งานและพลังงาน คืออะไร สามารถจำแนกพลังงานตามลักษณะกายภาพได้กี่ประเภท

ทฤษฎีของ งานและพลังงาน

งานและพลังงาน คือศาสตร์หนึ่งในวิชาฟิสิกส์ที่ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีต่าง ๆ มาอย่างยาวนาน เพื่อผลิต ประดิษฐ์ และก่อสร้าง สิ่งอำนวยความสะดวกต่างๆ ในชีวิตมนุษย์

งานและพลังงาน

งาน (Work)  คือ ปริมาณของพลังงานที่เป็นผลมาจากแรงซึ่งกระทำต่อวัตถุ ก่อนส่งผลให้วัตถุดังกล่าวเคลื่อนที่ไปตามแนวแรงได้ในระยะทางหนึ่ง ซึ่งในระบบเอสไอ (SI) งานเป็นปริมาณสเกลาร์ (Scalar) เช่นเดียวกับพลังงาน มีหน่วยเป็นนิวตันเมตร (N•m) หรือ จูล (J) สามารถคำนวณได้จากความสัมพันธ์ ดังต่อไปนี้

W = F x s  

เมื่อ

W = งานที่เกิดขึ้นจากแรงกระทำ 

F = แรงที่กระทำต่อวัตถุ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)

s = ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรง มีหน่วยเป็นเมตร (m)

ในทางฟิสิกส์ งานจะเกิดขึ้นได้ ต่อเมื่อมีแรงมากระทำต่อวัตถุ แล้วทำให้วัตถุมีการกระจัดอยู่ในทิศทางหรือในแนวเดียวกันกับแรง เช่น เมื่อยกกล่องที่มีน้ำหนัก 30 นิวตัน ขึ้นจากพื้นไปวางบนชั้นหนังสือที่สูงจากพื้น 1.2 เมตร งานที่เกิดขึ้นจากแรงกระทำดังกล่าว สามารถคำนวณได้จากสูตร W = F x s ตัวอย่างเช่น 

จากแรงกระทำ หรือ F = 30 นิวตัน และระยะทาง หรือ s = 1.2 เมตร

W = 30 นิวตัน x 1.2 เมตร = 36 จูล

ดังนั้น งานที่ทำได้มีค่าเท่ากับ 36 จูล

ซึ่งจากนิยามดังกล่าว งานที่เกิดขึ้นจะมีค่าเป็นบวก (+) เมื่อแรงและการกระจัดเป็นไปในทิศทางเดียวกัน โดยงานที่ได้จะมีค่าเป็นลบ (-) ต่อเมื่อแรงและการกระจัดเป็นไปในทิศทางตรงกันข้าม ขณะที่งานจะมีค่าเป็นศูนย์ (0) หากแรงและการกระจัดเกิดขึ้นในระนาบซึ่งตั้งฉากต่อกันและกัน เนื่องจากแรงที่กระทำไม่สามารถทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปจากตำแหน่งเดิมได้

กำลัง (Power) คือ อัตราของงานที่ทำได้ในหนึ่งหน่วยเวลา โดยกำลังเป็นตัวชี้วัดความสามารถในการทำงานของทั้งเครื่องยนต์ มนุษย์ สัตว์ หรือสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ โดยสามารถคำนวณได้จากความสัมพันธ์ ดังต่อไปนี้

P = W/t

เมื่อ 

P = กำลัง มีหน่วยเป็นวัตต์ (W)

W = งานที่ทำได้ มีหน่วยเป็นนิวตันเมตร หรือ จูล (J) 

t = ระยะเวลาของการทำงาน มีหน่วยเป็นวินาที (s)

พลังงาน (Energy) คือ ความสามารถในการทำงานของสิ่งมีชีวิต วัตถุ หรือสสารต่าง ๆ เช่น การหายใจ การเคลื่อนที่ หรือการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร กระบวนการเหล่านี้สามารถดำเนินต่อไปได้เพราะพลังงานในธรรมชาติ พลังงานเป็นปริมาณพื้นฐานของระบบ ซึ่งไม่มีวันสูญสลาย แต่สามารถเปลี่ยนไปอยู่ในรูปแบบต่าง ๆ ของพลังงาน ตาม “กฎการอนุรักษ์พลังงาน” (Law of Conservation of Energy) เช่น พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานความร้อน หรือพลังงานไฟฟ้า เป็นต้น

