บทที่ 8 พลังงาน

พลังงานเป็นมโนทัศน์หลักทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมด ปัจจุบันพบว่าพลังงานแทรกอยู่ในทุกสาขาของวิทยาศาสตร์ ในเกือบทุกแง่มุมของสังคมมนุษย์ที่เราคุ้นเคยกัน  พลังงานมาสู่เราจากแสงอาทิตย์ อยู่ในอาหารที่เรากินให้ชีวิตดำรงอยู่ได้ เป็นมโนทัศน์ที่เราคุ้นเคยมากที่สุดแต่อาจกำหนดยากมากอย่างหนึ่ง บุคคล สถานที่และสิ่งของต่างๆ มีพลังงาน เราสังเกตพลังงานเฉพาะเมื่อมีบางอย่างเกิดขึ้น เฉพาะเมื่อพลังงานถูกเปลี่ยนรูปส่งผ่านไป เริ่มต้นศึกษาพลังงานโดยสังเกตมโนทัศน์ที่สัมพันธ์กัน : งาน

8.1 งาน(work)
ทราบกันแล้วว่าการเปลี่ยนการเคลื่อนที่ของวัตถุเกี่ยวข้องกับทั้งแรงและช่วงเวลาที่ออกแรงนั้น โดยการดล(impulse)วัดโดยผลคูณของแรงกับเวลา ความยาวนานไม่จำเป็นต้องเป็นเวลาเสมอไป เป็นระยะทางได้เช่นกัน โดยพิจารณาผลคูณระหว่างแรงกับระยะทาง ซึ่งเรียกว่างาน (work)  เราทำงานเมื่อยกสิ่งของวัตถุ ต้านกับแรงโน้มถ่วงของโลก ยิ่งยกวัตถุที่หนักก็ยิ่งทำงานมาก มีองค์ประกอบสองอย่างที่เข้ามาเกี่ยวข้องเมื่อทำงานแล้วเสร็จ (1) แรงที่ทำ (2) การเคลื่อนไหวบางอย่างโดยแรงนั้น พิจารณาการเคลื่อนที่ด้วยแรงคงที่และการเคลื่อนที่ไปตามแนวเส้นตรงตามทิศทางของแรง  แล้วงานเกิดขึ้นกับวัตถุที่ให้แรง คือผลคูณระหว่าง แรง กับ ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ เขียนสั้นๆได้คือ
                           งาน =  แรง x ระยะทาง
                              W =  F x d
     หน่วยที่ใช้วัดงานเป็นหน่วยของแรงคูณกับหน่วยระยะทาง ได้แก่ นิวตัน.เมตร หรือ จูล(๋Joule) ย่อตัวJ หน่วยที่ใหญ่ขึ้น กิโลจูล(kJ) เมกกะจูล(MJ)เป็นต้น

      ยกขวดน้ำหนึ่งขวดขึ้นไปได้ 1 ชั้น  และถ้าถือขวดน้ำ 2 ขวด ไปได้ 1 ชั้น เท่ากับทำงาน 2 เท่า เช่นเดียวกัน ถ้าถือขวดน้ำหนึ่งขวดขึ้นไป 2 ชั้นก็เท่ากับทำงานถือขดน้ำ 2 ขวดไปสูง 1 ชั้น ที่เป็นเช่นนี้เพราะงานขึ้นอยู่กับแรงและระยะทางที่ออกแรง
      นักยกน้ำหนักที่ยกบาร์เบลไว้เหนือหัวไม่เคลื่อนไปไหนก็ไม่เกิดงานใด ถ้าถ้ายกบาร์เบลจากพื้นขึ้นไปอยู่นำแหน่งเหนือหัวก็เกิดการทำงาน
     งานแบ่งออกได้เป็น 2 แบบ แบบเแรกทำงานเพื่อให้เปลี่ยนอัตราเร็ว  เช่นรถยนต์เร่งให้มีอัตราเร็วมากขึ้น หรือลดความเร็วของรถลง อีกประเภทหนึ่งทำงานต้านกับแรงอื่น เช่นการง้างคันธนู การยืดยาง

