วิทยาศาสตร์ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 : งานและพลังงาน


ระดับชั้น : ม.1





งาน (work)

งานจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีแรงกระทำให้วัตถุเกิดการเคลื่อนที่ไปตามแนวแรงที่กระทำ ผลของแรงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่อวัตถุที่ถูกกระทำ เช่น วัตถุที่อยู่นิ่งเกิดการเคลื่อนที่ หรือวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่อยู่จะมีความเร็วเพิ่มขึ้นหรือลดลง หรือเปลี่ยนทิศทาง หรือกลับมาหยุดนิ่ง นอกจากนี้ แรงอาจทำให้วัตถุเปลี่ยนรูปร่างได้

การออกแรงกระทำจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุ ถ้าวัตถุมีมวลมากก็ต้องออกแรงกระทำมาก และถ้าออกแรงจนทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปได้เป็นระยะทางไกลๆ จะเกิดงานมากขึ้นด้วย

งาน เป็นปริมาณที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุเนื่องจากแรงกระทำ ขนาดของงาน ขนาดของงานของแรงใดมีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างขนาดของแรงนั้นกับระยะของการเคลื่อนที่ในช่วงพิจารณาซึ่งอยู่ในแนวแรง หรือ W = Fs



    งาน 1 จูล หมายถึง ปริมาณงานที่เกิดขึ้นจากการใช้แรง 1 นิวตัน กระทำต่อวัตถุ ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปได้ระยะทาง 1 เมตร

    งานจะมีค่าเป็นศูนย์หรือไม่เกิดงาน ก็ต่อเมื่อ

    • ระยะทางมีค่าเป็นศูนย์


    • แรงกระทำต่อวัตถุมีค่าเป็นศูนย์


    • แนวแรงตั้งฉากกับระยะทาง


    การคำนวณเกี่ยวกับงาน

    ค่าของงานที่เกิดขึ้นสามารถคำนวณได้ ดังนี้


      งาน = แรงที่กระทำ x ระยะทางตามแนวแรงที่กระทำ


    ในการคำนวณหางานจะต้องคำนึงถึงหน่วยของงาน โดยระบุหน่วยที่ใช้ในการคำนวณหางานดังนี้

      งาน มีหน่วยเป็น นิวตัน - เมตร หรือ จูล

      แรง มีหน่วยเป็น นิวตัน

      ระยะทาง มีหน่วยเป็น เมตร

      หน่วยของงาน = หน่วยของแรง x หน่วยของระยะทาง

      งาน (นิวตัน-เมตร) = แรง (นิวตัน) x ระยะทางในแนวที่แรงกระทำ (เมตร)

      กำหนดให้ 1 กิโลกรัม เท่ากับ 9.8 นิวตัน

พลังงาน (energy)

พลังงานมีส่วนเกี่ยวข้องในชีวิตประจำวันเป็นอย่างมาก ซึ่งพลังงานมีหลายรูปแบบ เช่น พลังงานความร้อน พลังงานแสง พลังงานเสียง พลังงานไฟฟ้า ฯลฯ พลังงานในรูปต่างๆ เหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงรูปพลังงานจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้

    รูปแบบของพลังงาน

    นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามจัดรูปหมวดหมู่ของพลังงาน เพื่อให้เกิดความเข้าใจได้ง่ายขึ้น ในที่นี้จะกล่าวถึงเกณฑ์หนึ่งที่ใช้ในการจัดประเภทของพลังงานตามความสัมพันธ์ในการเปลี่ยนรูปของพลังงาน


      พลังงานศักย์โน้มถ่วง (gravitational potential energy)

      พลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นพลังงานศักย์ที่สะสมอยู่ในวัตถุที่อยู่สูงจากพื้นโลกขึ้นไปและวัตถุนั้นอยู่ในสนามแรงโน้มถ่วงของโลก หรืออยู่ในแนวดิ่ง วัตถุที่อยู่ห่างจากผิวโลกจะได้รับแรงโน้มถ่วงจากโลกเพื่อดึงวัตถุเข้าสู่ศูนย์กลางของโลก เกิดเป็นค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วง พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับระดับความสูงจากพื้นโลก เช่น การตกของลูกมะพร้าวจากต้น การปล่อยตุ้มตอกเสาเข็ม ฯลฯ ดูตัวอย่างต่อไปนี้