งานและพลังงาน, พลังงานความร้อน, งาน, พลังงาน, การคำนวน

ประเภทของพลังงาน พลังงานแบ่งออกเป็น 6 ประเภท ตามลักษณะที่เห็นได้ชัดเจน ซึ่งได้แก่

  1. พลังงานเคมี

พลังงานเคมีเป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในสารต่างๆ โดยอยู่ในพันธะระหว่างอะตอมในโมเลกุล เมื่อพันธะแตกสลาย พลังงานสะสมจะถูกปล่อยออกมาในรูปของความร้อนและแสงสว่าง เช่น พลังงานที่ถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ พลังงานในกองฟืน พลังงานในขนมช็อกโกแลต พลังงานในถังน้ำมัน เมื่อไม้ลุกไหม้แล้วจะให้คาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ รวมถึงผลิตของเสียอื่นๆ เช่น ขี้เถ้า 

เนื่องจากเชื้อเพลิงที่ใช้แต่ละชนิด มีโครงสร้างทางเคมีที่ต่างกัน เมื่อใช้ในปริมาณเชื้อเพลิงที่เท่ากัน จึงให้ความร้อนไม่เท่ากัน ซึ่งก๊าซธรรมชาตินั้นให้ความร้อนมากกว่าน้ำมัน และน้ำมันนั้นก็ให้ความร้อนมากกว่าถ่านหิน

  1. พลังงานความร้อน

แหล่งกำเนิดพลังงานความร้อน มนุษย์เราได้พลังงานความร้อนมาจากหลายแห่งด้วยกัน เช่น จากดวงอาทิตย์, พลังงานในของเหลวร้อนใต้พื้นพิภพ การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง พลังงานไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานน้ำในหม้อต้มน้ำ พลังงานเปลวไฟ ผลของความร้อนทำให้สารเกิดการเปลี่ยนแปลง เช่น อุณหภูมิสูงขึ้น หรือมีการเปลี่ยนสถานะไป 

นอกจากนี้ พลังงานความร้อน ยังสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีได้อีกด้วย หน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน คือ แคลอรี่ โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า แคลอรี่มิเตอร์

  1. พลังงานกล

พลังงานกลเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่โดยตรง เช่น ก้อนหินที่อยู่บนยอดเนินจะมีพลังงานศักย์กล (Potential mechanical energy) อยู่จำนวนหนึ่ง ขณะที่ก้อนหินกลิ้งลงมาตามทางลาดของเนิน พลังงานศักย์จะลดลง และเกิดพลังงานจลน์กลของการเคลื่อนที่ (Kinetic mechanical energy) ขึ้นแทน 

สิ่งมีชีวิตอาศัยพลังงานรูปนี้ในการทำงานที่ต้องมีการ เคลื่อนไหวเป็นประจำ เช่น การเดิน การขยับแขนขา การหยิบวัตถุ เป็นต้น

  1. พลังงานจากการแผ่รังสี

พลังงานที่มาในรูปของคลื่น เช่น แสง ความร้อน คลื่นวิทยุ อินฟาเรด อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีคอสมิก สิ่งมีชีวิตต้องอาศัยพลังงานรูปนี้ ในกระบวนการที่สำคัญต่างๆ เช่น การมองเห็นภาพ การสังเคราะห์ด้วยแสง การขยายพันธุ์ชนิดที่ขึ้นอยู่กับช่วงแสง อาจสรุปได้ว่า เป็นพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเอง ซึ่งพลังงานรูปนี้มีบทบาทต่อความเป็นอยู่ปกติของสิ่งมีชีวิต และอาจจะได้พลังงานที่ได้รับจากดวงอาทิตย์ พลังงานจากเสาส่งสัญญาณทีวี พลังงานจากหลอดไฟ พลังงานจากเตาไมโครเวฟ และพลังงานจากเลเซอร์ที่ใช้อ่านแผ่นซีดี เป็นต้น