8.2 กำลังงาน (power)
     นิยามความหมายของงานไม่ได้กล่าวถึงว่าทำงานเป็นระยะเวลานานเท่าใด ดังนั้นไม่ว่าจะถือของขึ้นไปชั้นบนไม่ว่าจะเดินถือขึ้นช้า หรือเร็ว หรือแม้แต่วิ่งขึ้นไป ก็ทำงานเท่ากัน  แต่ถ้าวิ่งขึ้นด้วยเวลา10 วินาที เหนื่อยกว่าการเดินขึ้นด้วยเวลา 1 นาทีแน่นอน ทำไม เพื่อให้เข้าใจถึงเรื่องนี้ จะต้องพิจารณาถึงว่าเราทำงานได้เสร็จเร็วเท่าใด นั่นคือ กำลังงาน (power) กำลังงานคืออัตราการทำงานเสร็จ  เท่ากับงานที่ทำหารด้วยเวลาที่ทำงานเสร็จ
                         กำลังงาน  =   งานที่ทำ/เวลาที่ทำ

หน่วยที่ใช้วัดกำลังเป็นหน่วยของงานหารด้วยหน่วยของเวลา  คือ  (นิวตัน.เมตร)/วินาที่  หรือ จูล/วินาที หรือเรียกอีกอย่างว่า วัตต์ (watt) กำลัง 1 watt เท่ากับทำงานหรือใช้งานไป 1 จูลในเวลา 1 วินาที  1 กิโลวัตต์(kW) เท่ากับ 1000 วัตต์  1 เมกกะวัตต์(MW) เท่ากับ 1 ล้านวัตต์   หน่วยวัดกำลังเครื่องยนต์นิยมใช้วัดกันเป็นกำลังม้า โดยที่ 1 กำลังม้า เท่ากับ 0.75 กิโลวัตต์

8.3 พลังงานกล(mechanical energy)
      เมือ่ง้างคันธนูที่มีลูกธนูอยู่ มีบางสิ่งที่สามารถทำงานให้ลูกธนูเคลื่อนออกไป  เมื่อไขลานนาฬิกามีบางสิ่งที่ทำให้นาฬิกาเดินต่อไปได้ ยกแท่งน้ำหนักขึ้นไปสำหรับตอกเสาเข็ม มีบางสิ่งที่สามารถทำให้แท่งน้ำหนักตกลงมาทำงานได้  ในแต่ละกรณี บางสิ่งที่สามารถทำงานได้นั้นเรียกว่าพลังงานนั่นเอง เช่นเดียวกับ งาน พลังงานมีหน่วยวัดเหมือนกับงาน คือจูล  พลังงานสามารถมีได้หลายรูปแบบ ที่จะกล่าวถึงต่อไปคือพลังงานกล (mechanical energy) เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับตำแหน่ง และการเคลื่อนที่ของวัตถุ อาจกล่าวได้ว่าเป็นพลังงานที่พยายามทำให้วัตถุเคลื่อนที่ หรือเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ ประกอบด้่วยพลังงานศักย์(potential energy)และพลังงานจลน์ (kinetic energy)

     8.4 พลังงานศักย์
           วัตถุอาจเก็บพลังงานไว้ตามความสามารถที่ตำแหน่งนั้นๆ หรือพลังงานที่เก็บไว้ในวัตถุที่พร้อมที่จะแสดงออกมาเรียกว่าพลังงานศักย์ ที่ให้ชื่อเช่นนี้เพราะมีความสามารถหรืออยู่ในภาวะที่มีศักยภาพที่จะทำงานได้ ดังเช่นคันธนูที่ง้างไว้ ยางที่ยืดไว้ และพลังงานที่เป็นศักยภาพตามตำแหน่งของวัตถุ สารที่สามารถทำงานได้ผ่านทางปฏิกริยาเคมี เช่นอาหารที่เรารับประทาน ซากดึกดำบรรพหรือฟอสซิลที่ให้เป็นเชื้อเพลิงได้  งานที่ต้องทำในการยกวัตถุขึ้นไปที่ระดับต่างๆ ต้านกับแรงโน้มถ่วง เรียกว่าพลังงานศักย์เนื่องจากความโน้มถ่วง
งานที่ทำเท่ากับแรงที่ใช้ในการเคลื่อนวัตถุคูณกับระยะทางในแนวตั้ง  จาก งาน W = F.d
แรงที่ยกขึ้นเท่ากับแรงน้ำหนัก mg ของวัตถุดังนั้นงานที่ทำให้การยกวัตถุขึ้นไปสูง h เป็น mgh
นั่นคือพลังงานศักย์เนื่องจากความโน้มถ่วง เท่ากับ น้ำหนักคูณความสูง
                 PE  = mgh
  8.5 พลังงานจลน์
       เราสามารถทำให้วัตถุเคลื่อนที่ วัตถุก็มีความสามารถจากการเคลื่อนที่ เป็นความสามารถที่จะทำงาน เป็นพลังงานจากการเคลื่อนที่ ที่เรียกว่าพลังงานจลน์  พลังงานจลน์ขึ้นอยู่กับมวล และอัตราเร็ว โดยที่พลังงานจลน์หาได้จาก KE = 1/2 x มวล x อัตราเร็ว    หรือ เขียนได้เป็น

