บทที่ 4
พลังงาน
1. งานและพลังงาน
________________________________________
1.1 ความหมายของงาน
ความหมายของงานที่เราจะได้เรียนต่อไปนี้ จะมีความหมายแตกต่างไปจากงานที่เราได้คุ้นเคย
ในการออกแรงอาจมีงานเกิดขึ้นหรือไม่เกิดเลยก็ได้ และยังพบอีกว่า ถ้าแนวของแรงมากระทำต่อวัตถุกับแนวของการกระจัดทำมุมต่างกันไป ก็จะส่งผลทำให้งานแตกต่างกันไปด้วย
งานเป็นปริมาณสเกลาร์ สามารถคำนวณหาได้จากผลคูณของแรงหรือองค์ประกอบของแรงกับขนาดของการกระจัดที่อยู่ในแนวเดียวกัน มีหน่วยเป็นจูล กรณีที่แรงตั้งฉากกับการกระจัดงานจะมีค่าเป็นศูนย์หรือไม่มีงานเกิดขึ้น เพราะไม่มีองค์ประกอบของแรงในทิศทางเดียวกับการกระจัด เมื่อหาค่าของงานตามนิยามค่าที่ได้จึงมีค่าเป็นศูนย์
ในการหาค่าของงาน เราจะเขียนสมการได้ดังนี้
W = Fs cos
เมื่อ w แทนงานที่เกิดขึ้นเนื่องจากแรง F
F แทนแรงที่ไปกระทำต่อวัตถุ
s แทนการกระจัดของวัตถุ

แทนมุมของแรงกับทิศของการกระจัด
1.2 พลังงานศักย์โน้มถ่วง
นักเรียนได้เรียนมาแล้วในหัวข้อที่ผ่านมา เรื่องการคำนวณหาค่างาน นักเรียรคิดว่างานที่ใช้ในการยกวัตถุขึ้นในแนวดิ่งจะเปลี่ยนตามระดับความสูงหรือไม่ ถ้าแรงที่ใช้ในการยกวัตถุขึ้นมีค่าคงที่และวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ให้นักเรียนศึกษาจากตารางข้างล่างนี้
แรงที่ใช้ยก (นิวตัน) ความสูงที่ยกวัตถุขึ้น (เมตร) งานที่เกิดขึ้น (จูล)
10 1 10
2 20
3 30
4 40
5 50
6 60
จากข้อมูลในตารางเราจะพบว่า ค่าของงานจะเปลี่ยนตามระดับความสูง กล่าวคือ ค่าของงานจะแปลผันกับความสูง แสดงความสัมพันธ์ได้ ดังนี้

w แทนงานที่เกิดขึ้น
h แทนความสูง
ถ้าวัตถุมีมวลต่างกัน แต่อยู่ในระดับความสูงเดียวกัน งานที่เกิดขึ้นก็จะแตกต่างกัน เช่น
มวลของวัตถุ (กิโลกรัม) งานที่เกิดขึ้น (จูล)
1
2
3
4
5 20
40
60
80
100
จากตารางสามารถแสดงความสัมพันธ์ได้ ดังนี้

เนื่องจากวัตถุถูกยกด้วยความเร็วคงที่ เรากล่าวว่า วัตถุสมดุลต่อการเลื่อนตำแหน่ง นั่นคือ แรงที่ใช้ยกวัตถุมีขนาดเท่ากับขนาดของวัตถุ จากนิยามของงานและขนาดของน้ำหนักแทนขนาดของแรงที่ใช้ยกวัตถุจะได้

w = งานที่เกิดขึ้น
mg • h = พลังงานศักย์โน้มถ่วง ( หมายถึง ผลคูณของน้ำหนักกับความสูงที่ตำแหน่งอ้างอิง
1.3 พลังงานจลน์
พลังงานจลน์ คือ พลังงานที่มีอยู่ในวัตถุขณะที่วัตถุมีการเคลื่อนที่พลังงานจลน์จะขึ้นอยู่กับขนาดของมวลของวัตถุ และความเร็วของวัตถุ เราสามารถนิยามในรูปของสมการเชิงคณิตศาสตร์ได้ดังนี้
Ex = 1/2mv2

