Năng lượng là gì?

Năng lượng chính là đặc trưng cho khả năng sinh công của một vật bất kỳ nào đó. Chỉ số của năng lượng này liên quan đến sự chuyển động của các hạt và từ trường. Năng lượng và khối lượng của vật có sự liên hệ với nhau dựa trên thuyết tương đối. 

Trong Vật lý, năng lượng được coi là một đại lượng bảo toàn. Định luật bảo toàn năng lượng cho chúng ta biết năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi của ai.

Các sinh vật trên Trái Đất đều cần năng lượng để sống, chẳng hạn như con người có năng lượng thông qua thức ăn. Nền văn minh hiện tại đòi hỏi năng lượng để hoạt động, nó lấy năng lượng từ các nguồn như nhiên liệu đá thạch, hạt nhân hay tái tạo,...

Cơ sở hình thành định luật bảo toàn năng lượng

Để biết định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là gì? Chúng ta sẽ dựa vào những cơ sở hình thành sau đây:

1. Biến đổi thế năng thành động năng và ngược lại. Hao hụt cơ năng 

Người ta đã nhìn thấy sự biến đổi từ thế năng thành động năng và ngược lại trước khi biết đến định luật bảo toàn. Trong các hiện tượng tự nhiên, chúng ta sẽ nhìn thấy sự biến đổi rõ ràng giữa thế năng và động năng. Cơ năng sẽ chuyển đổi thành thế năng nhờ những phần bị hao hụt trong cơ năng và có thể nói rằng cơ năng luôn giảm. 

2. Biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại. Hao hụt cơ năng

Còn trong trường hợp sự hao hụt dựa vào định luật bào toàn cơ năng xảy ra khi cơ năng được biến đổi thành điện năng và ngược lại. Trong hầu hết các động cơ điện hiện nay, ta đều thấy điện năng sẽ được chuyển hóa thành cơ năng. Còn đối với các máy phát điện thì ngược lại, phần lớn các cơ năng sẽ chuyển hóa thành điện năng.

Nếu cơ năng được tăng thêm so với ban đầu thì ta có thể thấy đó chính là năng lượng khác đã được chuyển hóa mà thành.

Phát biểu định luật bảo toàn năng lượng

Trong Hóa học và Vật lý, định luật này được hiểu: “Tổng năng lượng của một hệ cô lập luôn không đổi và có nghĩa là nó sẽ được bảo toàn theo thời gian”.

Từ đó ta có phát biểu về định luật bảo toàn năng lượng cụ thể như sau: 

“Năng lượng sẽ không tự nhiên sinh ra hay mất đi mà chúng sẽ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật thể này sang đến vật thể khác”.

Các cách giải thích này có thể tương đồng với giải thích của cơ năng của vật tại sao tăng lên hoặc giảm. Ngoài ra, nó cũng giải thích được tại sao vật lại nguội đi hay bị nóng lên. Tất cả đều dựa vào chuyển hóa của năng lượng ở trong hiện tượng nhiệt, cơ hoặc điện trong tự nhiên. Ngoài ra, chúng cũng khẳng định sự chuyển đổi của vật dựa vào định luật bảo toàn. 

Ví dụ: 

Thả một hòn bi vào trong cái chén. Lúc này, năng lượng của hòn bi là thế năng hấp dẫn. Khi bị hòn bi rơi xuống chén, nó chuyển động quanh chiếc chén một khoảng thời gian và lúc này sẽ là động năng. Đồng thời khi rơi xuống nó còn tạo ra tiếng động là âm năng. Ngoài ra, khi viên bi rơi sẽ có chuyển động gây ma sát với bề mặt chén, sinh ra nhiệt năng.

Như vậy, khi thả hòn bi vào trong cái chén không chỉ có một dạng năng lượng ban đầu là thế năng mà hòn bi đã chuyển hóa thành ít nhất ba dạng năng lượng mới là động năng, âm năng, nhiệt năng. 

Ai là người phát hiện ra định luật bảo toàn năng lượng? 

Định luật bảo toàn năng lượng là một quá trình nghiên cứu được nhiều nhà khoa học thực hiện và Émilie Du Châtelet là người đã đề xuất và thử nghiệm đầu tiên. 

