งานและพลังงาน

งาน ( Work)

     งานเป็นปริมาณที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุเนื่องจากแรงกระทำ   ขนาดของงานของแรงใดมีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างขนาดของแรงนั้นกับระยะของการเคลื่อนที่ในช่วงพิจารณาซึ่งอยู่ในแนวแรง หรือ  W = FS

            โดย  W   มีหน่วยเป็นนิวตัน /เมตร  หรือจูล

                     F   มีหน่วยเป็น นิวตัน

                     S    มีหน่วยเป็น  เมตร

กำลัง ( Power)

     กำลัง คือ อัตราการทำงานหรืองานที่เกิดขึ้นในหนึ่งหน่วยเวลา    

           กำหนดให้         W   คือ งานที่ทำได้ มีหน่วยเป็นจูล (J)              

                                  t    คือ เวลาที่ใช้ในการทำงาน มีหน่วยเป็นวินาที (s)

                                      P   คือ กำลัง

           จากนิยามของกำลังเขียนเป็นสมการได้ว่า        P  =  w/t       

           หน่วยของกำลัง คือ J/s หรือ เรียกว่า Watt (วัตต์) “ W ”

พลังงาน (Energy)

      พลังงานเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของระบบที่บ่งถึงขีดความสามารถในการทำงานหรือความสามารถในการทำให้เปลี่ยนแปลงในทางใดทางหนึ่ง  พลังงานของวัตถุจึงวัดได้จากงานของวัตถุที่ทำได้ พลังงานมีหลายรูปแบบ เช่น พลังงานกล พลังงานเคมี พลังงานไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานแผ่รังสี พลังงานความร้อน เป็นต้น  ในบทนี้จะเป็นการศึกษาพลังงานในรูปแบบที่ง่าย ๆ ก่อนคือพลังงานกล จำแนกเป็น 2 ประเภทคือ พลังงานจลน์ และพลังงานศักย์

     พลังงานมีหน่วยวัดเป็น จูล(Joules) “ J ”

พลังงานจลน์ (Kinetic  Energy)

     พลังงานจลน์ คือพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุอันเนื่องจากอัตราเร็วของวัตถุขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของวัตถุ  ใช้สัญลักษณ์ (E_k)   หาพลังงานจลน์ได้จาก ปริมาณงานที่ทำได้ทั้งหมด ของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ไปทำงานอย่างหนึ่ง จนกระทั่งวัตถุหยุดนิ่ง   จากนิยามเขียนเป็นสมการได้ว่า        E_k  = 1/2  mv²

     หากมีแรง F กระทําต่อวัตถุ จนขนาดของความเร็วของวัตถุเปลี่ยนไป ทําให้พลังงานจลน์ของวัตถุเปลี่ยนไปจากเดิม พบว่างานที่แรงนั้นกระทําต่อวัตถุมีค่าเท่ากับพลังงานจลน์ของวัตถุที่เปลี่ยนไป

หรือ   W  =  E_k2  –  E_k1  เรียกคํากล่าวนี้ว่า หลักของงาน-พลังงานจลน์

 

พลังงานศักย์  (Potential   Energy)

    พลังงานศักย์ (E_p) คือ พลังงานที่ถูกเก็บสะสมไว้และพร้อมที่จะนำมาใช้  แบ่งออกเป็น  2  ประเภท คือ

        1. พลังงานศักย์โน้มถ่วง(Gravitational  Potential   Energy) คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุ เกิดจากแรงโน้มถ่วงและตำแหน่งของวัตถุตามระดับความสูง  เมื่อปล่อยวัตถุซึ่งอยู่สูงจากพื้น h เคลื่อนที่ตกลงมา พบว่าเกิดงานเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกต่อวัตถุ มีค่าเท่ากับ mgh แสดงว่าวัตถุที่อยู่สูงจากพื้น h มีพลังงาน เพราะว่าสามารถทำงานได้เรียกว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วง ซึ่งมีค่าเท่ากับ mgh นั่นเอง   

