บทที่ 2 งานและพลังงาน 2.1 งาน (work) งาน (work) คือ ผลของแรงที่กระท าต่อวัตถุแล้วท าให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวราบ งานเป็นปริมาณที่สามารถค านวณได้จากความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้ งาน = แรง (นิวตัน) x ระยะทาง (เมตร) เมื่อ W คือ งาน มีหน่วยเป็นจูล ( J ) หรือนิวตันเมตร (N-m) F คือ แรงที่กระท า มีนหน่วยเป็นนิวตัน ( N ) s คือ ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวราบ มีหน่วยเป็นเมตร ( m ) จะได้สูตรค านวณหางาน คือ F = W x s ตัวอย่าง วินัยออกแรงยกกล่องด้วยแรง 30 นิวตัน แล้วเดินขึ้นบันได 5 ขั้น แต่ละขั้น สูง 20 เซนติเมตรงานที่วินัยท าจากการยกกล่องขึ้นบันไดมีค่าเท่าใด วิธีท า จากโจทย์ความสูงของขั้นบันใด = 5x 20 = 100cm = 1 m จากสูตร W = F x s = 30x 1

= 30 J ตอบ วินัยท างานจากการลากกล่องได้ 30 จูล 2.2 ก าลัง พลังงาน (energy) คือ ความสามารถในการท างานได้ของวัตถุหรือสสารต่าง ๆ พลังงานสามารถท าให้สสารเกิดการเปลี่ยนแปลงได้ เช่น ท าให้สสารร้อนขึ้น เกิดการ เคลื่อนที่ เปลี่ยนสถานะเป็นต้น พลังงานที่น ามาใช้ในชีวิตประจ าวันมีหลายรูปแบบ เช่น พลังงานกล พลังงาน ความร้อน พลังงานไฟฟ้า พลังงานแสง พลังงานเคมี พลังงานนิวเคลียร์ เป็นต้น หน่วยของพลังงาน พลังงานมีหน่วยเป็นจูล (J) ประเภทของพลังงาน พลังงานแบ่งออกเป็น 6 ประเภท ตามลักษณะที่เห็นได้ชัดเจน ซึ่งได้แก่ 1. พลังงานเคมี (Chemical Encrgy) 2. พลังงานความร้อน (Thermal Energy) 3. พลังงานกล (Mechanical Energy) 4. พลังงานจากการแผ่รังสี (Radiant Energy) 5. พลังงานไฟฟ้า (Electrical Energy) 6. พลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear Energy) 1.พลังงานเคมี พลังงานเคมีเป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในสารต่างๆ โดยอยู่ในพันธะระหว่าง อะตอมในโมเลกุล เมื่อพันธะแตกสลาย พลังงานสะสมจะถูกปล่อยออกมาในรูปของ

ความร้อนและแสงสว่าง ตัวอย่างเช่น พลังงานที่ถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่, พลังงานในกอง ฟื น, พลังงานในขนมชอกโกแลต, พลังงานในถังน ้ามัน เมื่อไม้ลุกไหม้แล้วจะให้ คาร์บอนไดออกไซด์และไอน ้า รวมถึงผลิตของเสียอื่นๆ เช่น ขี้เถ้า เนื่องจากเชื้อเพลิงที่ใช้ แต่ละชนิด มีโครงสร้างทางเคมีที่ต่างกัน เมื่อใช้ในปริมาณเชื้อเพลิงที่เท่ากัน จึงให้ความ ร้อนไม่เท่ากัน ซึ่งก๊าซธรรมชาตินั้นให้ความร้อนมากกว่าน ้ามัน และน ้ามันนั้นก็ให้ความ ร้อนมากกว่าถ่านหิน 2พลังงานความร้อน แหล่งก าเนิดพลังงานความร้อน มนุษย์เราได้พลังงานความร้อนมาจากหลาย แห่งด้วยกัน เช่น จากดวงอาทิตย์, พลังงานในของเหลวร้อนใต้พื้นพิภพ , การเผาไหม้ของ เชื้อเพลิง, พลังงานไฟฟ้า, พลังงานนิวเคลียร์, พลังงานน ้าในหม้อต้มน ้า, พลังงานเปลวไฟ ผลของความร้อนท าให้สารเกิดการเปลี่ยนแปลง เช่น อุณหภูมิสูงขึ้น หรือมีการเปลี่ยน สถานะไป และนอกจากนี้แล้ว พลังงานความร้อน ยังสามารถท าให้เกิดการเปลี่ยนแปลง ทางเคมีได้อีกด้วย หน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน คือ แคลอรี่ โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า แคลอรี่มิเตอร์ 3 พลังงานกล พลังงานกลเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้อง กับการเคลื่อนที่โดยตรง เช่น ก้อนหินที่อยู่ บนยอดเนินจะมีพลังงานศักย์กล (Potential mechanical energy) อยู่จ านวนหนึ่ง ขณะที่ก้อน หินกลิ้งลงมาตามทางลาดของเนิน พลังงานศักย์จะลดลง และเกิดพลังงานจลน์กลของ การเคลื่อนที่ (Kinetic mechanical energy) ขึ้นแทน สิ่งมีชีวิตอาศัยพลังงานรูปนี้ในการ ท างานที่ต้องมีการ เคลื่อนไหวเป็นประจ า เช่น การเดิน การขยับแขนขา การหยิบวัตถุ เป็นต้น

