unit 1

[วนั ท่ี] ความรู้เบอ้ื งต้นเก่ยี วกับพลังงาน อาจารย์ยุทธกร อินทร์โท่โล่ แผนกวิชาช่างยนต์

ความร้เู บอื้ งตน้ เกย่ี วกบั พลังงาน พลงั งาน คอื ส่ิงทที่ าใหส้ งิ่ ต่างๆเคลอ่ื นทีไ่ ด้ ถา้ ไม่มพี ลงั งาน กไ็ มม่ อี ะไรเกดิ ขนึ้ สิ่งใดก็ตามทเ่ี คลื่อนไหวเตบิ โต หรอื ทางานในทางใดทางหนึง่ ย่อมมีพลงั งาน พลังงานมีหลายชนดิ ได้แก่ พลังงานศักย์ พลงั งานจลน์ พลงั งานเคมี พลังงานความรอ้ น พลังงานเสียง พลงั งานแสงหรอื รงั สี พลงั งานไฟฟ้า เป็นต้นพลงั งานศักย์เปน็ พลังงานทสี่ ะสมไวใ้ นสิ่งตา่ งๆ เนื่องจากทต่ี ง้ั ของสิ่งน้นั หรือเพราะสิง่ นั้นถูกกระทาโดยสิ่งอ่ืน เชน่ พลังงานในสง่ิ ของหนกั ที่ถกู ยกขึน้ พลงั งานใน(ลวดสปริง) ลานนาฬิกา พลงั งานในคันธนทู ถี่ ูกโก่งพลังงานในอา่ งน้าท่ีอยู่สงู เป็นต้น

พลงั งานจลน์เป็นพลังงานของการเคล่อื นไหว ตัวอย่างเช่น พลังงานในขบวนรถไฟด่วน พลังงานในลม พลังงานในคล่นื เป็นตน้พลังงานเคมีเปน็ พลังงานท่ีสะสมไวท้ ส่ี ามารถจะปล่อยออกมา โดยปฏิกริ ิยาเคมี ตวั อยา่ งเช่น พลงั งานในขนมชอกโกแลต พลังงานในกองฟืน พลังงานในถังน้ามนั พลงั งานทเ่ี ก็บไว้ในแบตเตอรี่

พลงั งานความร้อนเปน็ พลงั งานที่ทาให้โมเลกลุ เคลอ่ื นไหวเร็วขึ้น ตวั อย่างเช่น พลังงานในเปลวไฟ พลงั งานท่เี สียออกไปจากจอคอมพิวเตอร์ พลังงานในของเหลวรอ้ นใตพ้ ืน้ พิภพ พลังงานในน้าในหม้อต้มน้า เป็นต้น

เสยี งเปน็ พลังงานทีถ่ กู ส่งไปได้ โดยการส่นั สะเทอื นของอากาศ น้า และวัตถุ ตัวอย่างเชน่ พลังงานที่เกดิ ในเส้นลวดของกีตาร์ พลังงานในเสยี ง พูด พลังงานในฟา้ รอ้ ง พลังงานในเสียงเรียกของปลาวาฬ เปน็ ต้นรงั สีเป็นพลังงานท่ถี ูกส่งไปไดโ้ ดยคลน่ื ของพลงั งานที่ประกอบด้วยโฟตอน (Photon) ตวั อย่างเชน่ พลังงานทไ่ี ดร้ บั จากดวงอาทิตย์ พลังงานจากเสาส่งสัญญาณทีวี พลังงานจากหลอดไฟ พลังงานจากเตาไมโครเวฟ พลังงานจากเลเซอร์ท่ีใชอ้ ่านแผน่ ซดี ี เป็นต้น