      ผลมะพร้าวที่ติดอยู่กับทะลายบนยอดมะพร้าวได้สะสมค่าพลังงานศักย์ไว้ ผลมะพร้าวที่อยู่สูงจะสะสมพลังงานศักย์ไว้มากว่าผลที่อยู่ต่ำกว่า (เพราะอยู่ไกลจากผิวโลกมากกว่าผลที่อยู่ต่ำกว่า) และเตรียมพร้อมที่จะเคลื่อนที่ถ้าขั้วของมะพร้าวหลุดออกจากทะลาย ผลมะพร้าวจะตกลงสู่พื้นดินด้วยแรงโน้มถ่วงของโลก ค่าของพลังงานที่สะสมไว้ที่ผลมะพร้าวขณะติดอยู่กับทะลายมะพร้าว เรียกว่า ค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วง

      ค่าของพลังงานศักย์โน้มถ่วงสามารถหาค่าได้จากงานที่ทำหรือการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุในแนวดิ่ง สามารถหาค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วง จากงานเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อวัตถุเมื่ออยู่บนที่สูง ดังนี้




      ปัจจัยที่มีผลต่อพลังงานศักย์โน้มถ่วงของโลก คือ

      1. มวลของวัตถุ วัตถุที่มีมวลมาก แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุนั้นจะมาก ทำให้ค่าของพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากตามไปด้วย


      2. ตำแหน่งที่อยู่ของวัตถุ เป็นระยะห่างหรือความสูงของวัตถุที่อยู่ห่างจากผิวโลก วัตถุที่อยู่ห่างจากผิวโลกมากจะสะสมค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงไว้มาก ดังนั้น วัตถุที่อยู่สูงจึงมีค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากกว่าวัตถุที่อยู่ในระดับต่ำกว่า เมื่อวัตถุอยู่ ณ ตำแหน่งสูงสุดจะมีค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากที่สุด และเมื่อวัตถุตกถึงผิวโลกจะไม่มีค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงหรือมีค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นศูนย์นั่นเอง




      พลังงานจลน์ (kinetic energy)

      พลังงานจลน์เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ ไม่ว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ในแนวระดับหรือแนวดิ่งย่อมมีพลังงานจลน์ เช่น การที่วัตถุเปลี่ยนจากไปจากตำแหน่งเดิม การหมุนของวัตถุเพื่อเปลี่ยนทิศทาง การสั่นสะเทือนของวัตถุ เช่น ลมพัด น้ำไหล ลูกข่างหมุน รถไขลานกำลังแล่น ลูกตุ้มกำลังแกว่ง ก้อนหินกลิ้งตกจากหน้าผา ฯลฯ

      ปัจจัยที่มีผลต่อพลังงานจลน์ คือ

      1. มวลของวัตถุ วัตถุที่มวลมากจะมีพลังงานจลน์มาก


      2. ความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุ วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงจะมีพลังงานจลน์มากด้วย


      พลังงานกล (mechanic energy)

      พลังงานกลเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ พลังงานกลประกอบไปด้วยพลังงานศักย์โน้มถ่วงกับพลังงานจลน์ โดยพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุ ส่วนพลังงานจลน์เป็นพลังงานของวัตถุขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ ซึ่งทั้งพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์นี้สามารถเปลี่ยนรูปกลับไปมาระหว่างกันและกันได้ ทำให้เกิดสมดุลของพลังงานขึ้นดังรูป



