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)
พลังงานมีทั้งหมด 6 ประเภท ได้แก่
- พลังงานเคมี คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในสารต่างๆ โดยอยู่ในพันธะระหว่างอะตอมในโมเลกุล เมื่อพันธะแตกสลาย พลังงานสะสมจะถูกปล่อยออกมาในรูปของความร้อนและแสงสว่าง เช่น พลังงานที่ถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ พลังงานในถังน้ำมัน ที่เมื่อไม้ลุกไหม้แล้วจะให้คาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ รวมถึงผลิตของเสียอื่นๆ
- พลังงานความร้อน ซึ่งเกิดมาจากหลายแหล่ง เช่น จากดวงอาทิตย์, พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานน้ำในหม้อต้มน้ำ พลังงานเปลวไฟ ผลของความร้อนทำให้สารเกิดการเปลี่ยนแปลง เช่น อุณหภูมิสูงขึ้น หรือมีการเปลี่ยนสถานะไป โดยหน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน คือ แคลอรี่ โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า แคลอรี่มิเตอร์
- พลังงานกล เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่โดยตรง ซึ่งแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่
- พลังงานศักย์ (Potential Energy : Ep) คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุหรือสสารที่หยุดนิ่งอยู่กับที่ โดยพลังงานศักย์สามารถจำแนกออกเป็น 2 ประเภท คือ
- พลังงานศักย์โน้มถ่วง (Gravitational Potential Energy) ซึ่งเป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุ เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก เช่น พลังงานของน้ำในเขื่อน คำนวณได้จากสูตร
Ep = mgh
โดย Ep คือ พลังงานศักย์โน้มถ่วง มีหน่วยเป็น นิวตันเมตร หรือ จูล (J)
m คือ มวล มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg)
g คือ ความเร่งจากแรงโน้มถ่วงโลก มีค่าราว 9.8 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง (m/s2)
h คือ ระยะความสูงของวัตถุ มีหน่วยเป็น เมตร (m) - พลังงานศักย์ยืดหยุ่น (Elastic Potential Energy) เป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุที่มีความหยืดหยุ่น ซึ่งสะสมอยู่ในรูปของการหดตัว บิดเบี้ยว หรือโค้งงอ จากการได้รับแรงกระทำ ก่อนมีแรงดึงตัวกลับเพื่อคืนสู่สภาพเดิม เช่น สปริง ขดลวด
- พลังงานศักย์โน้มถ่วง (Gravitational Potential Energy) ซึ่งเป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุ เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก เช่น พลังงานของน้ำในเขื่อน คำนวณได้จากสูตร
- พลังงานจลน์ (Kinetic Energy : Ek) คือ พลังงานที่เกิดขึ้นในขณะที่วัตถุกำลังเคลื่อนที่ เช่น การไหลของกระแสน้ำ การบินของนก และการเคลื่อนที่ของรถยนต์ ซึ่งพลังงานจลน์สามารถคำนวณได้จาก
Ek = ½ mv2
เมื่อ Ek คือ พลังงานจลน์ มีหน่วยเป็น นิวตันเมตร หรือ จูล (J)
m คือ มวล มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg)
v คือ ความเร็ว มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที (m/s)
- พลังงานศักย์ (Potential Energy : Ep) คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุหรือสสารที่หยุดนิ่งอยู่กับที่ โดยพลังงานศักย์สามารถจำแนกออกเป็น 2 ประเภท คือ
- พลังงานจากการแผ่รังสี เป็นพลังงานที่มาในรูปของคลื่น เช่น แสง ความร้อน คลื่นวิทยุ อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ เป็นต้น ซึ่งสิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องอาศัยพลังงานรูปนี้ ในกระบวนการที่สำคัญต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น การมองเห็นภาพ การสังเคราะห์ด้วยแสง การขยายพันธุ์ และอื่น ๆ
- พลังงานไฟฟ้า เป็นพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหรือประจุไฟฟ้าในช่วงเวลา หนึ่ง โดยผ่านเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า เช่น ไดนาโม เซลล์สุริยะ เป็นต้น
- พลังงานนิวเคลียร์ เป็นพลังงานที่ถูกปล่อยออกมาในรูปของสารกัมมันตรังสีซึ่งมีอยู่ตามธรรมชาติ หรือสารกัมมันตรังสีในระเบิดนิวเคลียร์ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์จะใช้พลังงานนิวเคลียร์จากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในรูปของพลังงานความร้อนในการผลิตกระแสไฟฟ้า
กฎการอนุรักษ์พลังงานกล
ถ้าไม่มีแรงภายนอกมากระทำกับวัตถุ (งานรวม=0) แล้วผลรวมของพลังงานที่สะสมภายในวัตถุจะคงที่ เนื่องจาก ผลรวมของพลังงานศักย์ และพลังงานจลน์ของวัตถุ เรียกว่าพลังงานกลของวัตถุซึ่งเป็นพลังงานที่สะสมภายในวัตถุ จะได้สมการงานและพลังงานดังนี้
∑E = Ek + Ep = คงที่
โดยที่ Ek = 1/2 mv2
และ Ep = mgh + 1/2 kx2