  1. พลังงานไฟฟ้า

พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาเคมีแบบหนึ่งอันมีผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นได้ และกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้จะไหลผ่านความต้านทานไฟฟ้าได้ถ้าต่อให้เป็นวงจร ผลจากกระแสไฟฟ้าดังกล่าวอาจทำให้เกิดผลต่างๆ เช่นก่อให้เกิดอำนาจแม่เหล็ก เกิดความร้อนหรือแสงสว่าง พลังงานที่เกิดจากการผ่านขดลวดไปในสนามแม่เหล็ก พลังงานที่ใช้ขับเครื่องคอมพิวเตอร์ และพลังงานที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นต้น

  1. พลังงานนิวเคลียร์

พลังงานที่ถูกปล่อยออกจากสารกัมมันตภาพรังสี ที่มีอยู่ในธรรมชาติหรือที่เกิดในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูหรือระเบิดปรมาณู การเกิดฟิวชันของนิวเคลียร์เล็กมีหลักอยู่ว่า ถ้านำเอาธาตุเบาๆ ตั้งแต่ 2 ธาตุขึ้นไป มารวมกันโดยมีพลังงานความร้อนอย่างสูงเข้าช่วย จะทำให้ธาตุเบาๆ นี้รวมกัน กลายเป็นธาตุใหม่ ซึ่งหนักกว่าเดิม 

ส่วนฟิสชัน เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างการยิงอนุภาคบางชนิดกับนิวเคลียสของธาตุหนักๆ ทำให้นิวเคลียสของธาตุหนักแตกแยกออกเป็น 2 ส่วน ซึ่งแต่ละส่วนเป็นธาตุที่เบากว่าเดิม และขนาดเกือบเท่าๆ กัน พลังงานรูปนี้มีบทบาทต่อความเป็นอยู่ปกติของสิ่งมีชีวิตน้อย

ประเภทของพลังงานกล (Mechanical Energy) 

พลังงานศักย์ (Potential Energy : Ep) คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุหรือสสารที่หยุดนิ่งอยู่กับที่ โดยพลังงานศักย์สามารถจำแนกออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่

พลังงานศักย์โน้มถ่วง (Gravitational Potential Energy) คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุ เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก เช่น พลังงานของน้ำในเขื่อน หรือ ก้อนหินบนภูเขาสูง ซึ่งทำให้พลังงานศักย์โน้มถ่วงสามารถคำนวณได้จากความสัมพันธ์ ดังนี้

Ep = mgh

เมื่อ 

Ep = พลังงานศักย์โน้มถ่วง มีหน่วยเป็นนิวตันเมตร หรือจูล (J)

m = มวล มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)

g = ความเร่งจากแรงโน้มถ่วงโลก มีค่าราว 9.8 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง (m/s2)

h = ระยะความสูงของวัตถุ มีหน่วยเป็นเมตร (m)

งานและพลังงาน, พลังงานน้ำ, เขื่อน

  • พลังงานศักย์ยืดหยุ่น (Elastic Potential Energy) คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุที่มีความหยืดหยุ่น โดยพลังงานจะสะสมอยู่ในรูปของการหดตัว บิดเบี้ยว หรือโค้งงอ จากการได้รับแรงกระทำ ก่อนมีแรงดึงตัวกลับเพื่อคืนสู่สภาพเดิม เช่น สปริง ขดลวด หรือนาฬิกาไขลาน

พลังงานจลน์ (Kinetic Energy : Ek) คือ พลังงานที่เกิดขึ้นในขณะที่วัตถุกำลังเคลื่อนที่ เช่น การไหลของกระแสน้ำ การบินของนก และการเคลื่อนที่ของรถยนต์ ซึ่งพลังงานจลน์สามารถคำนวณได้จากความสัมพันธ์ ดังนี้

Ek = ½ mv^2

เมื่อ 

Ek = พลังงานจลน์ มีหน่วยเป็นนิวตันเมตร หรือ จูล (J)

m = มวล มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)

v = ความเร็ว มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s)

พลังงาน, งาน, พลังงาานในธรรมชาติ

ปัจจัยที่มีผลต่อพลังงานจลน์ คือ มวลของวัตถุและความเร็วในการเคลื่อนที่ ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมักมีพลังงานจลน์มากกว่าวัตถุซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ แต่ถ้าวัตถุดังกล่าวเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน วัตถุที่มีมวลมากกว่าจะมีพลังงานจลน์มากกว่า 

