ทฤษฎีของ งานและพลังงาน

งานและพลังงาน คือศาสตร์หนึ่งในสาขาวิชาฟิสิกส์ที่มีการนำมาประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีต่างๆ เพื่ออำนวยความสะดวกในการดำเนินชีวิตของมนุษย์

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 ดังนี้

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

W = 30 N x 1.2 m = 36 J

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 ตัวอย่างเช่น พลังงานที่ถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ พลังงานในกองฟืน พลังงานในขนมชอกโกแลต พลังงานในถังน้ำมัน เมื่อไม้ลุกไหม้แล้วจะให้คาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ รวมถึงผลิตของเสียอื่นๆ เช่น ขี้เถ้า เนื่องจากเชื้อเพลิงที่ใช้แต่ละชนิด มีโครงสร้างทางเคมีที่ต่างกัน เมื่อใช้ในปริมาณเชื้อเพลิงที่เท่ากัน จึงให้ความร้อนไม่เท่ากัน ซึ่งก๊าซธรรมชาตินั้นให้ความร้อนมากกว่าน้ำมัน และน้ำมันนั้นก็ให้ความร้อนมากกว่าถ่านหิน

2. พลังงานความร้อน

แหล่งกำเนิดพลังงานความร้อน มนุษย์เราได้พลังงานความร้อนมาจากหลายแห่งด้วยกัน เช่น จากดวงอาทิตย์, พลังงานในของเหลวร้อนใต้พื้นพิภพ การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง พลังงานไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานน้ำในหม้อต้มน้ำ พลังงานเปลวไฟ ผลของความร้อนทำให้สารเกิดการเปลี่ยนแปลง เช่น อุณหภูมิสูงขึ้น หรือมีการเปลี่ยนสถานะไป และนอกจากนี้แล้ว พลังงานความร้อน ยังสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีได้อีกด้วย หน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน คือ แคลอรี่ โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า แคลอรี่มิเตอร์

3. พลังงานกล

พลังงานกลเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้อง กับการเคลื่อนที่โดยตรง เช่น ก้อนหินที่อยู่บนยอดเนินจะมีพลังงานศักย์กล (Potential mechanical energy) อยู่จำนวนหนึ่ง ขณะที่ก้อนหินกลิ้งลงมาตามทางลาดของเนิน พลังงานศักย์จะลดลง และเกิดพลังงานจลน์กลของการเคลื่อนที่ (Kinetic mechanical energy) ขึ้นแทน สิ่งมีชีวิตอาศัยพลังงานรูปนี้ในการทำงานที่ต้องมีการ เคลื่อนไหวเป็นประจำ เช่น การเดิน การขยับแขนขา การหยิบวัตถุ เป็นต้น

4. พลังงานจากการแผ่รังสี

พลังงานที่มาในรูปของคลื่น เช่น แสง ความร้อน คลื่นวิทยุ อินฟาเรด อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีคอสมิก สิ่งมีชีวิตต้องอาศัยพลังงานรูปนี้ ในกระบวนการที่สำคัญต่างๆ เช่น การมองเห็นภาพ การสังเคราะห์ด้วยแสง การขยายพันธุ์ชนิดที่ขึ้นอยู่กับช่วงแสง อาจสรุปได้ว่าเป็นพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเอง ซึ่งพลังงานรูปนี้มีบทบาทต่อความเป็นอยู่ปกติของสิ่งมีชีวิต และอาจจะได้พลังงานที่ได้รับจากดวงอาทิตย์, พลังงานจากเสาส่งสัญญาณทีวี, พลังงานจากหลอดไฟ, พลังงานจากเตาไมโครเวฟ, พลังงานจากเลเซอร์ที่ใช้อ่านแผ่นซีดี ฯลฯ

5. พลังงานไฟฟ้า

พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาเคมีแบบหนึ่งอันมีผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นได้ และกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้จะไหลผ่านความต้านทานไฟฟ้าได้ถ้าต่อให้เป็นวงจร ผลจากกระแสไฟฟ้าดังกล่าวอาจทำให้เกิดผลต่างๆ เช่นก่อให้เกิดอำนาจแม่เหล็ก เกิดความร้อนหรือแสงสว่าง พลังงานที่เกิดจากการผ่านขดลวดไปในสนามแม่เหล็ก, พลังงานที่ใช้ขับเครื่องคอมพิวเตอร์ พลังงานที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นต้น

