ cao giảm nên thế năng hấp dẫn giảm, đồng thời vận tốc tăng làm động năng tăng. Nếu bỏ qua lực cản, sự giảm thế năng tương ứng với sự tăng động năng. Đây là ví dụ điển hình của chuyển đổi thế năng → động năng.

Khi có ma sát hoặc lực cản không khí, cơ năng của vật có thể giảm. Tuy nhiên, điều đó không vi phạm bảo toàn năng lượng: một phần cơ năng đã chuyển thành nội năng của vật và môi trường, đôi khi kèm theo âm thanh hoặc biến dạng.

Những dạng năng lượng nào thường gặp ngoài cơ năng?

Ngoài động năng và thế năng vĩ mô, nhiều hệ vật lý được mô tả thuận tiện bằng các dạng năng lượng khác. Sự phân loại này phụ thuộc vào cơ chế đang được quan tâm chứ không phải những “kho năng lượng” hoàn toàn độc lập.

Năng lượng nhiệt và hóa học

Năng lượng nhiệt thường liên quan đến chuyển động vi mô hỗn loạn và tương tác giữa các hạt cấu tạo nên vật. Trong mô tả chặt chẽ hơn, nó thuộc nội năng của hệ.

Cần phân biệt nội năng với nhiệt. Nhiệt không phải lượng năng lượng được “chứa” trong một vật theo cùng nghĩa với động năng hay thế năng; nhiệt là năng lượng đang được truyền do chênh lệch nhiệt độ. Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc, năng lượng tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn cho đến khi tiến gần cân bằng nhiệt.

Năng lượng hóa học gắn với cấu hình electron, liên kết và tương tác giữa các nguyên tử, phân tử trong chất. Trong phản ứng hóa học, sự sắp xếp lại các cấu hình này có thể làm năng lượng được giải phóng hoặc hấp thụ. Pin và nhiên liệu là hai ví dụ quen thuộc về hệ có thể chuyển năng lượng hóa học sang những dạng hữu ích khác.

Năng lượng điện và bức xạ

Năng lượng điện liên quan đến điện tích, điện trường và sự dịch chuyển của điện tích. Một viên pin có thể cung cấp năng lượng cho mạch điện; sau đó các thiết bị trong mạch lại chuyển năng lượng điện thành ánh sáng, chuyển động, âm thanh hoặc nội năng.

Năng lượng bức xạ được mang bởi sóng điện từ, bao gồm ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại và nhiều vùng khác của phổ điện từ. Ánh sáng Mặt Trời là ví dụ quan trọng: pin quang điện có thể biến một phần năng lượng bức xạ tới bề mặt thành điện năng.

Năng lượng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân gắn với cấu trúc và trạng thái liên kết của hạt nhân nguyên tử. Trong phản ứng phân hạch, nhiệt hạch hoặc một số quá trình phân rã, trạng thái của hạt nhân thay đổi và chênh lệch năng lượng có thể được giải phóng dưới dạng động năng của các hạt hoặc bức xạ.

Ở cấp độ này, khối lượng và năng lượng có quan hệ thông qua E=mc2. Tuy nhiên, đối với các hiện tượng cơ học, nhiệt hay điện thông thường, không cần đi sâu vào cơ chế hạt nhân để áp dụng định luật bảo toàn năng lượng.

Các dạng năng lượng chuyển đổi qua lại ra sao trong thực tế?

Trong thiết bị thực, quá trình chuyển đổi thường là một chuỗi nhiều bước chứ không chỉ có dạng đầu và dạng cuối. Ví dụ thủy điện có thể đi từ thế năng hấp dẫn của nước sang động năng, cơ năng của turbine rồi điện năng; pin có thể biến năng lượng hóa học thành điện năng trước khi bóng đèn tạo ra ánh sáng và nhiệt. Những chuỗi như vậy phù hợp với cách định luật bảo toàn năng lượng được áp dụng cho từng hệ và từng bước chuyển đổi.

Bảng trên cũng cho thấy một điểm quan trọng: không nên hỏi một cách tuyệt đối rằng “dạng A có chuyển được thành dạng B không?” mà nên hỏi qua cơ chế nào và cần những bước trung gian nào.

Chẳng hạn, năng lượng bức xạ không trực tiếp làm bánh xe quay trong một hệ pin mặt trời–động cơ. Trước hết tế bào quang điện tạo ra điện năng; động cơ sau đó chuyển điện năng thành cơ năng. Tương tự, năng lượng hóa học của nhiên liệu không biến tức thời thành chuyển động của xe mà phải qua quá trình phản ứng, tăng nội năng, tạo áp suất và sinh công cơ học.

Chuyển đổi năng lượng có làm thất thoát năng lượng không?

Tổng năng lượng không bị thất thoát nếu toàn bộ hệ và các trao đổi với môi trường được tính đầy đủ. Tuy nhiên, phần năng lượng ở dạng mà con người muốn khai thác có thể giảm đáng kể.

Đây là khác biệt giữa bảo toàn năng lượng và hiệu suất chuyển đổi. Hiệu suất của một quá trình thường được biểu diễn bằng:

η=Eđaˆˋu vaˋo​Ehữu ıˊch​​×100%

Nếu một động cơ nhận 100 J năng lượng nhưng chỉ tạo 30 J cơ năng hữu ích, 70 J còn lại không biến mất. Nó có thể xuất hiện chủ yếu dưới dạng tăng nội năng, nhiệt truyền ra môi trường, âm thanh, rung động hoặc những dạng không phục vụ mục đích chính của thiết bị.

Ma sát là ví dụ dễ thấy. Một vật trượt trên sàn rồi dừng lại có động năng giảm về gần bằng không, nhưng năng lượng ban đầu đã làm tăng nội năng của vật và mặt sàn, đồng thời có thể tạo ra âm thanh. Vì thế, cụm từ “tổn thất năng lượng” trong kỹ thuật thường có nghĩa là giảm năng lượng hữu ích, không phải năng lượng bị xóa khỏi tự nhiên.

Khi phân tích bất kỳ quá trình chuyển đổi nào, có thể lần lượt xác định dạng năng lượng ban đầu, dạng hữu ích cuối cùng, các dạng trung gian và phần năng lượng truyền ra môi trường. Cách nhìn này giúp giải thích đồng thời cả hai hiện tượng tưởng như mâu thuẫn: năng lượng luôn được bảo toàn, nhưng thiết bị thực tế vẫn có hiệu suất nhỏ hơn 100%.

Năng lượng trong vật lý có thể biểu hiện dưới nhiều dạng như động năng, thế năng, nội năng, năng lượng hóa học, điện, bức xạ và hạt nhân. Các dạng này có thể chuyển đổi qua lại trực tiếp hoặc thông qua những bước trung gian, tùy cơ chế vật lý của hệ.

Điểm xuyên suốt mọi quá trình là năng lượng không tự sinh ra và không tự mất đi. Khi một dạng năng lượng hữu ích giảm, năng lượng đã được chuyển thành dạng khác hoặc truyền sang môi trường. Vì vậy, hiểu sự chuyển đổi năng lượng không chỉ là nhận biết các dạng của nó mà còn là theo dõi toàn bộ đường đi của năng lượng trong hệ.