พลังงาน

            พลังงาน คือ ความสามารถในการทำงาน เราใช้พลังงานในการทำกิจกรรมหรือทำงานต่างๆ เช่น เดิน หายใจ การเจริญเติบโต เพาะปลูก เป็นต้น พลังงานให้แสงสว่างกับบ้านเรือนหรือที่อยู่อาศัยของเรา พลังงานให้กำลังแก่ยานพาหนะต่างๆ เช่น รถยนต์ รถไฟ จรวด เครื่องบิน เป็นต้น พลังงานทำให้บ้านที่อยู่อาศัย อาคารสำนักงานต่างๆ ของเราเย็นสบาย ทำให้เกิดรูปภาพในโทรทัศน์มากมาย นอกจากนี้ยังให้กำลังแก่เครื่องจักรในโรงงานอุตสาหกรรมได้ด้วย ดังนั้นถ้าปราศจากพลังงานจะไม่มีสิ่งใดทำงานได้ สัตว์และพืชก็จะตาย เครื่องจักรและสิ่งต่างๆ ก็จะไม่สามารถทำงานได้ ในสภาพความเป็นจริงหากโลกของเราปราศจากพลังงานก็จะไม่มีสิ่งมีชีวิต เพราะทุกๆ ชีวิตต้องการพลังงาน

รถจักรยานยนต์เคลื่อนที่โดยใช้พลังงานเชื้อเพลิง

            นักวิทยาศาสตร์ได้จัดรูปแบบของพลังงานให้เป็นหมวดหมู่ เพื่อความเข้าใจเกี่ยวกับพลังงานที่มีหลายรูปแบบแตกต่างกันไป เช่น พลังงานที่ร่างกายใช้ในการทำงานได้จากพลังงานเคมีในอาหารที่เรารับประทาน พลังงานแสงช่วยให้เรามองเห็นสิ่งต่างๆ รอบตัว พลังงานเสียงที่เราได้ยินใช้ในการสื่อสาร วัตถุเคลื่อนที่ได้โดยใช้พลังงานกล เราใช้พลังงานไฟฟ้ากับเครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น

พลังงานกล

            พลังงานกล (mechanical energy) เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ พลังงานศักย์และพลังงานจลน์ โดยพลังงานศักย์เป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุ ส่วนพลังงานจลน์เป็นพลังงานของวัตถุขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ พลังงานศักย์มี 2 ชนิด คือ พลังงานศักย์ยืดหยุ่น ซึ่งเป็นพลังงานที่สะสมในวัตถุที่มีการยืดหยุ่นได้ เช่น พลังงานที่สะสมในสปริง ในแถบยางหรือหนังสติก เป็นต้น พลังงานศักย์อีกชนิดหนึ่งเป็นพลังงานที่สะสมในวัตถุที่อยู่ในตำแหน่งสูงจาก พื้นโลก เรียกว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วง แต่ในระดับชั้นนี้เราจะกล่าวถึงเฉพาะพลังงานศักย์โน้มถ่วง

พลังงานศักย์โน้มถ่วง

            พลังงานศักย์โน้มถ่วง (gravitational potential energy) หมายถึง พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุที่อยู่สูงจากพื้นโลกขึ้นไป และวัตถุนั้นอยู่ในแนวดิ่ง
            ปัจจัยที่มีผลต่อพลังงานศักย์โน้มถ่วง คือ
            1. มวลของวัตถุ วัตถุที่มีมวลมาก แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุนั้นจะมาก ทำให้ค่าของพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากตามไปด้วย
            2. ตำแหน่งที่อยู่ของวัตถุ เป็นระยะความสูงของวัตถุที่อยู่ห่างจากผิวโลก วัตถุที่อยู่ห่างจากผิวโลกมากจะสะสมค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงไว้มาก ดังนั้นวัตถุที่อยู่สูงจึงมีค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากกว่าวัตถุที่อยู่ใน ระดับต่ำกว่า เมื่อวัตถุอยู่ ณ ตำแหน่งสูงสุดจะมีค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากที่สุด และเมื่อวัตถุตกถึงผิวโลกจะไม่มีค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงหรือมีค่าพลังงาน ศักย์โน้มถ่วงเป็นศูนย์ ถ้าเรากำหนดให้
แทนพลังงานศักย์โน้มถ่วง สามารถเขียนความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุกับมวลและความสูงของวัตถุเป็นสมการได้ดังนี้

m = มวลของวัตถุ (กิโลกรัม)
g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก ( = 9.8 เมตร/ วินาที)
h = ความสูงของวัตถุจากพื้น (เมตร)
= พลังงานศักย์โน้มถ่วง (จูล)

