บทที่ 4 งาน พลังงาน ...

บทท 4 :

งาน พลงงาน และเครองกลอยางงาย

อาจารยณภทรษกร สารพฒนสาขาวชาฟสกส คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย มหาวทยาลยราชภฏเทพสตร ลพบร

หวขอบรรยาย

• งาน

• พลงงาน

• กฎการอนรกษพลงงาน

• ก าลง

• ประสทธภาพการท างาน

• ประสทธภาพการท างานของมนษย

• พลงงานในรปอนๆ

งาน และ พลงงาน

งาน ( work )

งาน หรอ งานเชงกล (Work : W) ในทางฟสกส คอ ปรมาณของพลงงานซงถกสงมาจากแรงทกระท าตอวตถใหเคลอนทไปไดระยะทางขนาดหนง งานเปนปรมาณสเกลารเชนเดยวกบพลงงาน มหนวยเอสไอเปนจล(J)

𝑊 = 𝐹 ∙ 𝑙

𝑙

𝐹

m

งาน ( work )

พจารณาวตถมวล m ถกแรง 𝐹 ซงท ามมกบแนวระดบเปนมม q กระท า แลวเคลอนทไดการกระจด l ดงรป

โดย 𝐹 คงทท งขนาดและทศทางตลอดการเคลอนท

𝐹

qm

𝐹

qm

𝑙

นยาม : งาน ( work ) ทเกดจากแรง 𝐹 ทกระท าตอวตถน คอ

งานมหนวยเปน N.m หรอ J ( จล ) และมคาเปนไดทง ศนย , บวก , ลบสามารถแบงออกเปนกรณตางๆไดดงน

𝑊 = 𝐹 cos 𝜃 ∙ 𝑙

𝐹

qm

𝐹

qm

งาน ( work )

𝑙

1. งาน : กรณทเปน บวก

o จากนยามของงาน คอ 𝑊 = 𝐹 cos 𝜃 ∙ 𝑙

o จะเหนวา 𝐹 ท ามมกบ 𝑙 เปนมม 0° เมอ cos 0° = 1

o ดงนน 𝑊 = 𝐹 cos 0° ∙ 𝑙 = 𝐹 ∙ 𝑙 มคาเปน บวก

𝐹 𝐹m m

𝑙

Motion

2. งาน : กรณทเปน ลบ


o จะเหนวา 𝐹 ท ามมกบ 𝑙 เปนมม 180° เมอ cos 180° = −1

o ดงนน 𝑊 = 𝐹 cos 180° ∙ 𝑙 = − 𝐹 ∙ 𝑙 มคาเปน ลบ

𝐹 m 𝐹 m

𝑙

Motion

3. งาน : กรณทเปน ศนย


o จะเหนวา 𝐹 ท ามมกบ 𝑙 เปนมม 90° เมอ cos 90° = 0

o ดงนน 𝑊 = 𝐹 cos 90° ∙ 𝑙 = 0 มคาเปน ศนย

𝐹

m m

𝐹

𝑙

Motion

ถามแรงหลายแรงกระท าตอวตถ สามารถหางานไดจากการพจารณางานของแรงแตละแรง ดงรป

1. งานของแรง 𝐹1 คอ 𝑊 = 𝐹1 cos 𝜃1 ∙ 𝑙


𝑙

m

𝐹1

𝐹2

𝐹3

𝐹4

𝐹5

m

𝐹1

𝐹2

𝐹3

𝐹4

𝐹5

4. งาน : กรณทแรงหลายแรงกระท ากบวตถ

งานรวม = ผลรวมของงานเนองจากแรงทกแรงทกระท าตอวตถ




เมอ 𝜃 เปนมมททศทางของแรงท ามมกบแนวการเคลอนท 𝑙 ตามล าดบ

𝑊 = 𝑊 𝐹1+ 𝑊 𝐹2

+ 𝑊 𝐹3+ 𝑊 𝐹4

+ 𝑊 𝐹5

5. การหางานจากพนทใตกราฟ

• ในการทดลองนน เรามกบนทกในรปแบบทเขาใจงายการเขยนกราฟความสมพนธ ของฟงกชน จากนยามของงาน ซงเปนความสมพนธของ แรง กบ การกระจด

ดงนนเราสามารถหา งาน ไดจากความสมพนธดงกลาวสมการของงาน : 𝑊 = 𝐹 ∙ 𝑙

จากกราฟ : แรง กบ การกระจด

s (เมตร)