เขียนสมการได้ว่า     E_p   =   mgh

       2. พลังงานศักย์ยืดหยุ่น(Elastic  Potential) คือ พลังงานศักย์ของสปริงขณะที่ยืดออก หรือหดเข้าจากตำแหน่งสมดุล ถูกเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ “ E_p (elastic) ”

หาได้จากสมการ      E_p  = 1/2 kx²

      กฎการอนุรักษ์พลังงาน

           พลังงานรูปหนึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่น ๆ  ได้  พลังงานที่มาจากการเปลี่ยนรูปนี้จะมีค่าเท่ากับพลังงานเดิม ซึ่งเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน ( law  of  conservation  of  energy )

           ขณะที่โยนลูกบอลขึ้นจากพื้น  พลังงานเคมีในร่างกายบางส่วนจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ของลูกบอลจึงทำให้ลูกบอลเคลื่อนที่ได้เมื่อลูกบอลเคลื่อนที่สูงขึ้น  ความเร็วจะลดลง  นั่นคือพลังงานจลน์ของลูกบอลจะลดลงโดยเปลี่ยนไปเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วง  ณ  ตำแหน่งสูงสุด  ของการเคลื่อนที่  พลังงานจลน์ของลูกบอลเป็นศูนย์และพลังงานศักย์โน้มถ่วงมีค่าสูงสุด  ขณะที่ลูกบอลเคลื่อนที่ลง  พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์  และเมื่อลูกบอลกระทบพื้นพลังงานจลน์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนและเสีย  เรียกแรงที่กระทำแล้วพลังงานกลไม่เปลี่ยนนี้ว่า  “แรงอนุรักษ์”

      กฎการอนุรักษ์พลังงานกล

          ถ้าไม่มีแรงภายนอกมากระทำกับวัตถุ  (งานรวม=0) แล้วผลรวมของพลังงานที่สะสมภายในวัตถุจะคงที่ เนื่องจาก ผลรวมของพลังงานศักย์ และพลังงานจลน์ของวัตถุ เรียกว่าพลังงานกลของวัตถุซึ่งเป็นพลังงานที่สะสมภายในวัตถุ จะได้สมการงานและพลังงานดังนี้

∑E  =  E_k  +  E_p  =  คงที่

                                                 โดยที่           E_k  = 1/2 mv²

                                                  และ             E_p  =  mgh  + 1/2 kx²

รูปแสดงการกระทำให้เกิดงานทางวิทยาศาสตร์

หน่วยของงานในระบบเอสไอ คือ จูล (J) หรือนิวตัน-เมตร (N-m) โดยที่ 1 จูลของงานที่ทำเกิดจากการออกแรง 1 นิวตันกระทำต่อวัตถุให้วัตถุเคลื่อนที่ไปได้ 1 เมตร ตามทิศทางของแนวแรง

จากรูป งานขนาด 1 จูลที่ทำได้เมื่อยกกล่องหนัก 1 นิวตันขึ้นไปในแนวดิ่งเป็นระยะทางสูง 1 เมตร ซึ่งเราอาจใช้หน่วยของงานที่ใหญ่กว่าจูล เช่น กิโลจูล (kJ) เมกะจูล (MJ) เป็นต้น
เมื่อ

1 kJ = 1,000 J
1 MJ = 1,000,000 J

การคำนวณหางาน
ถ้าเราทราบขนาดของแรงที่กระทำต่อวัตถุ และระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปได้หลังจากถูกแรงกระทำแล้ว เราสามารถคำนวณหาปริมาณของงานได้จาก

งาน = แรง x ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ตามทิศทางของแนวแรง

ถ้ากำหนดให้ F = แรงที่กระทำให้วัตถุเคลื่อนที่
s = ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ตาม
ทิศทางของแนวแรง
W = งานที่ทำได้
นั่นคือ W = F3s