            ตัวอย่างที่ 1 นักกีฬากระโดดน้ำมวล 50 กิโลกรัม กระโดดน้ำที่ตำแหน่งต่างๆ กัน จงคำนวณหาพลังงานศักย์ของนักกีฬาเมื่อ
            1) ยืนที่พื้นขอบสระน้ำ
            2) ยืนที่ระดับสูง 4 เมตรจากขอบสระน้ำ
            3) ยืนที่ระดับสูง 6 เมตรจากขอบสระน้ำ
วิธีทำ 1) นักกีฬายืนที่พื้นขอบสระน้ำ
จากสูตร = mgh

ตอบ

2) นักกีฬายืนที่ระดับสูง 4 เมตรจากขอบสระน้ำ

ตอบ

3) นักกีฬายืนที่ระดับสูง 6 เมตรจากขอบสระน้ำ

ตอบ

            ตัวอย่างที่ 2 จงหาปริมาณพลังงานศักย์ของลูกมะพร้าวที่อยู่บนต้นสูง 6 เมตร เมื่อ
            1) ลูกมะพร้าวมีมวล 0.5 กิโลกรัม
            2) ลูกมะพร้าวมีมวล 1.0 กิโลกรัม
วิธีทำ 1) เมื่อลูกมะพร้าวมีมวล 0.5 กิโลกรัม

ตอบ

2) เมื่อลูกมะพร้าวมีมวล 1.0 กิโลกรัม

ตอบ

ตัวอย่างการใช้ประโยชน์ของพลังงานศักย์โน้มถ่วง เช่น การกักเก็บน้ำในอ่างเก็บน้ำเหนือเขื่อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ถ้ากักเก็บน้ำไว้ได้สูงมากก็จะมีพลังงานศักย์มาก การเพิ่มน้ำหนักของปั้นจั่นจะทำให้พลังงานศักย์เพิ่มขึ้น เป็นต้น

พลังงานจลน์

            พลังงานจลน์ (kinetic energy) เป็นพลังงานของวัตถุขณะที่วัตถุเคลื่อนที่
            ปัจจัยที่มีผลต่อพลังงานจลน์ คือ
            1. มวลของวัตถุ วัตถุที่มีค่าของมวลมากจะมีพลังงานจลน์มาก
            2. ความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุ วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงจะมีพลังงานจลน์มากด้วย
            ถ้าเรากำหนดให้ แทนพลังงานจลน์ สามารถเขียนความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์ของวัตถุกับมวลและความเร็วของวัตถุได้ดังนี้

m = มวลของวัตถุ (กิโลกรัม)
v = ความเร็วของวัตถุ (เมตร/วินาที)
= พลังงานจลน์ของวัตถุ (จูล)

            ตัวอย่างที่ 3 รถยนต์คันหนึ่งมวล 1,500 กิโลกรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 72 กิโลเมตรต่อชั่วโมง จงหาพลังงานจลน์ของรถยนต์
วิธีทำ จากสูตร

ตอบ

            ตัวอย่างที่ 4 นักกีฬากระโดดน้ำมวล 50 กิโลกรัม กระโดดลงสู่ผิวน้ำด้วยความเร็ว 10 เมตรต่อวินาที จงหาพลังงานจลน์จากการเคลื่อนที่ของนักกีฬา
วิธีทำ