ไฟฟ้าเป็นพลังงานทถี่ ูกส่งไปไดโ้ ดยอเี ลคตรอนในเส้นลวดหรอื ตวั นาอื่น ตวั อย่างเชน่ พลังงานท่เี กิดจากการผ่านขดลวดไปในสนามแมเ่ หลก็ พลงั งานทใ่ี ชข้ ับเครือ่ งคอมพวิ เตอร์ พลังงานท่ีได้จากเซลล์แสงอาทติ ย์ พลังงานที่ไดจ้ ากกังหนั ลมเปน็ ตน้พลงั งานแบง่ ออกเปน็ 2 ประเภทใหญๆ่ คือ 1. พลงั งานทีใ่ ชแ้ ลว้ หมดไป หรอื ท่เี รียกวา่ พลังงานสนิ้ เปลือง หรือพลงั งานฟอสซิล ได้แก่ น้ามนั รวมท้ังหิน นา้ มนั ทรายน้ามัน ถา่ นหนิ และก๊าซธรรมชาติ พลังงานประเภทนี้ใชแ้ ล้วหมด เพราะหามาทดแทนไม่ทนั การ ใช้ พลงั งานพวกนปี้ กตแิ ลว้ จะอย่ใู ต้ดนิ ถา้ ไม่ขุดขนึ้ มาใช้ ก็เกบ็ ไว้ใหล้ ูกหลานใช้ไดใ้ นอนาคต บางทจี ึงเรยี กว่า พลงั งานสารอง 2. พลังงานใช้ไม่หมด หรอื พลังงานหมุนเวยี น หรอื พลงั งานทดแทน ไดแ้ ก่ ไม้ ชีวมวล นา้ แสงอาทิตย์ ลม และคลืน่ ท่วี ่าใช้ไมห่ มดกเ็ พราะสามารถหามาทดแทนได้ เช่น ปลกู ป่าเอาไม้มาทาฟืน หรือปลอ่ ยนา้ จากเข่ือน มาปนั่ ไฟ แลว้ ไหลลงทะเล กลายเป็นไอ และเป็นฝนตกลงมาสู่โลกอีก หรือแสงอาทติ ยท์ ่ีได้รบั จากดวงอาทิตย์ อยา่ งไมม่ ีวนั หมดสน้ิ เปน็ ตน้แหล่งพลังงานท่ีใช้แล้วหมดไป1.1.1 พลงั งานเชือ้ เพลิงฟอสซิลเช้ือเพลิงฟอสซิลคอื เชอื้ เพลงิ ท่ีเกิดจากซากพชื ซากสตั ว์ท่ตี ายทบั ถมกันนบั ล้านปใี ตท้ อ้ งทะเลหรอื พ้ืนดินลึ เชือ้ เพลิงฟอสซลิ ได้แก่ ถ่านหิน น้ามนั ดบิ และกา๊ ซธรรมชาติ พลังงานเคมจี ะถกู สะสมในโครงสรา้ งอะตอมของเชอื้ เพลิงเหลา่ น เมอ่ื เกิดปฏิกิริยาเคมี เชน่ การเผาไหม้ก็จะทาให้เกดิ พลงั งานความร้อนออกมา เช้ือเพลิงฟอสซิสที่ใช้อยู่ทวั่ ไปในสภาพอณหุ ภูมปิ กติแบง่ ออกเป็น 3 ชนิดคือ

1. เชอ้ื เพลิงแข็ง หมายถึง เชื้อเพลิงท่มี ีสถานะที่เป็นของแขง็ ที่อุณหภูมิปกติ และ ธาตุทเ่ี ป็นองค์ประกอบของ เชื้อเพลิงชนิดน้สี ่วนมากจะประกอบไปด้วย คารบ์ อน ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน กามะถัน และ เถ้า เม่อื ทาปฏกิ ิริยาทางเคมกี ับออกซเิ จนในอากาศแลว้ จะให้พลังงานความร้อนออกมา โดยปกติเมื่อเกดิ เผาไหม้ คารบ์ อนจะไดค้ าร์บอนไดออกไซด์ ส่วนไฮโดรเจนเมอ่ื เกดิ การเผาไหมจ้ ะไดน้ ้า เชือ้ เพลิงแข็งท่ีไดจ้ าก ธรรมชาตไิ ดแ้ ก่ ถ่านหิน หนิ น้ามัน ถ่านไม้ และถา่ นโคก้ เป็นตน้