F (นวตน

)

o ปรมาณงาน คอ พนทใตกราฟความสมพนธของ แรง กบ การกระจด

ตวอยาง

จากรปวตถเคลอนทไดการกระจด 𝑠 ถาพนมสมประสทธความเสยดทาน 𝜇𝑘

จงหางานของแรงแตละแรงทกระท าตอวตถ และ งานรวม

𝐹

qm

𝐹

qm

𝑠

มวล 4 กโลกรมเคลอนทขนระนาบเอยง 30 องศากบแนวระดบ โดยมแรง 100 นวตน ดงขนขนานกบพนเอยง และมแรงเสยดทาน 10 นวตน ตานการเคลอนท ปรากฏวามวลเคลอนทไดระยะ 20 เมตร จงหางานของแตละแรง และ งานรวม

ตวอยาง

30o

ตวอยาง

จากรปวตถเคลอนทไดการกระจด 𝑠 ถาพนมสมประสทธความเสยดทาน 𝜇𝑘 จงหางานของแรงแตละแรงท กระท าตอวตถ และ งานรวม

𝐹

qm

𝐹

qm

𝑠

วตถมวล 10 กโลกรม ไถลไปบนพนทมสมประสทธความเสยดทานจลนระหวางพนกบผว วตถเทากบ 0.2 เปนระยะทาง 5 เมตร งานของแรงเสยดทานมคาเทากบกจล

ตวอยาง

10 kg

5 m

10 kgmk = 0.2

ชายคนหนงแบกขาวสารมวล 100 กโลกรม ไวบนบาเดนไปตามพนราบเปน ระยะทาง 10 เมตร แลวจงขนบนไดดวยความเรวคงทไปชนบนซงสงจากพนลาง 3 เมตร จงหางานทชายผนนท า

ตวอยาง

m=10 kg

3 เม

ตร

10 เมตร4 เมตร

มวล 4 กโลกรมเคลอนทขนระนาบเอยง 30 องศากบแนวระดบ โดยมแรง 100 นวตน ดงขนขนานกบพนเอยง และมแรงเสยดทาน 10 นวตน ตานการเคลอนท ปรากฏวามวลเคลอนทไดระยะ 20 เมตร จงหางานของแตละแรง และ งานรวม

ตวอยาง

30o

วตถมวล 4 กโลกรม แขวนอยในแนวดงดวยเชอกเสนหนงเหนอระดบพน 20 เมตร ถา ดงเชอกใหมวลเคลอนขนเปนระยะทาง 10 เมตร ดวยอตราเรง 2.5 เมตรตอวนาท2 จงหา งานททาโดยแรงตงเชอก ( ใหใชคา g = 10 เมตรตอวนาท2 )

ตวอยาง

4 kg

20 เม

ตร

4 kg10 เม

ตร a = 2.5 m/s2

g = 10 m/s2

T

แรง F กระทากบวตถแสดงโดยกราฟ ดงรป งานทเกดขนในระยะ 10

เมตร เปนกจลตวอยาง

80

40

5 10s (เมตร)

F (นวตน)

1. ใหหางานทกระท าโดยพนกงานทเขนเตยงคนไขดวยแรงในแนวราบ 25 N ใหเคลอนทไปเปน 3m ตามระยะทางระดบราบ

2. ชายคนหนงเขนรถดวยแรง 10N ดงรป กระท ากบรถเขนท ามม 30

องศา ใตแนวระดบ ใหหางานทเกดขนจากการเขนรถไดในระยะทาง 5m ในแนวราบ

การบาน “งาน” (ครงท 4 วนท 22 ตลาคม 2556 )

พลงงานคออะไร

พลง ง า น ( Energy) หมาย ถ ง

ความสามารถในการท างานได หรอ อ านาจทแฝงอยในวตถซงสามารถเปลยนรปได หรอสามารถกลาวไดวาวต ถ ใ ด ท ม พล ง ง าน ว ต ถน น จ ะสามารถท างานได พลงงานของวตถตาง ๆ อาจสะสมอยในหลายรปแบบ เ ชน พลง งานกล พลง งา นศก ย พลงงานจลน ความรอน แสง ไฟฟา เสยง เปนตน

พลงงาน (Energy)

สปรงกมพลงงานสะสม น าไปใชยงกระสนได

น าในเขอนมพลงงานสะสมอย เราสามารถเอามาผลตกระแสไฟฟาได

งาน และ พลงงานสมพนธกนอยางใกลชด

*** งาน คอ การถายเทพลงงาน ***

พลงงานมกประเภท อะไรบาง ?