ตอบ

            ในชีวิตประจำวันเรามีความคุ้นเคยกับผลที่เกิดจากพลังงานจลน์เสมอ เช่น พลังงานจลน์จากการตกของลูกตุ้มเหล็กที่ติดตั้งอยู่กับปั้นจั่นจะช่วยในการ ตอกเสาเข็ม ซึ่งเป็นฐานรากของการก่อสร้างอาคารต่างๆ พลังงานจลน์ของน้ำที่ไหลตกจากที่สูงกระทบกังหันน้ำให้หมุนช่วยในการ ผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง การหล่นของผลไม้จากต้น อธิบายได้ว่าผลไม้ที่หล่นจากที่สูงกว่าจะกระทบกับพื้นด้วยความเร็วมากกว่าผล ไม้ที่หล่นจากที่ต่ำ ทั้งพลังงานศักย์และพลังงานจลน์เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ ของวัตถุ ผลรวมของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ของวัตถุเรียกว่า พลังงานกล (mechanical energy) การเปลี่ยนรูปกลับไปกลับมาระหว่างพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์ ทำให้เกิดสมดุลของพลังงานดังนี้
            ขณะวัตถุอยู่ในตำแหน่งสูงสุด วัตถุจะหยุดนิ่ง พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่าสูงสุด ส่วนพลังงานจลน์จะมีค่าต่ำสุดคือเท่ากับศูนย์ เมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะเริ่มลดลง เนื่องจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ และขณะวัตถุเคลื่อนที่ต่ำลงมาจนถึงพื้น พลังงานจลน์กลับมีค่าสูงสุด ส่วนพลังงานศักย์โน้มถ่วงมีค่าต่ำสุดคือเท่ากับศูนย์ เนื่องจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงทั้งหมดเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์นั่นเอง

รูปแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงาน

            เมื่อวัตถุอยู่สูง พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะยิ่งมาก และเมื่อเคลื่อนที่ตกลงมาพลังงานศักย์จะลดลง และจะมีพลังงานจลน์มากขึ้น

            พลังงานนอกจากจะอยู่ในรูปแบบพลังงานศักย์ พลังงานจลน์ หรือพลังงานกลแล้วในชีวิตประจำวันเรายังพบพลังงานในรูปแบบต่างๆ ดังนี้
            1. พลังงานเคมี เป็นพลังงานที่แฝงอยู่ในโครงสร้างของสาร เช่น พลังงานเคมีที่อยู่ในน้ำมันเชื้อเพลิง พลังงานเคมีที่อยู่ในอาหาร พลังงานเคมีที่มีอยู่ในแบตเตอรี่หรือถ่านไฟฉาย ถ้านำมาใช้จะปล่อยพลังงานเคมีออกมาใช้ทำประโยชน์ในด้านต่างๆ พลังงานเคมีนี้อาจเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า "พลังงานสะสม"
            2. พลังงานไฟฟ้า เป็นพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหรือประจุไฟฟ้าในช่วงเวลา หนึ่ง โดยผ่านเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า เช่น ไดนาโม เซลล์สุริยะ เป็นต้น
            3. พลังงานคลื่น เป็นพลังงานที่ส่งมาในรูปของคลื่น เช่น คลื่นแสง เสียง คลื่นวิทยุ ซึ่งมนุษย์นำมาใช้ประโยชน์ต่างๆ มากมาย เช่น ใช้ในการพยากรณ์อากาศ การสื่อสาร โดยจะใช้พลังงานที่อยู่ในรูปของคลื่นในการรับส่งข้อมูล
            4. พลังงานนิวเคลียร์ เป็นพลังงานที่ถูกปล่อยออกมาในรูปของสารกัมมันตรังสีซึ่งมีอยู่ตามธรรมชาติ หรือสารกัมมันตรังสีในระเบิดนิวเคลียร์ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
            โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์จะใช้พลังงานนิวเคลียร์จากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในรูปของพลังงานความร้อนในการผลิตกระแสไฟฟ้า

หมายเหตุ

            กฎการอนุรักษ์พลังงาน กล่าวว่า "พลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำให้สูญหายไปได้ แต่พลังงานสามารถเกิดการถ่ายโอนระหว่างพลังงานด้วยกันได้ หรือเกิดการเปลี่ยนรูปพลังงานได้นั่นเอง" มนุษย์ใช้หลักการดังกล่าวเปลี่ยนรูปพลังงานมาใช้ให้เกิดประโยชน์และตรงตาม ความต้องการได้