4. พลังงานจากการแผ่รังสี พลังงานที่มาในรูปของคลื่น เช่น แสง ความร้อน คลื่นวิทยุ อินฟาเรด อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีคอสมิก สิ่งมีชีวิตต้องอาศัยพลังงานรูปนี้ ในกระบวนการที่ ส าคัญต่างๆ เช่น การมองเห็นภาพ การสังเคราะห์ด้วยแสง การขยายพันธุ์ชนิดที่ขึ้นอยู่ กับช่วงแสง อาจสรุปได้ว่าเป็นพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเอง ซึ่งพลังงานรูปนี้มี บทบาทต่อความเป็นอยู่ปกติของสิ่งมีชีวิต และอาจจะได้พลังงานที่ได้รับจากดวงอาทิตย์, พลังงานจากเสาส่งสัญญาณทีวี, พลังงานจากหลอดไฟ, พลังงานจากเตาไมโครเวฟ, พลังงานจากเลเซอร์ที่ใช้อ่านแผ่นซีดี ฯลฯ 5. พลังงานไฟฟ้า พลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาเคมีแบบหนึ่งอันมีผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นได้ และ กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้จะไหลผ่านความต้านทานไฟฟ้าได้ถ้าต่อให้เป็นวงจร ผลจาก กระแสไฟฟ้าดังกล่าวอาจท าให้เกิดผลต่าง ๆ เช่นก่อให้เกิดอ านาจแม่เหล็ก เกิดความ ร้อนหรือแสงสว่าง พลังงานที่เกิดจากการผ่านขดลวดไปในสนามแม่เหล็ก, พลังงานที่ใช้ ขับเครื่องคอมพิวเตอร์, พลังงานที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นต้น 6. พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานที่ถูกปล่อยออกจากสารกัมมันตภาพรังสี ที่มีอยู่ในธรรมชาติหรือที่เกิด ในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูหรือระเบิดปรมาณู การเกิด fusion ของนิวเคลียร์เล็ก มีหลักอยู่ว่า ถ้าน าเอาธาตุเบาๆ ตั้งแต่ 2 ธาตุขึ้นไป มารวมกันโดยมีพลังงานความร้อนอย่างสูงเข้า ช่วย จะท าให้ธาตุเบาๆ นี้รวมกัน กลายเป็นธาตุใหม่ ซึ่งหนักกว่าเดิม ส่วน fission เกิดจาก ปฏิกิริยาระหว่างการยิงอนุภาคบางชนิดกับนิวเคลียสของธาตุหนักๆ ท าให้นิวเคลียสของ