สืบค้นและเรียบเรียง
คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ


ข้อมูลอ้างอิง

https://library.ipst.ac.th/handle/ipst/183

https://www.facebook.com/textile.phys.and.chem/posts/1964648613573563/  

https://www.trueplookpanya.com/knowledge/content/63321/-blo-sciphy-sci-

http://academic.obec.go.th/textbook/web/images/book/1002428_example.pdf


เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

เรื่องแนะนำ

พลังงานจากถ่านหิน (Coal)

มนุษย์โลกใช้ พลังงานจากถ่านหิน มาเป็นเวลาหลายศตวรรษ และในปัจจุบัน หลายประเทศกำลังกังวลเกี่ยวกับผลกระทบจากการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากกระบวนการเผาไหม้ถ่านหิน ถ่านหิน (Coal) คือหนึ่งในเชื้อเพลิงฟอสซิล (Fossil fuel) ที่เกิดจากการทับถมกันของซากพืชในพื้นที่ชื้นแฉะหรือแหล่งน้ำตื้นเขิน ภายใต้การทับถมกันของหิน ดิน ทราย และตะกอนในแหล่งน้ำ ทำให้ซากพืชไม่ย่อยสลายไปอย่างรวดเร็วตามธรรมชาติ แต่สะสมกันเป็นชั้นหนา ก่อนถูกบีบอัดให้จมลึกลงใต้พื้นโลก ภายใต้ความร้อนและความดันที่เพิ่มสูงขึ้นเป็นระยะเวลาหลายร้อยล้านปี ทำให้ซากพืชที่ทับถมกันกลายเป็นถ่านหิน ซึ่งเป็นหินตะกอนสีน้ำตาล-ดำชนิดหนึ่ง มีคุณสมบัติเป็นเชื้อเพลิงที่ดี และสังคมมนุษย์ก็ขับเคลื่อนด้วย พลังงานจากถ่านหิน มาเป็นเวลาหลายศตวรรษ ประเภทของถ่านหิน พีต (Peat) เป็นถ่านหินในขั้นแรกเริ่มของกระบวนการเกิดถ่านหิน จึงมีองค์ประกอบของซากพืชบางส่วนที่ยังย่อยสลายไม่หมด สามารถมองเห็นรูปร่างของกิ่งไม้ ลำต้น หรือใบไม้ ในเนื้อถ่านหินประเภทนี้ได้ ซึ่งส่งผลให้พีตมีลักษณะค่อนข้างร่วนและมีความชื้นสูง ดังนั้น ก่อนนำพีตมาใช้เป็นเชื้อเพลิง จึงต้องผ่านกระบวนการกำจัดความชื้นเสียก่อน ความร้อนที่ได้จากการเผาพีตสูงกว่าที่ได้จากไม้ฟืนทั่วไป สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงให้ความร้อนภายในครัวเรือนได้ดี ลิกไนต์ (Lignite) เป็นถ่านหินที่มีอายุน้อยเป็นลำดับที่ 2 รองจากพีต มีเนื้อเหนียว สีเข้ม และผิวด้าน มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าพีต ยังคงมีความชื้นและองค์ประกอบของซากพืชหลงเหลืออยู่ภายในเนื้อถ่านหินเล็กน้อย ส่งผลให้เมื่อติดไฟมักเกิดควันและเถ้าถ่านปริมาณมาก ดังนั้น ลิกไนต์จึงถือเป็นถ่านหินคุณภาพต่ำที่ให้ความร้อนได้ไม่สูงนัก แต่เพียงพอสำหรับการนำไปใช้ผลิตพลังงานไฟฟ้าและพลังงานความร้อนในโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ ซับบิทูมินัส […]