      [หมายเหตุ : พลังงานศักย์มี 2 ชนิด คือ พลังงานศักย์ยืดหยุ่น เป็นพลังงานที่สะสมในวัตถุที่มีการยืดหยุ่น เช่น พลังงานที่สะสมในสปริง ในแถบยางหรือหนังสติ๊ก ฯลฯ พลังงานศักย์อีกชนิดหนึ่งคือ พลังงานศักย์โน้มถ่วง เป็นพลังงานศักย์ที่สะสมในวัตถุที่อยู่ในตำแหน่งที่สูงจากพื้นโลก ในระดับชั้นนี้เราจะเรียนเฉพาะพลังงานศักย์โน้มถ่วง]


      จากภาพจะเห็นได้ว่า เมื่อวัตถุอยู่ที่ตำแหน่งสูงสุด วัตถุจะหยุดนิ่ง พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่าสูงสุด ส่วนพลังงานจลน์จะมีค่าต่ำสุดคือ เท่ากับศูนย์ เมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ พลังงานงานศักย์โน้มถ่วงจะเริ่มลดลง เนื่องจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ และเมื่อวัตถุเคลื่อนที่มาถึงจุดต่ำสุด พลังงานจลน์จะมีค่าสูงสูด ส่วนพลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่าต่ำสุดคือ เท่ากับศูนย์ เนื่องจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงทั้งหมดเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์นั่นเอง


กฎการอนุรักษ์พลังงาน

กฎการอนุรักษ์พลังงาน กล่าวว่า "พลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นมาใหม่หรือทำให้สูญหายไปได้ แต่พลังงานสามารถเกิดการถ่ายโอนระหว่างพลังงานด้วยกันได้ หรือการเปลี่ยนรูปพลังงานได้นั่นเอง" ในการนำพลังงานไปใช้ประโยชน์จึงต้องคำนึงถึงหลักการเปลี่ยนรูปของพลังงานอย่างคุ้มค่า การเปลี่ยนรูปพลังงาน เช่น

  1. การเปลี่ยนรูปของพลังงานจากแสงอาทิตย์

    แสงอาทิตย์เป็นต้นกำเนิดของพลังงานในโลก โดยเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมี แล้วเก็บสะสมไว้ในรูปเชื้อเพลิงรูปแบบต่างๆ เช่น ฟืน ถ่าน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ ฯลฯ เมื่อนำเชื้อเพลิงเหล่านี้ไปเผาไหม้ พลังงานเคมีจะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานแสงต่อไป



    นอกจากนี้ พลังงานแสงอาทิตย์ยังเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ โดยอาศัยอุปกรณ์ที่เรียกว่า เซลล์สุริยะ (solar cell)


  2. การเปลี่ยนรูปพลังงานไฟฟ้า

    พลังงานจลน์ที่เกิดจากน้ำที่ไหลจากเขื่อนสามารถนำไปใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้ โดยอาศัยอุปกรณ์ที่เรียกว่า ไดนาโม เมื่อนำกระแสไฟฟ้าไปใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดต่างๆ พลังงานไฟฟ้าก็จะเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่นๆ ดังนี้




การนำกฎของการอนุรักษ์พลังงานไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวัน

  1. การคมนาคมทางอากาศ เช่น การเคลื่อนที่และการขึ้นลงของเครื่องบิน จะเกี่ยวข้องกับการลดระดับหรือเพิ่มระดับความสูงของเครื่องบิน


  2. ระบบการจ่ายน้ำประปาไปตามบ้านเรือน ใช้หลักการปล่อยน้ำจากถังพักน้ำ ซึ่งตั้งอยู่ในระดับสูงให้ไหลจากที่สูงลงสู่ที่ต่ำกว่าตามแรงโน้มถ่วงของโลก


  3. การเก็บกักน้ำในอ่างเก็บน้ำ เพื่อระบายน้ำไปสู่ท้องที่ที่ทำการเกษตรในยามขาดแคลนน้ำ


  4. การทำงานของลิฟต์ ที่ใช้ขนลำเลียงคนและสิ่งของขึ้นลงในตึกสูงๆ


  5. กระเช้าไฟฟ้า ซึ่งใช้ข้ามแม่น้ำ ใช้เดินทางระหว่างอาคาร หรือนั่งพักผ่อนชมทิวทัศน์ในสวนสนุก