ธาตุหนักแตกแยกออกเป็น 2 ส่วน ซึ่งแต่ละส่วนเป็นธาตุที่เบากว่าเดิม และขนาดเกือบ เท่าๆ กัน พลังงานรูปนี้มีบทบาทต่อความเป็นอยู่ปกติของสิ่งมีชีวิตน้อย 2.3พลังงานกล พลังงานกลเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับวัตถุที่ก าลังเคลื่อนที่หรือพร้อมที่จะเคลื่อนที่ แบ่งออกเป็น 2 อย่าง คือ พลังงานศักย์และพลังงานจลน์ 1. พลังงานศักย์ (potential energy : Ep ) คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในตัววัตถุหรือสสาร ที่หยุดนิ่งอยู่กับที่ยังไม่เกิดการเคลื่อนที่ ถ้าวัตถุอยู่บนพื้นที่สูงจากระดับพื้นดินขึ้นไป พลังงานที่สะสมอยู่ในตัวของวัตถุนี้จะเกิดจากแรงดึงดูดของโลกจึงเรียกว่า "พลังงานศักย์ โน้มถ่วง" การค านวณพลังงานศักย์โน้มถ่วงใช้สูตรดังนี้ Ep = mgh 2. พลังงานจลน์ ( kinetic energy : Ek ) คือ พลังงานที่มีอยู่ในวัตถุที่ก าลังเคลื่อนที่ การค านวณพลังงานจลน์ใช้สูตรดัง Ek = 1/2mv2 2.4กฎการอนุรักษ์พลังงาน

กฎการอนุรักษ์พลังงาน (Law of conservation of energy) กล่าวไว้ว่า "พลังงานรวม ของวัตถุจะไม่สูญหายไปไหน แต่สามารถเปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้" พลังงานความร้อน พลังงานความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่งที่สามารถท างานได้และเปลี่ยนรูปมาจาก การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง จากดวงอาทิตย์ พลังงานไฟฟ้า พลังงานความร้อนใต้พิภพ หรือเกิดจากปฏิกิริยาเคมี พลังงานเหล่านี้ล้วนแต่มีความส าคัญในการท ากิจกรรมต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต อุณหภูมิ การบอกค่าพลังงานความร้อนของสารต่าง ๆ ว่าร้อนมาหรือน้อยเพียงใดนั้น นักวิทยาศาสตร์เรียกนะดับความร้อนของสารเหล่านั้นว่า อุณหภูมิ (temperature) เครื่องมือที่ใช้ส าหรับวัดอุณหภูมิเรียกว่า เทอร์มอมิเตอร์ (thermometer) เทอร์โมมิเตอร์ มัก ผลิตมาจากปรอทหรือแอลกอฮอล์ เมื่อของเหลวได้รับความร้อนจะมีการขยายตัวไปตาม ช่องเล็กๆ ซึ่งมีสเกลบอกอุณหภูมิเป็นตัวเลข มีหน่วยเป็นองศาเซลเซียส หรือองศาฟาเรน ไฮต์ หน่วยที่ใช้วัดอุณหภูมิ 1. องศาเซลเซียส ( oC ) 2. องศาฟาเรนไฮต์ ( oF) 3. เคลวิน ( K )

32 = 98.6 oF ดังนั้นอุณหภูมิร่างกายของคนปกติจะเท่ากับ 98.6 ฟาเรนไฮต์ การถ่ายโอนพลังงานความร้อน การถ่ายเทหรือถ่ายโอนพลังงานความร้อนมีหลายแบบดังนี้ 1. การน าความร้อน การน าความร้อนเป็นการส่งผ่านความร้อนที่ต้องมีตัวกลาง ตัวกลางจะไม่เคลื่อนที่ แต่ความร้อนจะเคลื่อนที่ไปตามเนื้อของตัวกลาง เช่นการเผาด้านหนึ่งของแท่งเหล็ก ความร้อนจะเคลื่อนที่ไปตามเนื้อของแท่งเหล็กจนท าให้ปลายอีกข้างร้อนตามไปด้วย การ