Sau khi cơ học ra đời vào năm 1826, James Prescott Joule đã chứng minh được sự chuyển hóa năng lượng từ công năng sang nhiệt năng vào năm 1854. Cho đến những năm 1981, Julius Robert Mayer - nhà Vật lý học người Đức đã có những phát biểu về bảo toàn năng lượng. 

Khi Mặc dù có nhiều nhà nghiên cứu tìm ra và chứng minh đúng nhưng giới Vật lý chỉ công nhận Julius Robert Mayer là tác giả của định luật bảo toàn năng lượng. 

Sự bảo toàn năng lượng trong dao động cơ 

Thực chất, năng lượng trong dao động cơ được gọi là cơ năng, chúng sẽ bằng tổng động năng và thế năng theo một hệ kín cơ năng không đổi. Vậy:

Động năng là gì? 

Động năng là dạng năng lượng được tạo ra từ chuyển động của nó. Khi một vật có động năng thì vật đó có thể tác dụng lực lên vật khác và sẽ sinh công.

Công thức tính động năng vật rơi tự do: 

Trong đó: 

• Wđ: Là động năng của vật (J)

• m: Là khối lượng của vật (kg)

• v: Là vận tốc của vật thể (m/s)

Thế năng là gì?

Thế năng một đại lượng trong bộ môn Vật lý, thể hiện cho khả năng sinh công của vật và nó tồn tại dưới dạng năng lượng.

Công thức tính thế năng của một vật rơi tự do: 

Trong đó: 

• Wt: Là thế năng của vật (J)

• m: Là trọng lượng của vật (kg)

• H: Là độ cao của vật khi rơi tự do (m)

Biểu thức bảo toàn cơ năng

Cơ năng của vật chính là một đại lượng bảo toàn khi chuyển động trong trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọng lực.

Trong đó:

• Wđ1: Là động năng của vật ở vị trí có vận tốc v1

• Wđ2: Là động năng của vật ở vị trí có vận tốc v2

• Wt1: Là thế năng của vật ở độ cao h1

• Wt2: Là thế năng của vật ở độ cao h2

Dựa vào biểu thức trên ta thấy rằng:

Một vật khi rơi tự do, động năng sẽ bằng 0 nếu thời điểm thế năng đạt cực đại. Thế năng bằng 0 khi động năng đạt cực đại. Thế năng tăng thì động năng sẽ giảm, nhưng tổng của thế năng và động năng là một đại lượng không đổi.

Xem thêm: Công thức cộng vận tốc là gì? Áp dụng như thế nào (Giải đáp Vật Lý lớp 10)

Các công thức liên quan định luật bảo toàn năng lượng

Sau khi biết định luật bảo toàn năng lượng của ai? Cũng như khái niệm về định luật này, dưới đây sẽ là một số công thức liên quan và bài tập để các em luyện tập:

Công thức tính Công

Trong đó:

• A: Công của lực F (đơn vị là J)

• F : Lực tác dụng vào vật (đơn vị là N)

• S: Quãng đường vật dịch chuyển (đơn vị là m)

• Đơn vị của công là Jun (kí hiệu là J).

1J = 1N.1m = 1Nm

1 kJ = 1000 J

Bội số của Jun là kilojun (kJ)

Công suất trung bình

Trong đó:

• P: Công suất ( đơn vị là J/s hoặc W)

• A: Công thực hiện ( đơn vị là N.m hoặc J)

• t: Thời gian thực hiện công (đơn vị là s)

1KW = 1000W; 1MW = 1.000.000W

Công suất tức thời

Các biểu thức liên hệ

Động năng:

Liên hệ giữa động năng và công:

Thế năng trọng trường:

Liên hệ giữa thế năng trọng trường và công:

Công của trọng lực (rơi):

Thế năng đàn hồi

Liên hệ giữa thế năng đàn hồi và công:

Cơ năng:

Định luật bảo toàn cơ năng:

Độ cao động năng bằng n lần thế năng:

Hiệu suất:

Trong đó

• Aci: Công có ích
• Atp: Công toàn phần

Một số bài tập minh họa định luật bảo toàn năng lượng

Sau khi đã nắm được phần lý thuyết về bảo toàn năng lượng, dưới đây sẽ là một số bài tập liên quan để các em cùng nhau luyện tập:

Một số bài tập thực hành về bảo toàn năng lượng tự luyện

I: Phần trắc nghiệm

Bài 1 : Trong các hiện tượng tự nhiên, thường có sự biến đổi giữa:

A. Điện năng và thế năng

B. Thế năng và động năng

C. Quang năng và động năng

D. Hóa năng và điện năng

Bài 2 : Trong quá trình biến đổi thế năng thành động năng và ngược lại trong các hiện tượng tự nhiên. Cơ năng luôn luôn giảm, phần cơ năng hao hụt đi đã chuyển hóa thành:

A. Nhiệt năng

B. Hóa năng

C. Quang năng

D. Năng lượng hạt nhân

Bài 3 : Trong động cơ điện, phần lớn điện năng chuyển hóa thành:

A. Điện năng

B. Hóa năng

C. Quang năng

D. Cơ năng

Bài 4 : Chọn phát biểu đúng.

A. Trong động cơ điện, phần lớn điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng.

B. Trong các máy phát điện, phần lớn cơ năng chuyển hóa thành hóa năng.

C. Phần năng lượng hữu ích thu được cuối cùng bao giờ cũng lớn hơn phần năng lượng ban đầu cung cấp cho máy.

D. Phần năng lượng hao hụt đi biến đổi thành dạng năng lượng khác.

Bài 5 : Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về định luật bảo toàn năng lượng.

A. Năng lượng có thể tự sinh ra hoặc tự mất đi và chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác

B. Năng lượng không tự sinh ra và tự mất đi mà có thể truyền từ vật này sang vật khác

C. Năng lượng không tự sinh ra hoặc tự mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác

D. Năng lượng không tự sinh ra hoặc tự mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác

Bài 6 : Trong máy phát điện, điện năng thu được bao giờ cũng có giá trị nhỏ hơn cơ năng cung cấp cho máy. Vì sao?

A. Vì một đơn vị điện năng lớn hơn một đơn vị cơ năng

B. Vì một phần cơ năng đã biến thành dạng năng lượng khác ngoài điện năng

C. Vì một phần cơ năng đã tự biến mất

D. Vì chất lượng điện năng cao hơn chất lượng cơ năng

Bài 7 : Trong các quá trình biến đổi từ động năng sang thế năng và ngược lại, điều gì luôn xảy ra với cơ năng?

A. Luôn được bảo toàn

B. Luôn tăng thêm

C. Luôn bị hao hụt

D. Khi thì tăng, khi thì giảm

Bài 8 : Hiệu suất pin mặt trời là 10%. Điều này có nghĩa: Nếu pin nhận được:

A. điện năng là 100J thì sẽ tạo ra quang năng là 10J

B. năng lượng mặt trời là 100J thì sẽ tạo ra điện năng là 10J

C. điện năng là 10J thì sẽ tạo ra quang năng là 100J

D. năng lượng mặt trời là 10J thì sẽ tạo ra điện năng là 100J

Bài 9 : Nói hiệu suất động cơ điện là 97%. Điều này có nghĩa là 97% điện năng đã sử dụng được chuyển hóa thành:

A. cơ năng

B. nhiệt năng

C. cơ năng và nhiệt năng

D. cơ năng và năng lượng khác

Bài 10 : Hiện tượng nào dưới đây không tuân theo định luật bảo toàn năng lượng?

A. Bếp nguội đi khi tắt lửa

B. Xe dừng lại khi tắt máy

C. Bàn là nguội đi khi tắt điện

D. Không có hiện tượng nào

II: Phần tự luận

Như vậy, thông qua bài viết này chúng ta đã hiểu rõ hơn về định luật bảo toàn năng lượng là gì, định luật bảo toàn năng lượng của ai và các công thức liên quan đến định luật bảo toàn năng lượng. Hy vọng những thông tin này sẽ giúp các bạn nắm vững cũng như ôn lại kiến thức vừa học một cách đầy đủ và tốt nhất. Hãy theo dõi chuyên mục kiến thức cơ bản để có thể tìm  hiểu thêm nhiều thông tin thú vị về các môn học nhé!