พลังงานความร้อน

            อุณหภูมิและหน่วยวัด
ในชีวิตประจำวันเราจะคุ้นเคยกับการใช้พลังงานความร้อน (thermal energy) อยู่เสมอ พลังงานความร้อนเป็นพลังงานที่สามารถถ่ายเทจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ อันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เมื่อวัตถุดูดกลืนพลังงานความร้อนจะทำให้วัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้น จึงเกิดการถ่ายเทพลังงานความร้อนให้กับวัตถุอื่นที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งต้นกำเนิดของพลังงานความร้อนมาจากดวงทิตย์ การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง การขัดถูกันของวัตถุ และจากพลังงานไฟฟ้า
วัตถุเมื่อได้รับพลังงานความร้อนจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น อุณหภูมิเป็นปริมาณที่บอกให้ทราบถึงระดับความร้อนของวัตถุ
            เครื่องมือที่ใช้วัดอุณหภูมิมีหลายชนิด ที่นิยมใช้กันมากคือ เทอร์มอมิเตอร์ ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ใช้หลักการขยายตัวของของเหลวเมื่อได้รับความร้อน มีลักษณะเป็นหลอดแก้วยาว ปลายทั้งสองข้างปิด ปลายหลอดข้างหนึ่งเป็นกระเปาะ ซึ่งบรรจุของเหลว ที่ขยายตัวได้ง่ายเมื่อได้รับความร้อน และหดตัวได้ง่ายเมื่อได้รับความเย็น ของเหลวที่บรรจุอยู่ภายในเทอร์มอมิเตอร์นิยมใช้ปรอทซึ่งมีสีเงิน แต่บางทีก็ใช้แอลกอฮอล์ผสมสีบรรจุในเทอร์มอมิเตอร์แทนปรอท

รูปแสดงเทอร์มอมิเตอร์วัดไข้

            หน่วยที่ใช้วัดอุณหภูมิที่นิยมกันอย่างแพร่หลาย คือ องศาเซลเซียส (8 ํC) องศาฟาเรนไฮต์ (8 ํF) และเคลวิน (K) โดยกำหนดว่า อุณหภูมิที่เป็นจุดเยือกแข็งของน้ำบริสุทธิ์ คือ 0 องศาเซลเซียส หรือ 32 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ 273 เคลวิน และอุณหภูมิที่เป็นจุดเดือดของน้ำบริสุทธิ์ คือ 100 องศาเซลเซียส หรือ 212 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ 373 เคลวิน

รูปแสดงค่าที่อ่านได้จากเทอร์มอมิเตอร์แบบต่างๆ

ตัวอย่างระดับอุณหภูมิเฉลี่ยของสิ่งต่างๆ

            เนื่องจากเทอร์มอมิเตอร์มีหน่วยวัดอยู่หลายหน่วย ดังนั้นถ้าต้องการเปลี่ยนหน่วยที่ใช้วัดเดิมเป็นหน่วยวัดอื่น สามารถทำได้จากสมการแสดงความสัมพันธ์ของแต่ละหน่วย ดังนี้

            นอกจากนี้การวัดอุณหภูมิของร่างกาย บางครั้งอาจใช้เครื่องมือวัดที่มีลักษณะเป็นแถบแผ่นพลาสติก ซึ่งจะปรากฏแถบสีแสดงอุณหภูมิของร่างกายได้เช่นกัน
            พลังงานความร้อนในอาหารนิยมวัดเป็นหน่วยแคลอรี โดยกำหนดให้ 1 แคลอรี หมายถึงปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส มีค่าประมาณ 4.2 จูล

การถ่ายโอนพลังงานความร้อน

            การถ่ายโอนพลังงานความร้อน เป็นการถ่ายเทพลังงานความร้อนระหว่างที่สองแห่งที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน วิธีการถ่ายโอนพลังงานความร้อนแบ่งได้เป็น 3 วิธี ดังนี้
            1. การถ่ายโอนความร้อนโดยการนำความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยความร้อนจะเคลื่อนที่ไปตามเนื้อของวัตถุจาก ตำแหน่งที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่ตำแหน่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยที่วัตถุที่เป็นตัวกลางในการถ่ายโอนความร้อนไม่ได้เคลื่อนที่ เช่น การนำแผ่นอะลูมิเนียมมาเผาไฟ โมเลกุลของแผ่นอะลูมิเนียมที่อยู่ใกล้เปลวไฟจะร้อนก่อนโมเลกุลที่อยู่ไกลออก ไป เมื่อได้รับความร้อนจะสั่นมากขึ้นจึงชนกับโมเลกุลที่อยู่ติดกัน และทำให้โมเลกุลที่อยู่ติดกันสั่นต่อเนื่องกันไป ความร้อนจึงถูกถ่ายโอนไปโดยการสั่นของโมเลกุลของแผ่นอะลูมิเนียม และโลหะต่างๆ เช่น เงิน ทอง อะลูมิเนียม เหล็ก เป็นวัตถุที่นำความร้อนได้ดี จึงถูกนำมาทำภาชนะในการหุงต้มอาหาร วัตถุที่นำความร้อนไม่ดีจะถูกนำมาทำฉนวนกันความร้อน เช่น ไม้ พลาสติก แก้ว กระเบื้อง เป็นต้น
            2. การถ่ายโอนความร้อนโดยการพาความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยวัตถุที่เป็นตัวกลางในการพาความร้อนจะเคลื่อนที่ ไปพร้อมกับความร้อนที่พาไป ตัวกลางในการพาความร้อน จึงเป็นสารที่โมเลกุลเคลื่อนที่ได้ง่าย ได้แก่ ของเหลวและแก๊ส ลมบกลมทะเลเป็นการเคลื่อนที่ของอากาศที่พาความร้อนจากบริเวณหนึ่งไปยัง อีกบริเวณหนึ่ง การต้ม การนึ่ง และการทอดอาหารเป็นการทำให้อาหารสุกโดยการพาความร้อน
            3. การถ่ายโอนความร้อนโดยการแผ่รังสีความร้อน เป็นการ ถ่ายโอนความร้อนโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง เช่น การแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก การแผ่รังสีความร้อนจากเตาไฟไปยังอาหารที่ปิ้งย่างบนเตาไฟ เป็นต้น