เมื่อ Ex = พลังงานจลน์ของวัตถุ
m = มวลของวัตถุ
v = ขนาดของความเร็ว

1.4 กฎการอนุรักษ์พลังงาน
กิจกรรม
เรื่อง : กฏการอนุรักษ์พลังงาน
จุดประสงค์ เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์และพลังงานศักย์
อุปกรณ์
1. เชือก
2. ลูกตุ้ม
3. ขาตั้งสำหรับแขวนลูกตุ้ม
วิธีทำกิจกรรม
1. แขวนลูกตุ้มกับขาตั้ง
2. ดึงลูกตุ้มออกไปด้านข้างจนแนวเส้นเชือกทำมุมฉากกับแนวเชือกในแนวดิ่ง
3. ปล่อยลูกตุ้มจากตำแหน่ง แล้วสังเกตการเคลื่อนที่ของลูกตุ้ม
เมื่อสังเกตตำแหน่งของลูกตุ้มจะพบว่าตำแหน่งสูงสุดเกือบจะอยู่ที่ตำแหน่งเดิม นั่นหมายความว่า ลูกตุ้มมีพลังงานศักญ์มากที่สุด เกือบคงที่ที่พลังงานศักย์ไม่เท่าเดิมพอดี เนื่องมาจากพลังงานส่วนหนึ่งใช้ในการเอาชนะแรงต้านทานของอากาศ จึงเหลือพลังงานในการยกลูกตุ้มน้อยกว่าเดิม หากไม่มีแรงต้านทานของอากาศและไม่เปลี่ยนรูปพลังงานไปเป็นงานแล้วพลังงานศักย์จะมีค่าคงที่
เมื่อพิจารณาที่จุดสูงสุดพลังงานศักย์มีค่ามากสุด พลังงานจลน์มีค่าเป็นศูนย์ที่จุดต่ำสุด พลังงานจลน์มีค่ามากสุด พลังงานศักย์เป็นศูนย์ทำให้เราสามารถสรุปได้ว่า พลังงานศักย์สามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานจลน์ และในขณะเดียวกันพลังงานจลน์ก็สามารถเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานศักย์ได้
พลังงานศักย์ที่จุดสูงสุดมีค่าคงที่ และพลังงานศักย์เปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานจลน์ได้ แสดงว่า พลังงานจนล์ตรงตำแหน่งต่ำสุดก็ต้องมีค่าคงที่และเท่ากับพลังงานศักย์ที่จุดสูงสุด นอกจากนั้นถ้าเราสังเกตความเร็วของลูกตุ้มที่ตำแหน่งต่ำสุดจะพบว่า ค่อนข้างคงที่เท่ากับเป็นกายืนยันว่าพลังงานจลน์มีค่าคงที่ ส่วนตำแหน่งต่าง ๆ ที่อยู่ระหว่างจุดสูงสุดกับตำแหน่งต่ำสุดจะมีทั้งความเร็วและควาสูงที่วัดจากแกนอ้างอิง โดยคความเร็วน้อยกว่าที่จุดต่ำสุดและความสูงก็น้อยกว่าที่จุดสูงสุด ถ้าหาผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ ณ ตำแหน่งนั้นก็จะมีค่าคงที่ ซึ่งเท่ากับพลังงานศักย์ที่ตำแหน่งสูงสุด หรือเท่ากับพลังงานจลน์ที่ตำแหน่งต่ำสุด
จากการวิเคราำะห์ที่ผ่านมา อาจกล่าวได้ว่าพลังงานมีค่าคงที่และเรียกว่า กฏการอนุรักษ์พลังงาน
1.5 การนำพลังงานไปใช้
จากความรู้ที่ได้เรียนมา นักเรียนคิดว่า จะนำพลังงานไปใช้ในด้านใดได้บ้าง
การตกของน้ำตกสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ การที่น้ำตกสูงจากพื้นมาก ๆ ก็จะมีพลังงานศักย์มาก เมื่อตกลงมาก็จะมีพลังงานจลน์มาก สามารถนำไปหมุนกังหันของเครื่องกำเนิดไปฟฟ้าได้ ในทางปฏิบัติถ้าต้องการให้พลังงานศักย์มีค่ามาก ๆ ต้องสร้างเขื่อนกักน้ำให้ได้ในปริมาณมาก และระดับน้ำเหนือเขื่อนกับใต้เขื่อนแตกต่างกันมาก ทำให้พลังงานศักย์มีค่ามากเมื่อเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ก็จะมีค่ามาก ในการหมุนกังหันทำให้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้ในปริมาณมาก นำมาใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ ได้ อีกมากมาย
2. พลังงานความร้อน
________________________________________
ความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่นได้ และสามารถเปลียนรูปมาจากพลังงานรูปอื่น ๆ ได้เช่นเดียวกัน ในเนื้อหาหัวข้อนี้เราจะได้ศึกษาเรื่อง ผลของความร้อน เช่น ความร้อนกับอุณหภูมิ ความร้อนกับสถานะของวัตถุ และความร้อนกับการขยายตัวของวัตถุนอกจากนั้นยังมีเรื่องการถ่ายโอนพลังงานความร้อน การดูดกลืนความร้อน และการคายความร้อนรวมทั้งสมดุลความร้อน
2.1ความร้อนกับอุณหภูมิ
อุณหภูมิเป็นปริมาณที่บอกระดับความร้อนในวัตถุ เราใช้เทอร์โมมิเตอร์ในการวัดอุณฟภูมิ เทอร์โมมิเตอร์จะมีขนาด รูปร่างและลักษณะแตกต่างกันไปตามลักษณะการใช้งาน อุณหภูมิมีหน่วยเป็นเคลวิน(K)
เราเรียกความสามารถในการกักเก็บความร้อนของวัตถุว่า ความจุความร้อน และถ้าพิจารณาความจุความร้อนเทียบต่อหนึ่งหน่วยมวลจะเรียกว่า ความจุความร้อนจำเพาะ
เราสามารถหาความจุความร้อนจำเพาะได้จากสมการ
C = Q/mt