6. พลังงานนิวเคลียร์

พลังงานที่ถูกปล่อยออกจากสารกัมมันตภาพรังสี ที่มีอยู่ในธรรมชาติหรือที่เกิดในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูหรือระเบิดปรมาณู การเกิด fusion ของนิวเคลียร์เล็ก มีหลักอยู่ว่า ถ้านำเอาธาตุเบาๆ ตั้งแต่ 2 ธาตุขึ้นไป มารวมกันโดยมีพลังงานความร้อนอย่างสูงเข้าช่วย จะทำให้ธาตุเบาๆ นี้รวมกัน กลายเป็นธาตุใหม่ ซึ่งหนักกว่าเดิม ส่วน fission 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 หรือ จูล (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 หรือ นาฬิกาไขลาน

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

Ek = ½ mv2

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

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) – https://library.ipst.ac.th/handle/ipst/183

 เคมีฟิสิกส์ของสิ่งทอ อาหาร และของรอบตัว – https://www.facebook.com/textile.phys.and.chem/posts/1964648613573563/  

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

บริษัท อักษร เอ็ดดูเคชั่น จำกัด (มหาชน) – http://academic.obec.go.th/textbook/web/images/book/1002428_example.pdf


เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

เรื่องแนะนำ

แบ่งเวลา 2 นาทีมาชมความงามของโลก

แบ่งเวลา 2 นาทีมาชมความงามของโลก ชวนชมความงดงามและความมหัศจรรย์ของธรรมชาติบนโลกใบนี้ผ่านโปรเจค Symphony for Our World ที่จะพาคุณผู้อ่านเดินทางดำดิ่งไปยังใต้ทะเลลึกพร้อมกับฝูงสัตว์น้ำ จากนั้นชมวิถีชีวิตของสรรพสัตว์บนบก และบินทะยานขึ้นไปยังหุบเขาและท้องฟ้า พร้อมด้วยบทเพลงอันทรงพลัง แล้ว 2 นาทีที่เสียไป จะทำให้คุณรักโลกใบนี้มากยิ่งขึ้น…   อ่านเพิ่มเติม 13 สิ่งที่ทำให้กำเนิดชีวิตขึ้นบนโลก

สิ่งมีชีวิตนอกโลก : มีใครอยู่ข้างนอกนั่นไหม

สิ่งมีชีวิตนอกโลก : มีใครอยู่ข้างนอก (อีก) บ้างไหม : นักวิทยาศาสตร์บอกว่า เราควรเลิกถามได้แล้วว่า  มีชีวิตอยู่นอกโลกหรือไม่ เพราะเป็นไปได้มากว่ามีอยู่แน่ เราควรถามว่า จะหามันพบได้อย่างไรต่างหาก ต่อไปนี้คือบางวิธีที่เราค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกโลก และพยายามหาทางติดต่อด้วย

