कार्य, ऊर्जा आणि ऊर्जेचे रूपांतरण
१. कार्य
व्याख्या: भौतिकशास्त्रामध्ये, जेव्हा एखाद्या वस्तूवर बल लावले जाते आणि त्या वस्तूचे विस्थापन बलाच्या दिशेने होते, तेव्हा 'कार्य' झाले असे म्हटले जाते.
कार्याचे मोजमाप: कार्य हे लावलेले बल आणि बलाच्या दिशेने झालेले विस्थापन यांच्या गुणाकाराने मोजले जाते.
सूत्र:
कार्य = बल × विस्थापन
W = F × s
येथे, W = कार्य, F = बल, s = विस्थापन
कार्य ही एक अदिश राशी आहे. तिला फक्त परिमाण असते, दिशा नसते.
२. कार्याचे प्रकार
कार्याचे तीन मुख्य प्रकार आहेत:
अ) धन कार्य:
जेव्हा बल आणि विस्थापन यांची दिशा एकच असते.
उदाहरण: जेव्हा आपण एखादी वस्तू जमिनीवरून उचलतो, तेव्हा आपण वरच्या दिशेने बल लावतो आणि विस्थापनही वरच्या दिशेने होते.
ब) ऋण कार्य:
जेव्हा बल आणि विस्थापन यांची दिशा परस्पर विरुद्ध असते.
उदाहरण: जमिनीवर घरंगळणारा चेंडू थांबतो, कारण घर्षण बल चेंडूच्या गतीच्या (विस्थापनाच्या) विरुद्ध दिशेने कार्य करते. येथे घर्षण बलाने केलेले कार्य 'ऋण' असते.
क) शून्य कार्य:
शून्य कार्य होण्याची दोन मुख्य कारणे आहेत:
विस्थापन शून्य असणे (s = 0):
बल लावूनही वस्तूचे विस्थापन झाले नाही, तर कार्य शून्य होते.
उदाहरण: एखाद्या भक्कम भिंतीला ढकलणे. येथे बल लावले जाते, पण भिंत हलत नाही.
बल आणि विस्थापन एकमेकांना लंब असणे (९० अंश):
जेव्हा बल आणि विस्थापन यांच्यातील कोन ९० अंश असतो.
उदाहरण: एखादा हमाल डोक्यावर ओझे घेऊन सपाट जमिनीवरून चालत जातो. येथे बल (वरच्या दिशेने) आणि विस्थापन (पुढच्या दिशेने) यांच्यात ९० अंशाचा कोन असतो, त्यामुळे विज्ञानाच्या भाषेत हे कार्य शून्य असते.
३. कार्याचे एकक
SI पद्धत: कार्याचे एस.आय. (SI) एकक ज्यूल (J) आहे.
१ ज्यूलची व्याख्या: जेव्हा १ न्यूटन बल लावून वस्तूचे बलाच्या दिशेने १ मीटर विस्थापन होते, तेव्हा झालेल्या कार्यास १ ज्यूल म्हणतात.
1 J = 1 N × 1 m
CGS पद्धत: कार्याचे सी.जी.एस. (CGS) एकक अर्ग (Erg) आहे.
१ अर्गची व्याख्या: जेव्हा १ डाईन बल लावून वस्तूचे बलाच्या दिशेने १ सेंटिमीटर विस्थापन होते, तेव्हा झालेल्या कार्यास १ अर्ग म्हणतात.
ज्यूल आणि अर्ग संबंध:
1 J = 10^7 Erg (दहाचा सातवा घात अर्ग)
४. ऊर्जा
व्याख्या: पदार्थाच्या ठिकाणी असलेली कार्य करण्याची क्षमता म्हणजे 'ऊर्जा' होय.
ऊर्जा हे कार्याचेच स्वरूप आहे. जी वस्तू कार्य करू शकते, तिच्यात ऊर्जा आहे असे म्हटले जाते.
ऊर्जेचे एकक: कार्य आणि ऊर्जा यांची एकके समान असतात.
SI एकक: ज्यूल
CGS एकक: अर्ग
५. ऊर्जेचे प्रकार
ऊर्जेची अनेक रूपे आहेत, जसे की उष्णता, प्रकाश, ध्वनी, रासायनिक, विद्युत इत्यादी. यांत्रिकी ऊर्जेचे दोन मुख्य प्रकार खालीलप्रमाणे आहेत:
१. गतिज ऊर्जा २. स्थितिज ऊर्जा
६. गतिज ऊर्जा
व्याख्या: वस्तूला तिच्या गतीमुळे प्राप्त झालेल्या ऊर्जेला 'गतिज ऊर्जा' (Kinetic Energy) म्हणतात.