  6. การทำงานของเครื่องเล่นต่างๆ ในสวนสนุก เช่น เรือไวกิ้ง ชิงช้าสวรรค์ รถไฟเหาะตีลังกา ฯลฯ


  7. การใช้พลังงานน้ำจากเขื่อนกักเก็บน้ำในการผลิตกระแสไฟฟ้า โดยนำพลังงานน้ำหมุนไดนาโม เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าส่งไปใช้ตามบ้านเรือน เช่น เขื่อนภูมิพล จังหวัดตาก ฯลฯ


พลังงานความร้อน

พลังงานความร้อนเป็นพลังงานที่สามารถถ่ายเทจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ อันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เมื่อวัตถุดูดกลืนพลังงานความร้อนจะทำให้วัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้น จึงเกิดการถ่ายเทพลังงานความร้อนให้กับวัตถุอื่นที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งต้นกำเนิดของพลังงานความร้อนมาจากดวงอาทิตย์ การลุกไหม้ของเชื้อเพลิง และจากพลังงานไฟฟ้า

    พลังงานความร้อนกับอุณหภูมิ

    อุณหภูมิ (temperature) คือ ระดับความร้อนในเนื้อของวัตถุ ทราบได้จากการวัดด้วยเทอร์มอมิเตอร์ ซึ่งมีอยู่หลาบแบบ เทอร์โมมิเตอร์จะบอกระดับความร้อน

    น้องๆ ทราบหรือไม่ว่า เราใช้อุปกรณ์อะไรในการวัดอุณหภูมิ? อุปกรณ์ที่เราใช้วัดอุณหภูมิก็คือ เทอร์โมมิเตอร์ นั่นเอง เราใช้เทอร์โมมิเตอร์เพื่อวัดอุณหภูมิ โดยมีหลักการใช้ที่เราควรจำ คือ

      การใช้เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิ

      • จุ่มเทอร์โมมิเตอร์ในของเหลวที่ต้องการวัด โดยให้แท่งเทอร์โมมิเตอร์อยู่ในแนวดิ่ง


      • ให้กระเปาะของเทอร์โมมิเตอร์จุ่มอยู่ในของเหลว โดยไม่ให้ตัวกระเปาะสัมผัสกับภาชนะที่บรรจุ


      • ในการอ่านค่าของอุณหภูมิต้องรอให้ระดับของเหลวในเทอร์โมมิเตอร์มีการขยายตัว หรือหดตัวคงที่เสียก่อน และให้ระดับของเหลวในเทอร์โมมิเตอร์ตรงกับระดับสายตา


    พลังงานความร้อนกับการเปลี่ยนสถานะของสาร

    เมื่อสารได้รับความร้อน อุณหภูมิของสารนั้นจะเพิ่มขึ้น แต่การเปลี่ยนสถานะของสารนั้น เมื่อเพิ่มพลังงานความร้อนให้กับสาร อุณหภูมิของสารนั้นจะไม่เพิ่มขึ้นแต่สถานะของสารจะเปลี่ยนไป แสดงว่า สารได้นำพลังงานความร้อนที่ได้รับไปใช้ในการเปลี่ยนสถานะ เรียกว่า ความร้อนแฝงของสาร

    ปริมาณความร้อนที่นำไปใช้ในการเปลี่ยนสถานะของสารจำนวน 1 กิโลกรัม เรียกว่า ค่าความร้อนแฝงจำเพาะของสาร ในการเปลี่ยนสถานะของสารจะมีความสัมพันธ์กับพลังงานความร้อนใน 2 ลักษณะ คือ

    1. การดูดพลังงานความร้อนของสาร หมายถึง เมื่อสารนั้นต้องการใช้พลังงานความร้อนในการเพิ่มอุณหภูมิหรือเปลี่ยนสถานะ โดยการสลายแรงยึดเหนี่ยวของอนุภาค