2. เชอ้ื เพลงิ เหลว หมายถงึ เชือ้ เพลิงที่มสี ถานะทเี่ ปน็ ของเหลวท่ีอุณหภูมปิ กติ เช้อื เพลิงประเภทน้ี ได้แก่ น้ามัน ท่ไี ดจ้ ากการกล่ันปิโตรเลยี ม นา้ มนั จากพืช นา้ มนั จากสัตว์ เปน็ ตน้ เชื้อเพลิงเหลวเป็นเชื้อเพลิงทใ่ี ชม้ ากใน ประเทศไทยโดยจะนิยมใช้กับยานพาหนะและโรงงานอตุ สาหกรรมต่าง ๆ เพราะสะดวกต่อการใช้งาน และ ให้คา่ ทางความรอ้ นสูง เชือ้ เพลิงเหลวท่ใี ชก้ นั ส่วนมากจะไดจ้ ากการกลน่ั น้ามันปโิ ตรเลยี ม เช่น น้ามนั เบนซิน น้ามันกา๊ ด นา้ มนั ดีเซล นา้ มันเตา เปน็ ตน้ สาหรับเชอื้ เพลิงเหลวทไ่ี ดจ้ ากพืชผลทางการเกษตร เช่น การ ผลติ ไบโอดเี ซล การสกัดนา้ มนั จากเมล็ดสบู่ดา เป็นต้น3. เชือ้ เพลงิ กา๊ ซ หมายถงึ เช้อื เพลิงท่มี สี ถานะท่เี ป็นกา๊ ซทอ่ี ุณหภมู ปิ กติ หรืออาจหมายถงึ กา๊ ซทุกชนิดท่ี สามารถนามาทาปฏิกริ ยิ ากับออกซเิ จนเเลว้ เกดิ การเผาไหม้ทาใหไ้ ดพ้ ลังงานความร้อนที่สามารถนาไปใช้ ประโยชนไ์ ด้ เช้อื เพลิงประเภทน้จี ะมสี ารไฮโดรคาร์บอนเปน็ องค์ประกอบหลกั เเละ ก๊าซเเต่ละชนิดจะให้ ความร้อนจากการเผาไหม้ท่ไี ม่เท่ากนั เชน่ ก๊าซชวี มวล กา๊ ซธรรมชาติหรือกา๊ ซเอ็น.จ.ี วี. กา๊ ซเเอล.พ.ี จ.ี เปน็ ต้น

การแปลงรูปพลงั งานการแปลงรปู ของพลังงาน สามารถแปลงรปู ดว้ ยวิธีการดงั น้ี1 การเสยี ดสี การเสยี ดสี เปน็ ไฟฟ้าทถ่ี กู คน้ พบมาประมาณ 2,000 ปแี ลว้ เกิดขึ้นไดจ้ ากการนาวตั ถุ 2 ชนดิ มาขัดสีกนั จากแท่งยางกบั ผา้ ขนสัตว์ แท่งแก้วกบั ผา้ แพร แผน่ พลาสตกิ กับผ้า และหวกี บั ผม เป็นต้น ผลของการขัดสดี ังกลา่ วทาให้เกดิ การไม่สมดลุ ข้ึนของประจไุ ฟฟ้า วัตถุท้งั สองจะแสดงศักยไ์ ฟฟา้ ออกมาแตกต่างกนั วัตถุชนิดหน่งึ แสดงศักยไ์ ฟฟ้าเป็นบวก (+) ออกมา วัตถุอกี ชนดิ หนึง่ แสดงศกั ย์ไฟฟ้าเป็น (-)ลบออกมา2 แรงกดดัน วิธีนี้แรงเคล่อื นไฟฟ้าจะเกิดขึ้นได้โดยการบบี ตัวของผลึกคริสตลั3ความรอ้ น วิธนี แี้ รงเคลอื่ นไฟฟ้าเกิดขึ้นโดยการใหค้ วามร้อนทจี่ ุดต่อของโลหะทตี่ ่างกนั 2 ชนดิ4 แสงสว่าง วิธนี ี้แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะเกดิ ขึน้ โดยเมอ่ื มีแสงสว่างกระทบกบั สารที่มีความไวตอ่ แสงหรือเซลลแ์ สงอาทิตย์เมื่อมีแสงอาทติ ยต์ กกระทบเซลลแ์ สงอาทิตย์ จะเกดิ การสร้างพาหะนาไฟฟา้ ประจุลบและบวกขนึ้ ไดแ้ ก่ อิเลก็ ตรอนและ โฮล โครงสร้างรอยตอ่ พเี อ็นจะทาหนา้ ท่สี รา้ งสนามไฟฟ้าภายในเซลล์ เพ่ือแยกพาหะนาไฟฟ้าชนดิ อิเลก็ ตรอนไปทีข่ ้ัวลบ และพาหะนาไฟฟ้าชนิดโฮลไปท่ขี ัว้ บวก (ปกติทีฐ่ านจะใช้สารกง่ึ ตัวนาชนดิ พี ขั้วไฟฟ้าด้านหลังจึงเปน็ข้วั บวก สว่ นดา้ นรับแสงใชส้ ารกง่ึ ตัวนาชนดิ เอน็ ขวั้ ไฟฟ้าจึงเปน็ ข้ัวลบ) ทาให้เกดิ แรงดันไฟฟา้ แบบกระแสตรงที่ข้ัวไฟฟ้าท้งั สอง เมอื่ ต่อให้ครบวงจรไฟฟ้าจะเกดิ กระแสไฟฟา้ ไหลข้ึน