ถามงานกระท าตอระบบ

ถาระบบท างานเอง

มการถายเทพลงงาน

เขาสระบบ

มการถายเทพลงงาน

ออกจากระบบ

พลงงานระบบเพมขน

พลงงานระบบลดลง

พลงงาน คอ ความสามารถในการท างาน มหนวยเปน จล (J)

o พลงงานมอยหลายรป เชน พลงงานกล พลงงานความรอน พลงงานไฟฟา พลงงานเคม

o พลงงานไมมวนสญหาย เพยงแตเปลยนรปหนงไปเปนอกรปหนงได เชน พลงงานไฟฟา เปลยนเปนพลงงานความรอน


พลงงาน แบงประเภททปรากฏในธรรมชาตได 2 แบบ คอ

𝐸𝑘 = 12𝑚𝑣2

1. พลงงานจลน

𝐸𝑝 = 𝑚𝑔ℎ

2. พลงงานศกย

𝑣

ℎ 𝑔


พลงงานศกย (Potential Energy)

พลงงานศกย (Potential Energy; P.E.) คอ เปนพลงงานทขนอย

กบ ต าแหนง หรอ ลกษณะรปราง ของวตถ

o พลงงานศกยโนมถวงขนอยกบ

ความสงจากระดบอางอง (h)

𝐸𝑃 = 𝑚𝑔ℎ

o พลงงานศกยสปรงขนอยกบระยะ

ย ด ห ร อ ห ด ข อ ง ส ป ร ง จ า ก

ต าแหนงสมดลของสปรง (x)

𝐸𝐸 = 12𝑘𝑥2

ℎ

𝑥ระดบอางอง

พลงงานศกย (Potential Energy)

พลงงานศกยเนองจากแรงโนมถวงขนอยกบความสงจากระดบอางอง (h)

ระดบอางอง

𝐸𝑃 > 0

𝐸𝑃 < 0

𝐸𝑃 = 0

มวล A ขนาด 10 กโลกรม อยสงจากพนโลก 1 เมตร กบ มวล B ขนาด 5 กโลกรมอยสงจากพนโลก 1.5 เมตร อตราสวนของพลงงานศกยของA ตอ B เปนเทา ไร

ตวอยาง

10 kg

1 เม

ตร

5 kg

1.5

เมตร

AB

สปรงตวหนงมความยาวปกต 1 เมตร และมคานจสปรง 100 นวตนตอเมตร ตอมาถกแรงกระท า แลวท าใหยดออกและมความยาวเปลยนเปน 1.2 เมตร จงหาพลงงานศกยยดหยนขณะทถกแรงนกระท ามคากจล

ตวอยาง

1 เมตร

1.2 เมตร

k = 100 นวตนตอ

Dx

ใหหางานทท าโดยพยาบาลทมมวล 50 กโลกรม ในการอมเดกทมมวล 4

กโลกรม ขนวางบนโตะทสง 0.5 เมตร ดงรปตวอยาง

พลงงานจลน (Kinetic Energy)

o พลงงานจลน คอ พลงงานทเกดจากการเคลอนทของวตถนน มหนวยเปน จล (J)

o พลงงานจลนของวตถมวล m อตราเรว v คอ 𝐸𝑘 = 12𝑚𝑣2

𝑑𝐸𝑘𝑓 = 1

2𝑚𝑣2𝐸𝑘𝑖 = 1

2𝑚𝑣0

2

∆𝐸𝑘=12𝑚𝑣2 − 1

2𝑚𝑣0

2

Initial Final

ลกมวล 0.5 กโลกรม เรมตนเคลอนทดวยความเรว 10 เมตรตอวนาท ตอมามแรงกระท าตอลกบอลในทศเดยวกบการเคลอนทจนมความเรวเปน 30 เมตรตอวนาท ปรมาณงานทท าใหลกบอลเปลยนความเรวจากแรงดงกลาวเปนเทาใด

ตวอยาง

𝑣0 = 10 𝑚/𝑠 𝑣 = 30 𝑚/𝑠

Initial Final

ใหพลงงานทจะท าใหรถทมมวล 1,000 กโลกรม จากหยดนงมความเรวเปน 30 เมตรตอวนาท สมมตวาไมมแรงเสยดทาน และการเคลอนทอยในแนวราบ