เมื่อ Q= พลังงานความร้อนมีหน่วยเป็นจูล
m = มวลของวัตถุ
t= อุณหภูมิของวัตถุที่เปลี่ยนไป
c = แทนความจุความร้อนจำเพาะ
2.2 ความร้อนกับสถานะของวัตถุ
สสารมี 3 สถานะคือ ของแข็งของเหลว และก๊าซ สารบางอย่างจะมีทั้งหมดได้ 3 สถานะ คือน้ำ นักเรียนคิดว่าความร้อนมีผลต่อสถานะของวัตถุหรือไม่
น้ำแข็งเมื่อได้รับความร้อนจะหลอมเหลวจนหมดเปลี่ยนสถานะจากของแข็.กลายเป็นของเหลว เมื่อน้ำได้รับความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 100 ํC จะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอ เราสามารถแสดงได้ด้วยกราฟ ดังนี้
ขณะที่วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะ อุณหภูมิของวัตถุจะมีค่าคงที่ แม้เราจะให้ความร้อนอย่างต่อเนื่องกับวัตถุ ที่เป็นเช่นนี้เพราะความร้อนถูกนำไปใช้ในการเปลี่ยนสถานะของวัตถุ เราเรียกความร้อนที่ใช้ในการเปลี่นรสถานะว่า ความร้อนแฝง หากเราพิจารณาความร้อนแฝงเทียบหนึ่งหน่วยมวล จะเรียกชื่อใหม่นี้ว่า ความร้อนแฝงจำเพาะ ใช้สัญลักษณะ L
2.3 ความร้อนกับการขยายตัวของวัตถุ
การขยายตัวของวัตถุ หมายถึง การเปลี่ยนแปลงขนาดของวัตถุในทางเพิ่มมากขึ้น เช่น มีพื้นที่ใหญ่ขึ้นหรือปริมาตรใหญ่ขึ้น