सूत्र:
KE = 1/2 × m × v²
किंवा KE = 0.5 × m × v^2
येथे, m = वस्तूचे वस्तुमान, v = वस्तूचा वेग
महत्वाचे मुद्दे:
वस्तूचा वेग (v) दुप्पट केल्यास, तिची गतिज ऊर्जा ** चौपट** होते (कारण सूत्रात वेगाचा वर्ग आहे).
वस्तूचे वस्तुमान (m) दुप्पट केल्यास, तिची गतिज ऊर्जा दुप्पट होते.
उदाहरणे:
वेगाने जाणारी मोटारगाडी.
वाहते पाणी.
बंदुकीतून सुटलेली गोळी.
७. स्थितिज ऊर्जा
व्याख्या: वस्तूच्या विशिष्ट स्थितीमुळे किंवा स्थानामुळे तिच्यात साठवलेल्या ऊर्जेला 'स्थितिज ऊर्जा' (Potential Energy) म्हणतात.
गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा:
वस्तूला जमिनीच्या पृष्ठभागापासून विशिष्ट उंचीवर नेल्यास, तिच्यात गुरुत्वाकर्षणामुळे जी ऊर्जा साठवली जाते.
सूत्र:
PE = m × g × h
येथे, m = वस्तुमान, g = गुरुत्वीय त्वरण, h = उंची
उदाहरणे: धरणात साठवलेले पाणी, उंचावर ठेवलेला दगड.
लवचिक स्थितिज ऊर्जा:
स्प्रिंग दाबल्यावर किंवा ताणल्यावर तिच्यात साठवली जाणारी ऊर्जा.
उदाहरण: ताणलेला धनुष्यबाण, खेळण्यातील चावी.
८. ऊर्जा अक्षय्यतेचा नियम
नियम: "ऊर्जा निर्माण करता येत नाही आणि नष्टही करता येत नाही. ती फक्त एका रूपातून दुसऱ्या रूपात रूपांतरित केली जाऊ शकते. विश्वातील एकूण ऊर्जा नेहमी स्थिर राहते."
मुक्त पतन आणि ऊर्जा:
एखादी वस्तू उंचावरून खाली पडताना, तिच्यातील स्थितिज ऊर्जेचे रूपांतर गतिज ऊर्जेत होते.
जमिनीला टेकताना वस्तूची गतिज ऊर्जा सर्वाधिक असते आणि स्थितिज ऊर्जा शून्य असते.
पण कोणत्याही क्षणी एकूण ऊर्जा (स्थितिज + गतिज) समान असते.
९. ऊर्जेचे रूपांतरण
ऊर्जा एका रूपातून दुसऱ्या रूपात बदलते. परीक्षेसाठी महत्त्वाची उदाहरणे:
विद्युत दिवा: विद्युत ऊर्जा -> प्रकाश व उष्णता ऊर्जा
विद्युत मोटर (पंखा): विद्युत ऊर्जा -> यांत्रिक ऊर्जा
जनित्र (Generator): यांत्रिक ऊर्जा -> विद्युत ऊर्जा
सोझर सेल: सौर ऊर्जा -> विद्युत ऊर्जा
इंधन ज्वलन (कोळसा/पेट्रोल): रासायनिक ऊर्जा -> उष्णता ऊर्जा
ध्वनिक्षेपक (Speaker): विद्युत ऊर्जा -> ध्वनी ऊर्जा
मायक्रोफोन: ध्वनी ऊर्जा -> विद्युत ऊर्जा
फटाके: रासायनिक ऊर्जा -> प्रकाश + ध्वनी + उष्णता ऊर्जा
१०. शक्ती
व्याख्या: कार्य करण्याचा दर म्हणजे 'शक्ती' होय.
सूत्र:
शक्ती = कार्य / वेळ
P = W / t
शक्तीचे एकक:
SI एकक: वॅट (Watt - W)
१ वॅट: १ सेकंदात १ ज्यूल कार्य झाल्यास शक्ती १ वॅट असते.
1 W = 1 J / 1 s
व्यावहारिक एकक:
अश्वशक्ती (Horsepower - HP)
1 HP = 746 Watt
११. ऊर्जेचे व्यावसायिक एकक
विजेचे बिल मोजण्यासाठी 'ज्यूल' हे एकक खूप लहान ठरते, म्हणून किलोवॅट-तास (kWh) हे एकक वापरतात. यालाच 'युनिट' म्हणतात.
१ युनिट (1 kWh) म्हणजे:
१००० वॅट क्षमतेचे उपकरण १ तास वापरल्यास १ युनिट वीज खर्च होते.
ज्यूल सोबत संबंध:
1 kWh = 3.6 × 10^6 J
(३.६ गुणिले १० चा ६ वा घात ज्यूल)