ตวอยาง

Initial Final

𝑣0 = 0 𝑣 = 30 𝑚/𝑠

เครองเรงอนภาคท าการเรงอนภาคแอลฟาตวหนงจนมพลงงานจลนเทากบ 3.72 x 10-15 จล เมอมวลของอนภาคแอลฟาคอ 6.64 ×

10−27 กโลกรม ความเรวของอนภาคแอลฟาเปนเทาใด

ตวอยาง

𝐸𝑘 = 3.72 × 10−15 𝐽

𝑚 = 6.64 × 10−27 𝑘𝑔

𝐻𝑒 +2

นกเบสบอลขวางบอลโดยการกาวไปขางหนาหนงกาว ดงรป ซงเปนการเพมระยะทางเพอใหลกบอลมความเรวมากทสดในขณะทหลดออกจากมอ ใหค านวณหาความเรวของลกบอลเมอหลดออกจากมอถาผขวางออกแรงโดยเฉลยแลว 200 นวตน เปนระยะทาง 2.5 เมตร และลกเบสบอลมมวล 0.5 กโลกรม

ตวอยาง

กฎการอนรกษพลงงาน

ในกรณทระบบเปนระบบปด นนคอไมมงานเนองจากแรงเกดขนเมอไมมงาน กไมมการถายเทพลงงานเขาหรอออกนอกระบบ แสดงวาพลงงานรวมของระบบจะไมมการเปลยนแปลง

∆𝐸 = 0

หรอ ถาเราเปรยบเทยบสภาวะของระบบทต าแหนง Initial กบ Final จะได

𝐸𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 = 𝐸𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙


ในกรณทระบบเปนระบบปด

∆𝐸 = 0 𝐸𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 = 𝐸𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙หรอ

น คอ กฎการอนรกษพลงงาน (Law of

Conservation of Energy) ซงบอกวา “พลงงานไมมการสญหาย หรอ สรางขนมาใหมได มนเพยงแตเปลยนรปจากพลงงานแบบหนงไปเปนอกแบบหนงเทานน”

เปลยนรปอยางไร ?


: ระบบปด (ไมมแรงตานอากาศ)





𝐸𝑃 𝐸𝑘

𝐸𝑃 𝐸𝑘

𝐸𝑃 𝐸𝑘


𝐸𝑃 𝐸𝑘

𝐸𝑃 𝐸𝑘

1

2

3

4

5


ค าวาระบบเปด คอ มการถายเทพลงงานเขาหรอออก ซงกหมายความวา มการไดงาน(หรอเสยงาน) เกดขนนนเองสงทตางกนออกไปกคอ พลงงานจะเปลยนแปลงโดยปรมาณทเปลยนไปกคอ งานทได(งานเปนบวก) หรอ เสยงานไป(งานเปนลบ) นนเอง“พลงงานไมมการสญหาย หรอ สรางขนมาใหมได มนเพยงแตเปลยนรปจากพลงงานแบบหนงไปเปนอกแบบหนงเทานน”

แลวถาระบบไมปด (ระบบเปด) จะเกดอะไรขน?

∆𝐸 = 𝑊

𝑊 = 𝐸𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝐸𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙

ใชไดทกกรณ นนคอถาไมมงานใดๆ

(w=0) พลงงานมคาคงท

หรอ


: ระบบเปด (มแรงตานอากาศ)





𝐸𝑃 𝐸𝑘

𝐸𝑃 𝐸𝑘

𝐸𝑃 𝐸𝑘


𝐸𝑃 𝐸𝑘

𝐸𝑃 𝐸𝑘

1

2

3

4

5

3. งานของแรง

ตานอากาศ

𝑊𝑎

𝑊𝑎

𝑊𝑎

𝑊𝑎

𝑊𝑎

ปลอยวตถมวล 3.0 กโลกรม จากทสง 2 เมตร ลงมากระทบกบสปรงซงมคาคงตวสปรง เทากบ 120 นวตนตอเมตร โดยไมเดง สปรงจะถกกดลงเปนระยะทางมากทสดกเมตร