สมมุตว่าเรานำใข่ที่ต้มสุกพร้อมทั้งแกะเปลือกแล้วไปวางในวงลวดที่มีขนาดโตกว่าใข่ที่ต้มสุกเพียงเล็กน้อย จะพบว่า ไข่ไม่สามารถลอดผ่านวงลวดได้ นั่นแสดงว่าเมื่อไข่ได้รับความร้อน ไขจะ่มีขนาดใหญ่กว่าเดิม ซึ่งสอดคล้องกับแนวทฤษฎี โดยเมื่อวางวัตถุได้รับความร้อนจะทำให้อนุภาคหรือโมเลกุลเกิดการสั่นแรงขึ้นทำให้โมเลกุลข้างเคียงถูกผลักให้ห่างจากกัน แต่เนื่องจากวัตถุต่าง ๆ มีโมเลกุลจำนวนมาก การสั่นและผลักโมเลกุลจึงเกิดกับทุก ๆ ส่วนของวัตถุ จึงทำให้วัตถุเกิดการขยายตัว
การนำความรู้เรื่องการขยายตัวของวัตถุเมื่อได้รับความร้อนไปใช้ประโยชน์นั้นมีอย่างหลากหลาย ตัวอย่างหนึ่งที่เห็นได้ชัดเจน เช่น กรณี รางรถไฟ รางจะต่อเรียงกันไปตามยาว โดยแท่งเหล็หที่ใช้ทำรางจะไม่ต่อจนปลายแท่งเหล็กชิดกัน เพื่อป้องกันการดันกันของปลายรางที่เกิดการขยายตัวตามยาว ทำให้เกิดการโค้งงอของรางรถไฟ ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้รถไฟตกรางได้
2.4 การถ่ายโอนพลังงานความร้อน
วัตถุที่มีอุณหภูมิต่างกัน วัตถุหนึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าวัตถุหนึ่งจะทำให้เกิดการถ่ายพลังงานความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูทิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า การถ่ายเทพลังงานความร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งนี้เรียกว่า การถ่ายโอนพลังงานความร้อน นักเรียนคิดว่า การถ่ายโอนพลังงานความร้อนจะเกิดขึ้นได้ด้วยวิธีใดบ้าง
เมื่อนำเส้นลวดเส้นหนึ่งมาลนไฟ แล้วใช้มือจับปลายเส้นลวดให้ห่างจากเปลวไฟประมาณ 10 เซนติเมตร เราจะรู้สึกร้อนและเมื่อเวลาผ่านไปนาน ๆ จะรู้สึกร้อนขึ้นเรื่อย ๆ ทั้งๆที่บริเวณดังกล่าวจะไม่รู้สึกร้อนถ้าไม่มีเส้นลวด แสดงว่าความร้อนเคลื่อนที่ผ่านเส้นลวดมาถึงมือเรา ตามทฤษฎีแล้วสามารถอธิบายได้ว่า โมเลกุลของเส้นลวด เมื่อได้รับความร้อนก็จะมีพลังงานจลน์มากขึ้น เกิดการสั่นแรงขึ้น ทำให้เกิดการชน เกิดการขัดสีดกับโมเลกุลข้างเคียง ทำให้โมเลกุลข้างเคียงมีอุณหภูมิสูงขึ้น มีพลังงานจลน์มากขึ้น เกิดการสั่นแรงขึ้นและเกิดการขัดสีกับโมเลกุลที่อยู่ถัดไปเช่นนี้เรื่อยๆ จนความร้อนถูกส่งมาถึงมือเรา
เราสามารถกล่าวได้อีกว่าความร้อนสามารถส่งผ่านเส้นลวดได้ เส้นลวดเป็นเสมือนทางที่นำความร้อนมาสู่มือเรา และสรุปได้ว่า "ความร้อนสามรถถ่ายโอนได้ด้วยวิธีการนำความร้อน" ซึ่งกรณีการนำความร้อนนี้ต้องอาศัยตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงานความร้อน
ในการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจะมี 3 แบบด้วยกัน คือ การนำความร้อน การพาความร้อน และ การแผ่รังสีความร้อน โดยการนำความร้อนและพาความร้อนต้องอาศัยตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงานความร้อน ส่วนในการแผ่รังสีความร้อนไม่ต้องใช้ตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงานความร้อน
2.5 การดูดกลืนและคายความร้อน
ความร้อนที่ถ่ายโอนพลังงานที่มาถึงวัตถุแล้ว วัตถุต่างๆ จะรับความร้อนหรือดูดกลืนความร้อนไว้ในวัตถุได้ เช่น ถ้าเราทาแอลกอฮอล์บริเวณผิวหนังเราจะรู้สึกเย็น อันเนื่องมาจากแอลกอฮอล์ดูดความร้อนจากผิวหนัง อีกกรณีหนึ่งได้แก่ การนำสำลีที่จุมแอลกอฮอล์แล้วนำไปพันรอบเทอร์มอมิเตอร์ อุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์จะลดลง เพราะว่าแอลกอฮอล์ดูดความร้อนจากเทอร์โมมิเตอร์ นั่นคือวัตถุสามารถดูดกลืนความร้อนได้ ถ้าเราศึกษารายละเอียดจะพบว่า ความร้อนที่หายไปนั้นแอลกอฮอล์ดูดกลืนเพื่อนำไปใช้ในการเปลี่ยนสถานะของแอลกอฮอล์
2.6 สมดุลความร้อน
เราทราบว่า ถ้าอุณหภูมิของวัตถุ 2 ชนิดแตกต่างกันจะเกิดการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตุที่มีอุณหภูมิต่ำหมายความว่า การถ่ายโอนพลังงานความร้อนจะไม่เกิดขึ้นถ้าวัตถุมีอุณหภูมิเท่ากัน
ถ้าวัตถุ 2 ชนิดที่มีอุณหภูมิตอนเริ่มต้นแตกต่างกัน เมื่อนำมาวางในที่เดียวกัน ในช่วงระยะเวลาหนึ่งอุณหภูมิทั้งสองแหล่งจะเท่ากัน หรือกล่าวว่าวัตถุจะหยุดถ่ายโอนพลังงานความร้อนให้กันและกัน เราเรียกสภาวะนี้ว่า สมดุลความร้อน