                                      KE = 1/2.m.v^2

8.6 การคงตัวของพลังงาน
      สิ่งสำคัญมากกว่าการกล่าวว่าพลังงานคืออะไร ได้แก่การเข้าใจว่าพลังงานมีพฤติกรรมอย่างไร .ส่งผ่านแปลงรูปอย่างไร เราสามารถที่จะเข้าใจได้เกือบทุกกระบวนการ หรือเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในธรรมชาติได้ดีกว่าถ้าเราวิเคราะห์ในเทอมของการส่งผ่านพลังงานจากพลังงานรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่ง
วิเคราะหารยิงลูกหินด้วยหนังสติก ต้องออกแรงยืดยางของหนังสติกก่อนให้มีพลังงานศักย์ยืดหยุ่น แล้วปล่อยให้ลูกหินเคลื่อนที่มีพลังงานจลน์ด้วยพลังงานศักย์จากยางยืดหนังสติก เมื่อลูกหินไปกระทบเป้าที่ต้องการ แรงที่ไปกระแทกเป้าไม่ได้ตรงกับพลังงานจลน์ที่ลูกหินมี ถ้าศึกษาในรายละเอียดลูกหินและเป้าที่ถูกชนจะมีความร้อนเกิดขึ้น เป็นการส่งผ่านพลังงานที่ไม่มีการสูญหายหรือได้รับเพิ่มลัพธ์เข้ามา การศึกษาเรื่องพลังงานรูปแบบต่างๆ และการส่งผ่านแปลงรูปทำให้ได้ข้อสรุปทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า กฏการคงตัวของพลังงาน

8.7 เครื่้องกล

8.8 ประสิทธิภาพ
   


8.9 พลังงานเพื่อชีวิต
     ทุกเซลล์ที่มีชีวิตในสิ่งมีชีวิตเป็นเหมือนเครื่องจักรที่มีชีวิต เหมือนกับเครื่องจักรกลใดๆ ที่จำต้องสร้างพลังงาน สิ่งมีชีวิตทั้งหมดในโลกใบนี้ได้รับอาหารจากสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่ปลดปล่อยให้พลังงานเมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจน  คล้ายคลึงกับเชื้อเพลิงปิโตรเลียมที่ได้อภิปรายมาแล้ว มีพลังงานที่เก็บไว้ในโมเลกุลในสถานะเชื้อเพลิงมากกว่าที่การปฏิกิริยาผลิตพลังงานหลังจากการสันดาปเผาผลาญ  ความแตกต่างพลังงานดังกล่าวคือส่วนที่ธำรงชีวิต
     หลักการในการสันดาปในกระบวนการย่อยอาหารในร่างกาย และการสันดาปเชื้อเพลิงฟอสซิลในเครื่องจักรกลนั้นเหมือนกัน  ข้อแตกต่างหลักคืออัตราซึ่งปฏิกิริยาเกิดขึ้น ในการย่อยอาหาร ในอัตราการย่อยอาหารจะช้ากว่ามาก และพลังงานปลดปล่อยออกมาตามที่ต้องการของร่างกาย  คล้ายกับการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิล(ซากดึกดำบรรพ) ทันที่ที่เริ่มการเผาผลาญจะคงอยู่ได้ด้วยตัวเอง คาร์บอนจะรวมกับออกซิเจนเกิดเป็นคาร์บอนไอออกไซด์
    การทำให้เกิดการย้อนกลับเป็นเรื่องที่ยุ่งยาก เฉพาะพืชสีเขียว และสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่สามารถสร้างคาร์บอนไดออกไซด์รวมกับน้ำแล้วก่อให้เกิดสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเช่นน้ำตาล กระบวนการนี้คือการสังเคราะห์แสง ที่ต้องการพลังงานนำเข้าเป็นอินพุต ปกติแล้วได้มาจากแสงอาทิตย์ น้ำตาลเป็นอาหารในรูปที่ง่ายที่สุด  ชนิดอื่นๆ ทั้งหมด คาร์โบไฮเดรด โปรตีน และไขมัน ก็เป็นสารประกอบสังเคราะห์ของคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน เป็นเรื่องที่โชคดีเป็นอย่างยิ่งที่พืชสีเขียวสามารถใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์ในการสร้างอาหารให้พลังงานเรา และสิ่งมีชีวิตอื่นที่กินอาหาร เพราะเหตุนี้จึงมีชีวิต