5 ปฏกิ ริ ิยาเคมีปฏกิ ิริยาเคมี คอื กระบวนการเปล่ยี นของสารต้ังตน้ ไปเป็นสารใหม่ โดยปริมาณสารต้ังตน้ จะลดลง และปริมาณสารใหม่จะเกิดข้ึน และเพ่มิ ปริมาณขึ้นเรื่อยๆ เม่ือเวลาผ่านไป โดยสามารถเขยี นให้เขา้ ใจง่ายดว้ ยสมการเคมีปฏิกิริยาเคมีจาแนกเปน็ 2 ประเภท คือ1. ปฏกิ ริ ิยาเคมีสมบูรณ์ คอื การเกดิ สารใหม่ขณะท่สี ารตัง้ ตน้ ตัวใดตวั หนึง่ หมดไปหรือหมดทุกตัว2. ปฏกิ ิรยิ าเคมไี มส่ มบรู ณ์ คอื การเกิดสารใหม่ขณะทส่ี ารตั้งต้นยังเหลอื ทุกตวั ไม่มีตวั ใดตัวหน่ึงหมดไปทฤษฎีทีเ่ ก่ียวขอ้ งกบั ปฏิกริ ิยาเคมี 1. ทฤษฎีการชนโมเลกลุ (Collision Theory) กลา่ วถึง โมเลกุลของสารตอ้ งมกี ารชนซึง่ กนั และกัน ซ่ึงการชน กนั แตล่ ะคร้ังไม่จาเปน็ ตอ้ งเกิดปฏกิ ิรยิ า 2. ทฤษฎจี ลนข์ องโมเลกุล (Kinetic Theory) กล่าวถึง โมเลกลุ ต้องมกี ารเคลอ่ื นทีช่ ้าลง ซ่งึ กอ่ ให้เกิด พลงั งานจลน์ โดยโมเลกุลตอ้ งมพี ลังงานสูงพอจงึ จะเกดิ ปฏกิ ิรยิ าได้ วิธีแรงเคล่อื นไฟฟ้าจะเกิดขนึ้ โดยอาศยั ปฏกิ ริ ิยาทางเคมี เชน่ ในแบตเตอรรี่เป็นตน้ อิเลก็ ตรอนจะเคลื่อนทีจ่ ากข้ัวแอโนดหรอื ขั้วลบผา่ นวงจรภายนอกไปยัง ขัว้ แคโทดหรอื ข้ัวบวก จากสมการจะสงั เกตไดว้ ่ามผี ลิตภณั ฑ์คอื PbSO4(s) เกดิ ข้นึ เหมอื นกนั ดงั นนั้ เมอื่ ใช้แบตเตอรี่ไประยะหนงึ่ ความตา่ งศกั ยจ์ ะลดลง และจะลดลงไปเรือ่ ย ๆ จนกระท่ังเปน็ ศูนย์ ทัง้ นเ้ี นอ่ื งจากขั้วไฟฟ้าท้งั คู่เหมือนกนั จงึ ไม่มคี วามแตกต่างของศักยไ์ ฟฟ้าระหว่างขั้วท้ังสอง