แบบทดสอบหลังเรียน ประจำบทที่ 4
1.งานหมายถึงอะไร
1.ผลคูณของแรงกับขนาดของการกระจัดของวัตถุ
2.ผลคูณของอัตราความเร่งกับการกระจัด
3.ผลคูณของแรงกับความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง
4.อัตราส่วนของขนาดของแรงกับระยะกระจัดของวัตถุ
2.การออกแรง 10 นิวตันผลักวัตถุให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสม่ำเสมอในระยะทาง 3 เมตร งานที่เกิดเป็นกี่จูล
1. 10 2. 30
3. 50 4. 70
ใช้ตารางต่อไปนี้ตอบคำถามข้อ 3-4
แรงที่ใช้ยกวัตถุ คงที่
(นิวตัน) ความสูงที่ยกวัตถุขึ้น(เมตร) งานที่เกิดขึ้น(จูล)
10 1 10
2 20
3 30
4 40
5 50
3.การยกวัตถุขึ้นสูง 5 เมตร งานที่เกิดขึ้นเป็นเท่าใด
1. 10 2. 30
3. 50 4. 70
4.การออกแรงยกวัตถุ 10 นิวตัน ได้งาน 20 จูล แสดงว่าความสูงที่ยกวัตถุขึ้นได้เป็นกี่เมตร
1. 1 2. 2
3. 3 4. 4
5.ถ้าออกแรงยกวัตถุหนัก 25 นิวตัน ขึ้นจากพิ้นสูง 7 เมตร จะได้งานเท่าใด
1. 145 2. 155
3. 165 4. 175


6. การที่น้ำที่มีปริมาตรมากสามารถกักเก็บความร้อนเอาไว้ได้มากว่าน้ำที่มีปริมาตรน้อย โดยให้ความร้อนที่อุณหภูมิเท่ากัน ความสามารถดังกล่าว เรียกว่าอะไร
1.ความจุความร้อนจำเพาะ 2.ความร้อนแฝงจำเพาะ
3.การถ่ายโอนพลังงานความร้อน 4.การดูดกลืนความร้อนจำเพาะ
7. การที่เรานำไข่ก่อนต้มไปวางบนขดลวดไข่จะลอดขดลวดมาได้ แต่เมื่อเรานำไข่ไปต้มให้สุกแล้ว นำไปวางบนขดลวด ไข่จะไม่สามารถลอดผ่านขดลวดได้ เนื่องจากไข่เกิดการขยายตัวใหญ่กว่าเดิม นักเรียนคิดว่าอะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้ไข่เกิดการขยายตัว
1. ความร้อน 2. ความหนาแน่น
3. ความดัน 4. สรุปไม่ได้
8.วัตถุ a มีอุณหภูมิสูงกว่าวัตถุ b การถ่ายเทความร้อนไปยังวัตถุจะเป็นอย่างไร
1. วัตถุ a จะถ่ายเทพลังงานความร้อนไปยังวัตถุ b
2. วัตถุ b จะถ่ายเทพลังงานความร้อนไปยังวัตถุ a
3. วัตถุ a และ b ต่างก็ถ่ายโอนพลังงานความร้อนแก่กันและกัน
4. ไม่มีข้อใดถูก
9.การที่วัตถุ a มีการถ่ายโอนพลังงานความร้อนไปยังวัตถุ b เป็นเพราะอะไร
1. เพราะมีความดันมากกว่าจึงสามารถถ่ายเทความร้อนไปยังวัตถุ b ได้
2. เพราะมีความอุณหภูมิมากกว่าจึงสามารถถ่ายเทความร้อนไปยังวัตถุ b ได้
3. เพราะมีความหนาแน่นมากกว่าจึงสามารถถ่ายเทความร้อนไปยังวัตถุ b ได้
4. อธิบายไม่ได้
10 การถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิมากไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เราเรียกว่าอะไร
1. การดูดความร้อน 2. การคายความร้อน
3. การถ่ายโอนพลังงานความร้อน 4. การสืบทอดความร้อน