    2. การคายพลังงานความร้อนของสาร หมายถึง เมื่อสารนั้นไม่ต้องการใช้พลังงานความร้อน แต่ต้องการลดอุณหภูมิและเปลี่ยนสถานะ โดยการสร้างแรงยึดเหนี่ยวของอนุภาค

    เราสามารถทดสอบการดูดหรือคายพลังงานความร้อนของสารได้ โดยใช้น้ำแข็งใส่ลงในบีกเกอร์แล้ววัดอุณหภูมิทันที หลังจากนั้นจุดตะเกียงเพื่อให้ความร้อนแก่น้ำแข็ง แล้วใช้แท่งแก้วคนตลอดเวลาจนน้ำแข็งละลายหมดแล้ววัดอุณหภูมิทันที จากนั้นให้ความร้อนกับน้ำในบีกเกอร์ต่อไปจนน้ำเดือด แล้ววัดอุณหภูมิอีกครั้ง ใช้กระดาษแข็งปิดปากบีกเกอร์แล้วเสียงเทอร์มอมิเตอร์ให้ทะลุกระดาษแข็ง โดยให้กระเปาะของเทอร์มอมิเตอร์อยู่เหนือระดับน้ำเล็กน้อย แล้ววัดอุณหภูมิ พร้อมกับบันทึกผล

    จากการทดสอบข้างต้น จะพบว่า เมื่อน้ำแข็งได้รับพลังงานความร้อน อุณหภูมิจะไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากน้ำแข็งนำความร้อนไปใช้ในการเปลี่ยนแปลงสถานะ เราเรียกพลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำแข็งที่กลายเป็นน้ำนี้ว่า ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว แต่เมื่อน้ำแข็งละลายเป็นน้ำแล้วให้ความร้อนต่อไปเรื่อยๆ น้ำจะมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น แต่สถานะยังคงเป็นของเหลวเหมือนเดิม เมื่อน้ำเดือดอุณหภูมิจะคงที่อีกครั้ง แต่สถานะจะเปลี่ยนจากของเหลวกลายเป็นไอ เราเรียกค่าพลังงานความร้อนในช่วงนี้ว่า ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ

    สารทุกชนิดจะมีค่าความร้อนแฝงทั้ง 2 ค่าแตกต่างกัน โดยค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอจะมีค่ามากกว่าค่าความร้อนแฝงของการหลอมเหลวเสมอ



    ประโยชน์จากการเปลี่ยนแปลงสถานะของสาร

    1. ทำให้เกิดวัฏจักรของน้ำ ทำให้น้ำไม่หมดไปจากธรรมชาติ และเป็นประโยชน์ต่อการดำรงชีวติของสิ่งมีชีวิตต่างๆ


    2. ประดิษฐ์ตู้เย็นและเครื่องทำความเย็นโดยใช้หลักการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอของสาร


    3. การผลิตน้ำแข็งและไอศกรีม


    4. การใช้ประโยชน์ในงานอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การเป่าแก้ว การเชื่อมโลหะ การบัดกรี การหล่อโลหะ ฯลฯ


การถ่ายโอนพลังงานความร้อน (heat transfer)

เป็นกระบวนการถ่ายเทพลังงานระหว่างที่สองแห่งที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน โดยการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจะเกิดจากบริเวณที่อุณหภูมิสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า จนกระทั่งอุณหภูมิของบริเวณทั้งสองเท่ากันจึงจะหยุดการถ่ายโอนพลังงาน ลักษณะการถ่ายโอนพลังงานความร้อน มีด้วยกัน 3 รูปแบบ คือ

  1. การนำความร้อน (heat conduction)

    เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนด้วยการเคลื่อนที่ผ่านวัตถุที่เป็นตัวกลาง โดยที่ตัวกลางไม่มีการเคลื่อนที่ ทิศทางของการเคลื่อนที่ของพลังงานความร้อนจะเกิดจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า แล้วส่งผ่านความร้อนต่อๆ กันไปจนถึงปลายทาง วัตถุที่มีสมบัติในการถ่ายโอนพลังงานความร้อนได้ดี จัดเป็นตัวนำที่ดี