สมดุลความร้อน

            สมดุลความร้อน หมายถึง ภาวะที่สารที่มีอุณหภูมิต่างกันสัมผัสกัน และถ่ายโอนความร้อนจนกระทั่งสารทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน (และหยุดการถ่ายโอนความร้อน) เช่น การผสมน้ำร้อนกับน้ำเย็นเข้าด้วยกัน น้ำร้อนจะถ่ายโอนพลังงานความร้อนให้กับน้ำเย็น และเมื่อน้ำที่ผสมมีอุณหภูมิเท่ากัน การถ่ายโอนความร้อนจึงหยุด

การดูดกลืนความร้อนของวัตถุ

            วัตถุทุกชนิดสามารถดูดกลืนพลังงานรังสี การดูดกลืนพลังงานรังสีของวัตถุเรียกว่า "การดูดกลืนความร้อน" จากการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์พบว่า วัตถุที่มีผิวนอกสีดำทึบหรือสีเข้ม จะดูดกลืนความร้อนได้ดี วัตถุที่มีผิวนอกสีขาวหรือสีอ่อน จะดูดกลืนความร้อนได้ไม่ดี ในทำนองตรงกันข้าม วัตถุที่มีความร้อนทุกชนิดสามารถคายความร้อนได้เช่นกัน โดยวัตถุที่มีผิวนอกสีดำจะคายความร้อนได้ดี และวัตถุที่มีผิวนอกขาวจะคายความร้อนได้ไม่ดี ในชีวิตประจำวันใช้ประโยชน์จากสมบัติของการดูดกลืนความร้อนและการคายความ ร้อนของวัตถุในการเลือกสีทาอุปกรณ์เครื่องใช้ต่างๆ เช่น ชุดนักดับเพลิงมีสีสว่างและแวววาวเพื่อไม่ให้รับพลังงานความร้อนมากเกินไป บ้านเรือนที่อยู่อาศัยในเขตร้อนนิยมทาด้วยสีขาว เป็นต้น

การขยายตัวของวัตถุ

            วัตถุบางชนิดจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน และจะหดตัวเมื่อคายความร้อน การขยายตัวของวัตถุเป็นสมบัติเฉพาะตัวของวัตถุ อัตราส่วนระหว่างขนาดของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงไปกับขนาดเดิมของวัตถุต่อ อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง เรียกว่า "สัมประสิทธิ์ของการขยายตัว" วัตถุใดที่มีสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวมากจะขยายตัวได้มากกว่าวัตถุที่มี สัมประสิทธิ์การขยายตัวน้อย เช่น ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส และความดันบรรยากาศเดียวกัน สังกะสี ตะกั่ว อะลูมิเนียม จะขยายตัวได้มากไปน้อย ตามลำดับ
            ความรู้เรื่องการขยายตัวของวัตถุเมื่อได้รับความร้อนจะถูกนำไปใช้ประโยชน์ อย่างกว้างขวาง เช่น การเว้นรอยต่อของรางรถไฟ การเว้นช่องว่างของหัวสะพาน การประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ และการติดตั้งเทอร์มอสแตตไฟฟ้า เพื่อใช้ควบคุมระดับอุณหภูมิของเครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น