6 อานาจแม่เหลก็(Electromagnets) หมายถึง อานาจแม่เหลก็ ทีเ่ กิดจากการทก่ี ระแสไฟฟ้าไหลผา่ นในวัตถตุ วั นาหมายความวา่ ถ้าปลอ่ ยให้ กระแสไฟฟา้ ไหลในวตั ถุตัวนาจะทาใหเ้ กดิ สนามแมเ่ หลก็ รอบ ๆ ตวั นาน้ัน เมอื่ มกี ระแสไฟฟา้ ไหลผ่านเส้นลวดตัวนา จะเกดิ เสน้ แรงแม่เหลก็ ข้นึ รอบๆ เสน้ ลวดตัวนานั้น แตอ่ านาจแมเ่ หลก็ ท่ีเกดิ ขึ้นมีเพียงจานวนเลก็ น้อย ซึ่งไมส่ ามารถนาไปใชป้ ระโยชน์ได้ การจะเพ่มิ ความเขม้ ของสนามแมเ่ หลก็ทาไดโ้ ดยการนาเส้นลวดตัวนามาพนั เป็นขดลวด เส้นแรงแม่เหลก็ ท่ีเกิดในแตล่ ะส่วนของเส้นลวดตวั นาจะเสรมิอานาจกนั ทาใหม้ ีความเข็มของสนามแม่เหลก็ เพ่ิมขึ้น 7 พลังงานนิวเคลยี ร์ พลังงานนวิ เคลียร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ไดแ้ ก่ ปฏิกริ ิยาฟิวชนั เกิดขนึ้ บนดวงอาทติ ยแ์ ละดาวฤกษ์พลังงานนวิ เคลยี รท์ ่ีมนษุ ย์สามารถผลติ ขึ้นมา ไดแ้ ก่ เครือ่ งปฏกิ รณป์ รมาณู เคร่อื งเร่งอนภุ าค สารไอโซโทปและระเบิดปรมาณู พลงั งานนวิ เคลยี ร์สามารถปลดปล่อยออกมาในรูปของอนุภาค และ รงั สี เช่น รงั สีแกมมา อนภุ าคเบตา อนุภาคแอลฟา และอนภุ าคนวิ ตรอน พรอ้ มกับปลอ่ ยพลงั งานอ่ืน ๆ ออกมาดว้ ย เชน่ พลังงานความรอ้ น พลังงานแสง พลังงานรังสี พลงั งานกล และพลงั งานอ่ืน ๆ

การแปลงรูปพลังงานพลงั งาน เป็นปริมาณพ้นื ฐานอย่างหน่ึง ของกระบวนการในระบบกายภาพทุกอย่าง พลังงานในระบบเหลา่ นี้ ที่สภาวะหน่ึงๆ นยิ ามว่าเทา่ กบั งาน ทตี่ ้องใช้ในการเปลีย่ นจากสภาวะแรกเริม่ (เรยี กวา่ ระดับอ้างองิ ) ไปยังสภาวะนั้นๆตวั อย่างของพลงั งานได้แก่ พลังงานไฟฟ้า ในแบตเตอร่ี พลงั งานเคมีในอาหาร พลงั งานความร้อนของเครอ่ื งทาน้ารอ้ น หรือพลงั งานศักย์ของนา้ ที่อยเู่ หนือเข่อื นพลงั งานสามารถเปล่ยี นรูปจากรปู แบบหนง่ึ ไปสู่รปู แบบอืน่ ได้ โดยกฎการอนรุ กั ษพ์ ลงั งานระบวุ า่ ในระบบปิดนน้ัพลังงานทงั้ หมดท่ีประกอบขึน้ จากพลงั งานของส่วนย่อยๆ จะมีค่าคงท่ีเสมอพลังงานทีว่ ่าน้ีไม่สามารถจะทาให้สญู สลายไปได้ เว้นแตว่ ่าจะแปรเปล่ยี นใหอ้ ยู่ในรูปของพลงั งานในรปู แบบอน่ืยกตวั อย่างเชน่  เปล่ียนพลังงานแสงจากดวงอาทติ ย์ใหเ้ ป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ตามบา้ นเรอื น (โดยใช้โซลาร์เซลล์)  เปล่ียนพลังงานสะสมทมี่ ีอยูใ่ นน้าท่เี กบ็ ไว้ในเขอ่ื น (พลังงานศักย์) มาเป็นพลังงานทใ่ี ช้ขับเคลื่อน ไดนาโม (พลังงานจลน์) ของโรงไฟฟ้าและยงั มพี ลังงานอกี หลายรูปแบบที่เราสามารถนามาใช้ไดแ้ ตย่ งั ไม่ได้นามาใช้หรอื ยงั ไมไ่ ด้คิดคน้ ข้ึนมา เชน่ พลงั งานจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบฟิวชน่ั เป็นต้น