ลักษณะเฉพาะทางพันธุกรรมของ พะยูนไทย

ความสำเร็จของนักวิจัยมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ สร้างความตื่นเต้นไปทั่วโลก กับการค้นพบลักษณะเฉพาะทางพันธุกรรมของ พะยูนไทย ที่ไม่เหมือนประชากรพะยูนอื่นๆ ในโลก พะยูนเป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่อาศัยในทะเล ปัจจุบัน จำนวนของประชากรพะยูนทั่วโลกลดลงไปอย่างมาก ในประเทศไทยรายงานนพบประมาณ 200 ตัว เท่านั้น ส่วนใหญ่อาศัยอยู่แถบชายฝั่งทะเลจังหวัดตรัง พะยูนไทย จากปัญหาเรื่องจำนวนประชากรพะยูนที่ใกล้สูญพันธุ์ พะยูนจึงถูกคุ้มครองด้วยกฎหมายจำนวนมาก และหลายงานหน่วยต่างเร่งออกมาตรการปฏิบัติ เพื่อปกป้องสายพันธุ์อันเปราะบางนี้ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ โดยคณะสัตวแพทยศาสตร์ ร่วมกับศูนย์วิจัยทรัพยากรทางทะเลและชายฝั่งทะเลอันดามันตอนบน กรมทรัพยากรชายทะเลและชายฝั่ง กระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม ร่วมมือกันวิจัยเกี่ยวกับการอนุรักษ์พะยูนในทะเลมาอย่างต่อเนื่อง ล่าสุดในปี 2021 ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการศึกษาเรื่อง “ความหลากหลายทางพันธุกรรมของพะยูนในประเทศไทยและทั่วโลก” ซึ่งผลจากการศึกษาสร้างความสนใจให้นักวิชาการทั้งในและต่างประเทศเป็นจำนวนมาก เนื่องจากพบว่ามีพะยูนกลุ่มหนึ่งที่อาศัยในทะเลอันดามันของประเทศไทยมีลักษณะประชากรที่จำเพาะไม่เหมือนพะยูนที่อื่นในโลกนี้ โดยผลงานได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ Scientific Reports เมื่อเดือนมิถุนายน ปี 2021 ปัญหาสำคัญของการอนุรักษ์และเพิ่มจำนวนพะยูนคือไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้ รวมถึงอัตราการรอดชีวิตค่อนข้างต่ำ เมื่อเลี้ยงในระบบปิด อย่างกรณีที่เคยปรากฏในสื่อต่างๆ ก่อนหน้านี้ทั้ง “มาเรียม” หรือ “ยามีล” ดังนั้น จึงเป็นความท้าทายสำหรับทีมวิจัยที่ต้องศึกษาค้นคว้า เพื่อหาแนวทางในการจัดการอนุรักษ์ รองศาสตราจารย์ นายสัตวแพทย์ ดร.กรกฎ งานวงศ์พาณิชย์ หัวหน้าคณะผู้วิจัยได้ กล่าวว่า การศึกษาครั้งนี้ใช้ตัวอย่างจากเนื้อเยื่อพะยูนจำนวน […]

MONICA แอปฝึกสมอง ยามที่ต้องอยู่บ้าน

โหลดเลย MONICA แอปฝึกสมอง ที่ใครๆ ก็เล่นได้ ‘สูงวัย’ เล่นยิ่งดี ในภาวะที่สิ่งต่างๆ รอบตัวหยุดชะงักจากผลกระทบการระบาดของโรคโควิด-19 นอกจากหลายคนต้องเปลี่ยนวิถีชีวิตเป็นทำงานจากบ้าน (Work From Home) แล้ว กิจวัตรประจำวันทั้งการออกกำลังกาย งานอดิเรกของคนอีกหลายช่วงวัยยังคงสาละวนอยู่ไม่พ้นรั้วบ้าน คิดจะออกไปสวนสาธารณะใกล้บ้านก็ทำได้ยาก เพราะหลายแห่งในกรุงเทพฯ และต่างจังหวัด ต่างออกมาตรการปิดสวน เพื่อลดการรวมตัวกันของคนหมู่มาก สิ่งแวดล้อมรอบตัวที่เปลี่ยนไป ส่งผลให้สภาพทางสังคมของหลายคนเปลี่ยนแปลงด้วย ยิ่งกินระยะเวลานานนับเดือน อาจเกิดความเครียดสะสมโดยไม่รู้ตัว ซึ่งจิตแพทย์ต่างมีคำแนะนำการปฏิบัติตัว ที่เน้นให้พยายามรักษากิจวัตรและตารางประจำวันให้เหมือนเดิมให้มากที่สุด หรืออาจลองทำกิจกรรมใหม่ๆ ในสภาพแวดล้อมใหม่ เช่น ฝึกร้องเพลง หรือฝึกกิจกรรมต่างๆ ผ่านแอปพลิเคชัน เป็นต้น ในยุคที่ทุกคนสามารถท่องโลกอินเทอร์เน็ตได้เพียงปลายนิ้ว หนึ่งในวิธีที่จะช่วยผ่อนคลายความตึงเครียด สร้างรอยยิ้ม และเสียงหัวเราะขึ้นในบ้านได้ อาจเป็นแค่วิธีง่ายๆ เพียงโหลดเกมดีๆ สักเกม ที่ทำให้ผู้คนทุกช่วงวัยในบ้านได้ฝึกสมองร่วมกัน โดยเฉพาะในช่วงเวลาที่สมาชิกอยู่กันพร้อมหน้า ดร.ศราวุธ เลิศพลังสันติ และดร.สิทธา สุขกสิ ทีมวิจัยห้องปฏิบัติการการออกแบบและแก้ปัญหาอุตสาหกรรม ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ได้คิดค้นและออกแบบแอปพลิเคชันเกมฝึกสมอง หรือ MONICA […]