น าความร้อนของวัตถุแต่ละชนิดไม่เท่ากัน เช่น เหล็กจะน าความร้อนได้ดีกว่า แท่งแก้ว วัตถุที่น าความร้อนได้เร็วเรียกว่า ตัวน าความร้อน วัตถุที่น าความร้อนได้ไม่ดีหรือช้า เรียกว่า ฉนวนความร้อน 2. การพาความร้อน การพาความร้อนเป็นการส่งผ่านความร้อนที่มีการเคลื่อนที่ของตัวกลาง เช่น การที่ เรานั่งรอบกองไฟแล้วรู้สึกร้อน ก็เพราะอากาศได้พาเอาความร้อนเคลื่อนที่มีถูกตัวเรา 3. การแผ่รังสีความร้อน การแผ่รังสีความร้อน เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง ซึ่งความร้อนที่ออกจากแหล่งก าเนิดจะอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถ เคลื่อนที่ไป ยังอีกจุดหนึ่งโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางและมีอัตราเร็วในการ เคลื่อนที่สูงมาก สมดุลความร้อน สมดุลความร้อน หมายถึง การที่วัตถุมีอุณหภูมิสูงถ่ายโอนพลังงานความร้อนให้กับ วัตถุที่มีอุณหภูมิ ต ่าจนกระทั่งวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากันแล้วจึงจะหยุดการถ่ายโอน พลังงาน การขยายตัวของวัตถุ เมื่อวัตถุได้รับพลังงานความร้อน ท าให้อุณหภูมิในวัตถุเพิ่มขึ้น วัตถุจะขยายตัว และเมื่อวัตถุคายพลังงานความร้อนท าให้อุณหภูมิของวัตถุลดลง วัตถุจะหดตัว

การน าความรู้เกี่ยวกับการขยายตัวของวัตถุไปใช้ประโยชน์ 1. การออกแบบบ้านให้ระบายความร้อนได้ดี จากการขยายตัวของแก๊สได้น ามาใช้ในการออกแบบบ้านทรงไทยให้มีใต้ถุนสูง หน้าจั่วหลังคาสูงมากและมีช่องอากาศเพื่อให้อากาศร้อนที่ลอยตัวสูงขึ้นระบายออกมา จากบ้านได้ดี ท าให้มีอากาศเย็นจากภายนอกเคลื่อนเข้ามาแทนที่ 2. การสร้างบอลลูน การเป่าลมร้อนเข้าไปในบอลลูน ท าให้อากาศที่อยู่ภายในบอลลูนร้อนและลอย สูงขึ้น เมื่อมีปริมาณมากจะท าให้บอลลูนสามารถลอยตัวได้ 3. การสร้างตัวควบคุมอุณหภูมิ จากความรู้เกี่ยวกับขยายตัวของของแข็งได้น ามาใช้ในการสร้างตัวควบคุม อุณหภูมิ เพื่อใช้ในการท างานของเครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ เช่น เครื่องปรับอากาศ เตารีด ไฟฟ้า หม้อหุงข้าวไฟฟ้า เป็นต้น 4. การสร้างสะพานหรือรางรถไฟ การสร้างสะพานหรือรางรถไฟมักจะเว้นระยะห่างระหว่างรอยต่อของสะพานหรือ รางรถไฟเล็กน้อย เพื่อป้องกันการขยายตัวของเหล็กเมื่ออากาศร้อนจัด หรือเมื่อเกิดการ เสียดสีกับล้อรถจนท าให้เกิดความร้อน การดูดกลืนแสงและการคายความร้อน

เมื่อพลังงานความร้อนตกกระทบวัตถุต่าง ๆ วัตถุเหล่านั้นจะมีการดุดกลืนพลังงาน ความร้อนเอาไว้โดยวัตถุแต่ละชนิดจะมี ความสามารถในการดูดกลืนพลังงานความร้อน ได้ไม่เท่ากัน ซึ่งวัตถุสีด าหรือสีเข้มจะสามารถดูดกลืนพลังงานความร้อนได้มากกว่าวัตถุ สี ขาวหรือสีอ่อน งาน คือ ผลของแรงที่กระท าบนวัตถุ และท าให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรง ซึ่งเป็น ปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นนิวตันเมตร (N.m) หน่วยนี้มีชื่อใหม่ว่า จูล (Joule, J) ในกรณีแรง F ที่มากระท าเป็นแรงคงตัวและการกระจัด S ของวัตถุอยู่ในแนวเดียวกับ แรง ปริมาณงานที่แรง F กระท าจะมีค่าเท่ากับ ผลคูณระหว่างขนาดของแรงและขนาดของการกระจัด