    วัตถุอยู่กับที่ ความร้อนเคลื่อนที่ผ่านไป


    น้องๆ เคยสังเกตบ้างไหมว่า ภาชนะที่เราใช้ในการหุงต้มอาหารจึงทำจากโลหะ เพราะโลหะสามารถเป็นตัวนำความร้อนที่ดี

    ตัวนำความร้อน หมายถึง วัตถุที่ยอมให้พลังงานความร้อนเคลื่อนที่ผ่านไปได้ โลหะทุกชนิดมีสมบัติเป็นตัวนำความร้อนที่ดี โดยเฉพาะเงินนำความร้อนได้ดีที่สุด ส่วนอโลหะที่มีสมบัตินำความร้อนได้คือ แกรไฟต์หรือไส้ดินสอดำ ส่วนอโลหะอื่นๆ เป็นฉนวนความร้อน

    ฉนวนความร้อน หมายถึง วัตถุที่ไม่ยอมให้พลังงานความร้อนผ่านไปได้ อโลหะเกือบทั้งหมดมีสมบัติเป็นฉนวนความร้อน ไม่ว่าจะเป็นพลาสติก แก้ว ไม้ ฯลฯ ยกเว้น แกรไฟต์เป็นอโลหะที่นำความร้อนได้


  2. การพาความร้อน (heat convection)

    เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนที่ต้องอาศัยตัวกลาง โดยที่ตัวกลางเคลื่อนที่ติดไปกับพลังงานความร้อนด้วย เกิดขึ้นในสสารสองสถานะคือ ของเหลวและก๊าซ และเป็นการเคลื่อนที่ในทิศทางที่ลอยขึ้นเท่านั้น เมื่อสสารได้รับความร้อนจะมีการขยายตัว ทำให้ความหนาแน่นต่ำลง และสสารที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า (ความหนาแน่นสูงกว่า) จะเข้ามาแทนที่ เช่น การเกิดลมบก ลมทะเล การต้มน้ำ ฯลฯ

    ในการต้มน้ำ เมื่อความร้อนจากด้านล่างของภาชนะถูกพาขึ้นมาด้านบนของภาชนะ เพราะของเหลวและก๊าซเมื่อได้รับความร้อนจะขยายตัวลอยสูงขึ้น จึงพาความร้อนจากด้านล่างขึ้นมายังด้านบนของภาชนะได้ ก๊าซจะมีสมบัติในการพาความร้อนได้ดีที่สุด

    การเกิดลมบก ลมทะเล เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอากาศ โดยอากาศร้อนจะขยายตัวและลอยสูงขึ้น ในขณะที่อากาศเย็นจะเคลื่อนที่เข้าไปแทน

    ลมทะเล เกิดในเวลากลางวัน เมื่อพื้นดินรับความร้อนจากแสงอาทิตย์ได้เร็วกว่าพื้นน้ำ ทำให้อากาศเหนือพื้นดินมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศเหนือพื้นน้ำและลอยตัวสูงขึ้น ขณะที่อากาศเหนือพื้นน้ำมีความกดอากาศสูงกว่าอากาศเหนือพื้นดิน (บริเวณเหนือพื้นน้ำมีความหนาแน่นของอากาศมาก) เป็นผลให้อากาศเหนือพื้นน้ำเคลื่อนที่เข้าเข้าหาบริเวณพื้นดินที่มีความกดอากาศต่ำกว่า ทำให้เกิดลมพัดจากทะเลเข้าหาฝั่งในเวลากลางวัน เรียกว่า "ลมทะเล"

    ลมบก เกิดในเวลากลางคืน เนื่องจากพื้นดินคลายความร้อนได้เร็วกว่าพื้นน้ำ ทำให้อากาศบนพื้นน้ำซึ่งร้อนกว่าบนพื้นดินลอยตัวสูงขึ้น ขณะที่อากาศบนพื้นดินซึ่งมีความกดอากาศสูงกว่า (บริเวณเหนือพื้นดินมีความหนาแน่นของอากาศมากกว่า) เป็นผลให้อากาศเหนือพื้นดินเคลื่อนที่เข้าหาพื้นน้ำซึ่งเป็นบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำกว่า ทำให้เกิดลมพัดจากบกออกสู่ทะเลในเวลากลางคืน เรียกว่า "ลมบก"