ตัวอย่างที่ 1 นงนุชยกกล่องที่มีน้ำหนัก 20 นิวตัน ขึ้นจากพื้นไปวางบนชั้นหนังสือที่สูงจากพื้น 1.3 เมตร จงหางานที่นงนุชทำได้
วิธีทำ F = 20 นิวตัน
s = 1.3 เมตร
จากสูตร W = F x s
W = 20 N x 1.3 m
= 26 J
ดังนั้น งานที่นงนุชทำได้มีค่าเท่ากับ 26 จูล ตอบ

ตัวอย่างที่ 2  ชายผู้หนึ่งดันตู้ที่มีน้ำหนัก 1,000 นิวตัน ให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า 0.5 เมตร จงคำนวณหางานที่ชายผู้นี้ทำได้
วิธีทำ จากสูตร งานที่ทำ = แรง x ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่
แทนค่าในสูตร งานที่ทำ = 1,000 N x 0.5 m
= 500 J
ดังนั้น งานที่ชายผู้นี้ทำได้มีค่าเท่ากับ 500 จูล ตอบ

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 คือพลังงานศักย์ยืดหยุ่น ซึ่งเป็นพลังงานที่สะสมในวัตถุที่มีการยืดหยุ่นได้ เช่น พลังงานที่สะสมในสปริง ในแถบยางหรือหนังสติก เป็นต้น พลังงานศักย์อีกชนิดหนึ่งเป็นพลังงานที่สะสมในวัตถุที่อยู่ในตำแหน่งสูงจาก พื้นโลกเรียกว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วง แต่ในระดับชั้นนี้เราจะกล่าวถึงเฉพาะพลังงานศักย์โน้มถ่วง

พลังงานศักย์โน้มถ่วง

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

m = มวลของวัตถุ (กิโลกรัม)
g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก ( = 9.8 เมตร/ วินาทีกำลังสอง2)
h = ความสูงของวัตถุจากพื้น (เมตร)
Ep = พลังงานศักย์โน้มถ่วง (จูล)

ตัวอย่างที่ 1 นักกีฬากระโดดน้ำมวล 50 กิโลกรัม กระโดดน้ำที่ตำแหน่งต่างๆ กัน จงคำนวณหาพลังงานศักย์ของนักกีฬาเมื่อ
1) ยืนที่พื้นขอบสระน้ำ
2) ยืนที่ระดับสูง 4 เมตรจากขอบสระน้ำ
3) ยืนที่ระดับสูง 6 เมตรจากขอบสระน้ำ

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

2) เมื่อลูกมะพร้าวมีมวล 1.0 กิโลกรัม

ตัวอย่างการใช้ประโยชน์ของพลังงานศักย์โน้มถ่วง เช่น การกักเก็บน้ำในอ่างเก็บน้ำเหนือเขื่อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ถ้ากักเก็บน้ำไว้ได้สูงมากก็จะมีพลังงานศักย์มาก การเพิ่มน้ำหนักของปั้นจั่นจะทำให้พลังงานศักย์เพิ่มขึ้น เป็นต้น

พลังงานจลน์  (kinetic energy)

เป็นพลังงานของวัตถุขณะที่วัตถุเคลื่อนที่
ปัจจัยที่มีผลต่อพลังงานจลน์ คือ
1. มวลของวัตถุ วัตถุที่มีค่าของมวลมากจะมีพลังงานจลน์มาก
2. ความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุ วัตถุที่เคลื่อนที่ ด้วยความเร็วสูงจะมีพลังงานจลน์มากด้วย
ถ้าเรากำหนดให้ Ek แทนพลังงานจลน์ สามารถเขียนความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์ของวัตถุกับมวลและความเร็วของ วัตถุได้ดังนี้

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

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

ตัวอย่างที่ 4 นักกีฬากระโดดน้ำมวล 50 กิโลกรัม กระโดดลงสู่ผิวน้ำด้วยความเร็ว 10 เมตรต่อวินาที จงหาพลังงานจลน์จากการเคลื่อนที่ของนักกีฬา
วิธีทำ

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

 

เมื่อวัตถุอยู่สูง พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะยิ่งมาก และเมื่อเคลื่อนที่ตกลงมาพลังงานศักย์จะลดลง และจะมีพลังงานจลน์มากขึ้น
รูปแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงาน

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
โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์จะใช้พลังงานนิวเคลียร์จากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในรูป ของพลังงานความร้อนในการผลิตกระแสไฟฟ้า

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

 

 

การถ่ายโอนพลังงานความร้อน

การถ่ายโอนพลังงานความร้อน เป็นการถ่ายเทพลังงานความร้อนระหว่างที่สองแห่งที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน วิธีการถ่ายโอนพลังงานความร้อนแบ่งได้เป็น 3 วิธี ดังนี้
1. การถ่ายโอนความร้อนโดยการนำความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยความร้อนจะเคลื่อนที่ไปตามเนื้อของวัตถุจาก ตำแหน่งที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่ตำแหน่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยที่วัตถุที่เป็นตัวกลางในการถ่ายโอนความร้อนไม่ได้เคลื่อนที่ เช่น การนำแผ่นอะลูมิเนียมมาเผาไฟ โมเลกุลของแผ่นอะลูมิเนียมที่อยู่ใกล้เปลวไฟจะร้อนก่อนโมเลกุลที่อยู่ไกลออก ไป เมื่อได้รับความร้อนจะสั่นมากขึ้นจึงชนกับโมเลกุลที่อยู่ติดกัน และทำให้โมเลกุลที่อยู่ติดกันสั่นต่อเนื่องกันไป ความร้อนจึงถูกถ่ายโอนไปโดยการสั่นของโมเลกุลของแผ่นอะลูมิเนียม
โลหะต่างๆ 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 การแผ่รังสีความร้อนจากเตาไฟ ไปยังอาหารที่ปิ้งย่างบนเตาไฟ เป็นต้น

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

การดูดกลืนความร้อนของวัตถุ
วัตถุทุกชนิดสามารถดูดกลืนพลังงานรังสี การดูดกลืนพลังงานรังสีของวัตถุเรียกว่า “การดูดกลืนความร้อน” จากการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์พบว่า วัตถุที่มีผิวนอกสีดำทึบหรือสีเข้ม จะดูดกลืนความร้อนได้ดี วัตถุที่มีผิวนอกสีขาวหรือสีอ่อนจะดูดกลืน ความร้อนได้ไม่ดี
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
ความรู้เรื่องการขยายตัวของวัตถุเมื่อได้รับความร้อนถูกนำไปใช้ประโยชน์ อย่างกว้างขวาง เช่น การเว้นรอยต่อของรางรถไฟ การเว้นช่องว่างของหัวสะพาน การประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ และการติดตั้งเทอร์มอสแตตไฟฟ้า เพื่อใช้ควบคุมระดับอุณหภูมิของเครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น

ขอขอบคุณ

อ้างอิง http://teenunigang.blogspot.com/2010/04/4.html

ข้อสอบเรื่อง งานเเละพลังงาน

1. นำเชือกเส้นเล็ก ๆ ผูกวัตถุมวล 5 กิโลกรัม แล้วหย่อนลงจากที่สูง 20 เมตร ด้วยความเร่งคงที่ 0.5 เมตรต่อวินาที  จงหางานของแรงตึงในเส้นเชือกเมื่อหย่อนวัตถุลงมาได้ระยะทาง 10 เมตร

เฉลย 

2 . วัตถุมวล 1 กิโลกรัม อยู่บนพื้นระดับลื่น เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 5 เมตร/วินาที  มีแรง 10 นิวตัน กระทำต่อวัตถุในทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ นาน 5 วินาที จะเกิดงานเท่าใด

เฉลย 

3. วัตถุหนัก 20 นิวตัน วางอยู่บนพื้นที่จุด A จุด B อยู่เหนือจุด  A และสูงจาก A เท่ากับ 4 เมตร  จุด C อยู่ในแนวระดับเดียวกันกับจุด B และห่างจาก B เป็นระยะ 3 เมตร จงหางานที่ทำในการยกวัตถุจาก A ไป B แล้วไป C

เฉลย