ชนิดของดอกไม้ และหลักเกณฑ์การจำแนก

ดอกไม้มีความหลากหลายทั้งเรื่องสี กลิ่น รูปร่าง และ ชนิดของดอกไม้ ที่มีเกณฑ์จำแนกแตกต่างกันออกไป ดอกไม้สามารถจำแนกออกเป็นชนิดต่าง ๆ ตามเกณฑ์ดังต่อไปนี้ ชนิดของดอกไม้ 1. จำแนกตามโครงสร้างชั้นเกสรเพศในดอกไม้ แบ่งได้ 2 ชนิด คือ ดอกสมบูรณ์เพศ (Perfect Flower) คือ ดอกไม้ที่มีเกสรเพศผู้และเกสรเพศเมียอยู่ในดอกเดียวกัน เช่น ชบา พู่ระหง ถั่ว พริก พุทธรักษา ข้าว บัว เฟื่องฟ้า และมะเขือ เป็นต้น ดอกไม่สมบูรณ์เพศ (Imperfect Flower) คือ ดอกที่มีเกสรเพียงเพศเดียว โดยที่ภายในดอกไม้หนึ่งดอกจะมีเพียงแค่เกสรเพศใดเพศหนึ่งเท่านั้น ทำให้พืชเหล่านี้มีดอกไม้ที่แบ่งเป็นดอกเพศผู้ (Staminate Flower) และดอกเพศเมีย (Pistillate Flower) เช่น ตำลึง ข้าวโพด ฟักทอง และแตงกวา เป็นต้น 2. จำแนกตามส่วนประกอบโครงสร้างของดอกไม้ แบ่งได้ 2 ชนิด […]

แค่ตรวจเลือดก็รู้ได้ว่าจะคลอดก่อนกำหนดหรือไม่

การคลอดก่อนกำหนดคือหนึ่งในสาเหตุสำคัญที่ทำให้ทารกเสียชีวิต แต่ทุกวันนี้ผลการตรวจเลือดรูปแบบใหม่ ช่วยให้แพทย์ทราบได้ล่วงหน้า ว่าคุณแม่ท่านนั้นๆ มีความเสี่ยงหรือไม่

Community Isolation : ตัวเลือกการดูแลผู้ป่วยในช่วงการระบาดใหญ่

มาตรการ Home Isolation และ Community Isolation เป็นมาตรการที่จัดสถานที่ในบ้านหรือในชุมชนเพื่อรองรับผู้ป่วยติดเชื้อโควิด-19 ที่กำลังเพิ่มสูงขึ้น  จากวิกฤติการระบาดของเชื้อไวรัสโควิด-19 ในช่วงนี้ ตัวเลขผู้ติดเชื้อรายวันพุ่งสูงแตะหลักหมื่นคนต่อวัน ทำให้สถานการณ์การรองรับผู้ป่วยในโรงพยาบาลกำลังอยู่ในขั้นวิกฤติ Community Isolation ผู้ป่วยหลายรายไม่สามารถเข้ารับการรักษาในโรงพยาบาลได้ กระทรวงสาธารณสุขจึงเสนอแนวทางดูแลผู้ป่วยโควิด – 19 ที่บ้าน  และในชุมชน มาใช้เป็นกลยุทธ์ดูแลรักษาผู้ป่วยที่เพิ่มขึ้น เพื่อลดความเจ็บป่วยรุนแรง ลดการเสียชีวิต รวมไปถึงลดการติดเชื้อรายใหม่ในชุมชน นพ.จเด็จ ธรรมธัชอารี เลขาธิการสำนักงานหลักประกันสุขภาพแห่งชาติ (สปสช.) กล่าวว่า ภายหลังจากที่ประชาชนได้รับการตรวจยืนยันติดเชื้อโควิด-19 แล้ว มาตรการสำคัญที่สุด คือการนำผู้ติดเชื้อเข้าสู่ระบบการดูแล โดยในกลุ่มผู้ติดเชื้อสีเขียว หรือกลุ่มไม่มีอาการและอาการไม่รุนแรง สปสช. ได้ประสานคลินิกชุมชนอบอุ่น ศูนย์บริการสาธารณสุข โรงพยาบาล เพื่อจับคู่กับการดูแลในบ้านแบบ Home Isolation ในส่วนของกลุ่มที่สภาพที่อยู่อาศัยไม่สามารถดูแลที่บ้านได้ ก็จะเป็นการดูแลในระบบชุมชน หรือ Community Isolation ซึ่งดำเนินการโดยมูลนิธิสถาบันเพื่อการวิจัยและนวัตกรรมด้านเอชไอวี (IHRI) และราชวิทยาลัยแพทย์เวชศาสตร์ครอบครัว ในการเฝ้าระวังอาการและติดตาม การประเมินที่พักเพื่อใช้เป็นสถานที่กักตัว และหากที่พักไม่เหมาะสมต้องไปดูแลในการดูแลในระบบชุมชน สปสช. ย้ำว่า […]