  3. การแผ่รังสีความร้อน (heat radiation)

    เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากบริเวณที่ร้อนกว่าไปยังบริเวณที่เย็นกว่าโดยไม่มีตัวกลาง ดังนั้น ในสุญญากาศก็สามารถเกิดการแผ่รังสีความร้อนได้ เช่น การแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก ความร้อนจากกองไฟที่แผ่รังสีความร้อนเป็นรัศมีออกมาโดยรอบแหล่งกำเนิด ฯลฯ

    อย่างไรก็ตาม ในบางครั้งจะพบว่า การถ่ายเทความร้อนเกิดได้ทั้ง 3 แบบผสมกันไป เช่น เราจับแท่งเหล็กที่ด้านหนึ่ง อีกด้านหนึ่งนำไปเผาไฟ จะเกิดการถ่ายเทความร้อนได้ทั้ง 3 แบบพร้อมๆ กัน คือ

      เกิดการนำความร้อน เนื่องจากตัวกลางคือ เหล็กถ่ายเทความร้อนมาสู่มือเรา โดยเหล็กไม่ต้องเคลื่อนที่

      เกิดการพาความร้อน เมื่อมีลมซึ่งเป็นตัวกลางที่เคลื่อนที่ได้พัดผ่าน ความร้อนจากแท่งเหล็กจะพัดพามาหาตัวเราจนรู้สึกร้อนได้

      เกิดการแผ่รังสี คือ ความร้อนของแท่งเหล็กสามารถแผ่ออกมาได้ ทดลองโดยนำกระจกใสไปกั้นระหว่างตัวเรากับแท่งเหล็กร้อน แต่เราก็ยังรู้สึกถึงความร้อนนั้นได้


สมดุลความร้อน

สมดุลความร้อนเป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากวัตถุที่มีพลังงานความร้อนภายในสูงไปสู่วัตถุที่มีพลังงานความร้อนภายในต่ำกว่า จนอุณหภูมิภายในของวัตถุทั้งสองเท่ากัน ด้วยวิธีการนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน

เมื่อวัตถุได้รับความร้อนด้วยการถ่ายโอนความร้อนจากแหล่งกำเนิดไม่ว่าจะด้วยวิธีการใดก็ตาม จะส่งผลให้วัตถุมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ สถานะ และขนาดของวัตถุได้ ซึ่งเป็นข้อระมัดระวังในการนำวัตถุต่างๆ ไปใช้ในประโยชน์ในชีวิตประจำวัน น้องๆ ลองดูจากการทดลองสมดุลความร้อนต่อไปนี้


จากผลการทดลอง จะพบว่า น้ำในขวดรูปกรวยมีพลังงานความร้อนสูงกว่าน้ำในบีกเกอร์ จึงถ่ายโอนพลังงานความร้อนให้กับน้ำในบีกเกอร์จนมีอุณหภูมิเท่ากัน จึงหยุดถ่ายเทพลังงาน เรียกว่า สมดุลความร้อน

  1. พลังงานความร้อนกับการขยายตัวของวัตถุ

    เมื่อวัตถุได้รับพลังงานความร้อนจะขยายตัวออก และเมื่อวัตถุคายความร้อนจะหดตัวได้ วัตถุต่างชนิดกันจะขยายตัวได้ไม่เท่ากัน

    ถ้าให้พลังงานเท่ากัน ของแข็งจะขยายตัวได้น้อยกว่าของเหลวและก๊าซตามลำดับ ของแข็งชนิดต่างกันจะขยายตัวได้ไม่เท่ากัน ของเหลวต่างชนิดกันก็ขยายตัวได้ไม่เท่ากัน แต่ก๊าซต่างชนิดกันจะขยายตัวได้เท่ากัน

