Thư Viện Bài Giảng Vật Lý Đại Cương
4.3. Năng lượng
1) Khái niệm năng lượng
Tất cả các dạng cụ thể của vật chất đều có năng lượng. Theo nghĩa chung nhất, năng lượng là một thuộc tính cơ bản của vật chất, đặc trưng cho mức độ vận động của vật chất.
Mỗi hình thức vận động cụ thể của vật chất sẽ tương ứng với một dạng năng lượng cụ thể. Ví dụ: trong vận động cơ, ta có cơ năng; vận động nhiệt, ta có nhiệt năng, nội năng; vận động điện từ, ta có năng lượng điện từ;…
Năng lượng thường kí hiệu là E (Energy). Trong hệ SI, đơn vị đo năng lượng là jun (J). Theo Einstein, năng lượng và khối lượng của vật quan hệ với nhau bởi: \( E=m{{c}^{2}} \) (4.21)
Với c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không.
Nhận Dạy Kèm Vật Lý Đại Cương Online qua ứng dụng Zoom, Google Meet,...
- Dạy kèm tương tác 1 thầy 1 trò! Hỗ trợ trực tuyến 24/7
- Dạy kèm Vật Lý Đại Cương (Cơ - Nhiệt - Điện Từ - Quang - VLNT-HN)
- Sách Giải Bài Tập Vật Lý Đại Cương - Vật Lý Kỹ Thuật - Vật Lý Lý Thuyết
- Lịch học sắp xếp linh động, sáng - chiều - tối đều học được!
- Thời gian học từ 1,5h - 2h/1 buổi!
2) Định luật bảo toàn năng lượng
Vì vật chất vận động dưới nhiều hình thức, nên năng lượng của vật hay hệ vật cũng tồn tại dưới nhiều dạng và trong quá trình vận động, năng lượng có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác, nhưng năng lượng tổng cộng của một hệ cô lập luôn không đổi. Đó là nội dung cơ bản của định luật bảo toàn năng lượng. Suy rộng ra trong toàn vũ trụ, ta có định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng:
“Năng lượng không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi, mà nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác, còn tổng năng lượng không thay đổi”
3) Ý nghĩa của định luật bảo toàn năng lượng
+ Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng phản ánh một thuộc tính cơ bản của vật chất không thể tiêu diệt, đó là sự vận động.
+ Từ định luật bảo toàn năng lượng suy ra: không thể có một hệ nào sinh công mãi mãi mà không nhận thêm năng lượng từ bên ngoài. Nói cách khác, không tồn tại động cơ vĩnh cửu – một loại máy mà con người đã có một thời tổn hao trí lực và tiền của để nghiên cứu chế tạo nhưng vô ích.
+ Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là định luật có phạm vi áp dụng rộng nhất. Nó đúng trong mọi lĩnh vực vận động của vật chất từ vĩ mô đến vi mô.
4) Quan hệ giữa năng lượng và công
Như trên đã giới thiệu, năng lượng có rất nhiều dạng. Trong phạm vi Cơ học, khi nói “năng lượng”, ta ngụ ý muốn nói đến “cơ năng”. Một hệ cơ học ở trạng thái xác định sẽ có năng lượng xác định. Khi hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác thì năng lượng của hệ cũng biến đổi từ giá trị E1 sang E2. Trong quá trình biến đổi đó, hệ có thể nhận công hoặc sinh công A. Thực nghiệm chứng tỏ: \( {{E}_{2}}-{{E}_{1}}=A \) (4.22)
Vậy, độ biến thiên năng lượng trong một quá trình nào đó bằng công mà hệ nhận được hoặc sinh ra trong quá trình đó. Nếu hệ nhận công từ bên ngoài (A > 0) thì năng lượng của hệ tăng; nếu hệ sinh công (A < 0) thì năng lượng của hệ giảm.
Như vậy, công đặc trưng cho độ biến thiên năng lượng của hệ trong một quá trình nhất định. Công bao giờ cũng tương ứng với một quá trình biến đổi cụ thể, ta nói công là hàm của quá trình. Còn năng lượng có giá trị xác định khi hệ ở một trạng thái xác định, ta nói năng lượng là một hàm của trạng thái. Khi hệ biến đổi nó sẽ trao đổi năng lượng với bên ngoài cách nhận công hoặc sinh công. Vậy công là số đo phần năng lượng đã chuyển hóa từ hệ (cơ học) ra ngoài hoặc từ bên ngoài vào hệ.
5) Hiệu suất của máy
Máy là thiết bị biến đổi dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác dễ sử dụng hơn. Năng lượng cung cấp cho máy hoạt động (năng lượng đầu vào) được gọi là năng lượng toàn phần E; năng lượng mà máy sinh ra (năng lượng đầu ra) được gọi là năng lượng có ích Ei. Tỉ số giữa năng lượng có ích và năng lượng toàn phần được gọi là hiệu suất của máy: \( H=\frac{{{E}_{i}}}{E} \) (4.23)
Năng lượng cung cấp cho máy luôn lớn hơn năng lượng mà máy sinh ra, vì trong quá trình hoạt động của máy, một phần năng lượng bị hao phí do ma sát hoặc do sự vận hành của máy tiêu tốn năng lượng. Do đó, \( {{E}_{i}}<E \), suy ra hiệu suất của máy luôn nhỏ hơn 100%.
Ví dụ: Động cơ điện là thiết bị biến điện năng thành cơ năng. Khi động cơ điện hoạt động, một phần điện năng bị tiêu tốn do tỏa nhiệt trên các cuộn dây của động cơ và do ma sát ở trục động cơ,… nên cơ năng sinh ra luôn nhỏ hơn điện năng cung cấp cho động cơ. Kết quả hiệu suất nhỏ hớn 100%. Tuy nhiên, động cơ điện là loại động cơ có hiệu suất cao nhất trong các loại động cơ.
