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

วิทยาศาสตร์น่ารู้ : 10 ตัวการที่ก่อมลพิษทางอากาศสูงสุด

มลพิษทางอากาศไม่ได้เกิดขึ้นจากคาร์บอนไดออกไซด์เพียงอย่างเดียวเท่านั้น มาทำความรู้จักกับตัวการอื่นๆ ที่สามารถพบได้ในชีวิตประจำวันและเป็นอันตรายต่อสุขภาพของคุณเช่นกัน

มาชิมกัญ เมนูใหม่จากใบกัญชา

โรงพยาบาลเจ้าพระยาอภัยภูเบศรเปิดตัวเซ็ตอาหาร มาชิมกัญ เมนูหลากรสที่มีส่วนผสมจากใบกัญชา หลังจากมีประกาศปลดล็อกบางส่วนของกัญชา และกัญชง ให้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ โดยไม่จัดเป็นยาเสพติด ยกเว้นช่อดอก และเมล็ดกัญชา โดยส่วนที่นำมาใช้ได้นั้น ประกอบด้วย ใบที่ไม่ติดกับช่อดอก เปลือก ลำต้น เส้นใย กิ่ง ก้าน ราก ซึ่งไม่ถือว่าเป็นยาเสพติด ร้านอภัยภูเบศรเดย์สปาที่ตั้งอยู่ในโรงพยาบาลเจ้าพระยาอภัยภูเบศร ซึ่งดำเนินกิจการส่วนหนึ่งเกี่ยวกับอาหารอยู่แล้ว จึงเกิดแนวความคิดนำกัญชาซึ่งเป็นภูมิปัญญาดั้งเดิม มาแปลงเป็นหนึ่งในแผนการทำธุรกิจ ด้วยการเปิดตัวอาหารไทยฟิวชันภายใต้ชื่อ มาชิมกัญ โดยแนวคิดเริ่มต้นจากธุรกิจสปาของโรงพยาบาลฯ เติบโตขึ้นร้อยละ 10-20 ต่อปี แต่วัตถุดิบที่นำมาใช้ต้องนำเข้าจากต่างประเทศ จึงเกิดคำถามว่า ทำไมเราไม่ลองหันมาใช้วัตถุดิบที่หาได้ภายในประเทศ จากนั้นจึงประยุกต์ศาสตร์เรื่อง “ธาตุเจ้าเรือน” เข้ามาปรับใช้ ปัจจุบัน ทางโรงพยาบาลฯ ได้ถ่ายทอดองค์ความรู้เรื่องการทำสปาจากวัตถุดิบในประเทศให้แก่องค์กรเอกชนเป็นที่เรียบร้อย ตำราการแพทย์แผนไทยกว่าหลายร้อยปีมีการบันทึกลงในสมุดไทย สมุดข่อย ใบลาน หรือวัสดุอื่นใดที่มีการถ่ายทอดและคัดลอกสืบต่อกันมา เรื่อง “ธาตุเจ้าเรือน” ว่าเป็นธาตุหลักประจำตัว ซึ่งร่างกายมนุษย์ประกอบไปด้วยธาตุทั้ง 4 คือ ดิน น้ำ ลม ไฟ หากธาตุเหล่านี้สมดุลกันร่างกายก็จะแข็งแรง โดยเฉพาะเรื่องการกิน ถ้าเลือกกินอาหารถูกกับธาตุจะช่วยปรับสมดุลให้ร่างกายได้ […]

ยานอินไซต์ตรวจจับแผ่นดินไหวบนดาวอังคารได้เป็นครั้งแรก

นี่คือภาพวาดของยานอินไซต์บนดาวอังคาร องค์กรอวกาศประกาศว่ายานอาจตรวจจับการแรงสั่นสะเทือนบนดาวเคราะห์สีแดง หรือ แผ่นดินไหวบนดาวอังคาร ซึ่งบันทึกได้เป็นครั้งแรก ภาพวาดโดย NASA/JPL-CALTECH นี่คือการสั่นสะเทือนของแผ่นดินครั้งแรกบนดาวเคราะห์สีแดงอย่างที่สามารถบันทึกได้ และแน่นอนว่า นี่คงไม่ใช่ครั้งสุดท้าย ยานอินไซต์ (Insight Lander) ได้ตรวจจับบันทึกเหตุการณ์แผ่นดินไหวบนดาวอังคารได้เป็นครั้งแรก ซึ่งก่อให้เกิด “แรงสั่นสะเทือน” ต่อบรรดานักวิทยาแผ่นดินไหวที่อยู่ห่างไปราว 16 ล้านกิโลเมตร และเป็นการเริ่มต้นยุคใหม่ของการศึกษาดาวเคราะห์สีแดงดวงนี้ สัญญาณอันแผ่วเบาที่ถูกตรวจจับได้เมื่อวันที่ 6 เมษายน ที่ผ่านมา คือการสั่นสะเทือนซึ่งเหล่านักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเกิดจากบริเวณภายในของดาวอังคาร (Martian interior) มากกว่าแรงบนพื้นผิว (Surface forces) อย่างเช่นกระแสลม อย่างไรก็ตาม นักวิจัยยังคงศึกษาข้อมูลเพื่อหาแหล่งกำเนิดของแผ่นดินไหวที่แม่นยำกว่านี้ (รับฟังคลื่นเสียงที่คาดว่าเป็นแผ่นดินไหวบนดาวอังคารที่ยานอินไซต์ตรวจจับได้ที่นี่) คลื่นที่ถูกตรวจจับได้นั้นมีขนาดเล็ก อาจเปรียบได้กับแผ่นดินไหวบนโลกที่ระดับ 2 หรือ 2.5 แมกนิจูด ซึ่งแทบไม่สามารถรู้สึกได้เลยบนพื้นผิวโลก แต่การสั่นสะเทือนนี้ได้สร้างช่วงเวลาที่สำคัญกับบรรดานักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานร่วมกับยานอินไซต์ที่รอคอยวันนี้มานับตั้งแต่การติดตั้งเครื่องมือที่ใช้ตรวจวัดคลื่นแผ่นดินไหว (Seimometer) ไปกับตัวยานเมื่อเดือนธันวาคม ปี 2018 และได้เริ่มช่วงต้นเวลาของการสังเกตเมื่อหลายสัปดาห์ที่ผ่านมา “ผมไล่ตามแผ่นดินไหวบน ดาวอังคาร ครั้งนี้มาเกือบ 30 ปี นี่เป็นช่วงจุดสูงสุดของชีวิตในการทำงานที่ผมตามหามานาน” – บรูซ […]