    หลักการขยายตัวของวัตถุ

    • วัตถุขยายตัวเมื่อเพิ่มความร้อน และหดตัวเมื่อลดความร้อน


    • วัตถุในสถานะของแข็งเป็นการเพิ่มหรือลดขนาด


    • วัตถุในสถานะของเหลวและก๊าซเป็นการเพิ่มหรือลดปริมาตร



    เราสามารถนำความรู้เรื่องการขยายตัวของวัตถุเมื่อได้รับความร้อนถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง เช่น การเว้นรอยต่อของรางรถไฟ การเว้นช่องว่างของหัวสะพาน การประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ และการติดตั้งเทอร์มอสแตตไฟฟ้าเพื่อใช้ควบคุมระดับอุณหภูมิของเครื่องใช้ไฟฟ้า การเปิดฝาขวดโลหะชนิดฝาเกลียวที่ปิดแน่นมากๆ โดยให้พลังงานความร้อนจนฝาเกลียวขยายตัวทำให้เปิดง่ายขึ้น การควบคุมอุณหภูมิในเตารีด โดยทำจากโลหะคู่ต่างชนิดกัน เมื่อได้รับความร้อนโลหะทั้ง 2 ชนิดจะขยายตัวได้ต่างกัน จึงเกิดการโค้งงอและสามารถตัดวงจรไฟฟ้าได้เอง ฯลฯ


  2. การดูดกลืนแสงและการคายความร้อนของวัตถุ

    การแผ่รังสีความร้อนก่อให้เกิดพลังงานรังสีความร้อนเป็นส่วนใหญ่ เรียกว่า "รังสีอินฟาเรด" ซึ่งเป็นรังสีที่มองไม่เห็น เมื่อรังสีนี้ตกลงบนวัตถุ วัตถุนั้นจะดูดกลืนพลังงานความร้อนไว้บางส่วน ทำให้พลังงานความร้อนและอุณหภูมิภายในวัตถุเพิ่มสูงขึ้น

    วัตถุสีเข้มจะดูดกลืนรังสีอินฟาเรดและคายรังสีอินฟาเรดที่ทำให้เกิดพลังงานความร้อนแก่วัตถุได้ดีกว่าวัตถุสีอ่อน

    ในชีวิตประจำวัน เราใช้ประโยชน์จากสมบัติของการดูดกลืนความร้อนและการคายความร้อนของวัตถุได้หลายด้านด้วยกัน ตัวอย่างเช่น

    1. การเลือกสีเสื้อผ้าที่สวมใส่ ในฤดูร้อนเราควรเลือกใส่เสื้อผ้าที่มีสีอ่อน เพราะจะไม่ดูดความร้อนมาก ทำให้เรารู้สึกเย็นสบายกว่าใส่เสื้อสีเข้ม


    2. การเลือกสีทาบ้านหรืออาคาร เราสามารถใช้หลักการดูดกลืนและคายความร้อนมาใช้ได้ เพราะถ้าเราทาสีภายในบ้านเป็นสีอ่อน จะดูดกลืนความร้อนน้อย ทำให้เรารู้สึกเย็นสบาย


    3. การทำตู้อบพลังงานแสงอาทิตย์ ใช้หลักการดูดกลืนความร้อนและการกักเก็บความร้อน ทำให้ภายในตู้อบมีพลังงานความร้อนสูงกว่าปกติ


    4. นอกจากนี้ ยังมีการนำประโยชน์เรื่องของการดูดกลืนและคายความร้อนของวัตถุไปในด้านต่างๆ อีกมากมาย





ที่มาข้อมูล : - หนังสือแบบเรียนวิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 (สสวท) กระทรวงศึกษาธิการ
- คู่มือครูสาระการเรียนรู้พื้นฐาน กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 (สสวท) กระทรวงศึกษาธิการ
- หนังสือสาระการเรียนรู้พื้นฐาน กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ สำนักพิมพ์แมค จำกัด (2547)

    เรื่อง : บทเรียนวิทยาศาสตร์
    เข้าชม : 87626