ตวอยาง


2 m

3 kg

k=12

0 n

/m

วตถมวล 1.0 กโลกรม เคลอนทบนพนราบเกลยงดวยความเรว 2.0

เมตรตอวนาท วงเขาชนสปรงดงรป ปรากฏวาวตถหยดชวขณะเมอสปรงหดสนกวาเดม 0.05 เมตร

ตวอยาง

0.05 m

1

kg

v = 2 m/s1

kg

ก. พลงงานศกยของสปรง เมอหดสนสดเปนเทาใด ข. ณ. ต าแหนงทวตถหยดนนสปรงผลกวตถดวยแรงเทาใด

ยงลกปนมวล 10 กรม เขาไปในเนอไมดวยอตราเรว 300 เมตรตอวนาท ลกปนหยดนง หลงจากทเขาไปในเนอไมเปนระยะทาง 5 เซนตเมตร จงหาแรงเฉลยทลกปนกระทาตอแทงไมในหนวยนวตน

ตวอยาง

u = 300 m/s

5 cm

จากรป แผนเลอนทมมวล 20 กโลกรม อยบนเนนเขาเรมทจะเลอนลงเขา ถามวาจะเลอนไปไดเรวเทาไรเมอถงตนเขา ถาเขานสง 100 เมตร และเราไมค านงถงแรงเสยดทาน

ตวอยาง


𝐸𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙

𝐸𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙

100 เมตร

m = 20 กโลกรม

ถาแผนเลอนมความเรว 30 เมตรตอวนาท จากตนเขา ถามวามพลงงานความรอนเกดขนเทาไร เนองมาจากความเสยดทานในขณะทเคลอนทลง

ตวอยาง


𝐸𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙

𝐸𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙

100 เมตร


v = 30 เมตรตอวนาท

จากรปมวล m อยทต าแหนง A เรมไถลลงตามทางลาดลนดวยอตราเรวตน u อยากทราบวามวล m จะสามารถไถลขนไปตามทางเอยง BC ไดสงสดในแนวดงเทาไร

ตวอยาง


h

A

B

C

u

การบาน อนรกษพลงงาน (ครงท 4 วนท 22 ตลาคม 2556 )

3. พนกงานคนหนงเขนเตยงทมคนไขนอนอย ในแนวราบดวยแรง 100 นวตน โดยเรมจากหยดนงและเขนออกไปเปนระยะทาง 5 เมตร มแรงเสยดทานเกดขนระหวางลอกบพนผวแตไมทราบคา ความเรวสดทายมคาเปน 1 เมตรตอวนาท ใหมวลของเตยงเขนและคนไขรวมกนมคา 80 กโลกรมก) ใหหางานทเกดเนองจากการตานการเคลอนทของแรงเสยดทานข) ใหหาแรงเสยดทาน

ก าลง (Power)

ก าลง (Power) คอ อตราการท างาน หรองานทท าไดในหนงหนวยเวลา หนวย J/s (จลตอวนาท) หรอ W (วตต)

𝑃 = 𝑑𝑊𝑑𝑡 𝑑𝑊 = 𝐹 ∙ 𝑑 𝑟เนองจาก

𝑃 = 𝐹 ∙ 𝑑 𝑟𝑑𝑡 𝑣 =

𝑑 𝑟

𝑑𝑡และ

𝑃 = 𝐹 ∙ 𝑣

1 ก าลงมา (horsepower : hp) = 746 วตต


ใหคนปกต และคนไข วงขนบนได แลวจบเวลาเปรยบเทยบกน

ก าลงมนษย =น าหนก (N) x ความสงของหองคนไข (m)

เวลาทงหมด (s)

o จะเหนไดวา คนปกตจะใชเวลานอยกวา แสดงวา ไดก าลงงานสงกวา

“Ergometer” เปนเครองวดก าลงงานของคน ประกอบไปดวยลอจกรยานทจอดนงอยกบท และตอกบไดนาโมหรอสเกล

“Ergon” คอ งาน และ “Metron” คอ การวต


ก าลง (Power : P) =ปรมาณของานทท า หรอ ใช (Work : W)

หนงหนวยเวลา (Time : t)

o หนวยของก าลงคอ จลตอวนาท (Joule/second :

J/s) ซงมชอเฉพาะวา วตต (Watt : W)

ก าลง (Power) คอ ปรมาณของานทท า(หรอใช) ตอหนงหนวยเวลา หรอ อตราการใชพลงงาน

อกหนวยหนงทยงใชกนอยางแพรหลาย คอ ก าลงมา (Horse Power : hp) หรอ

แรงมา สามารถเขยนในหนวย SI ไดดงน 1 hp คอ 746 W

เจมส วตต วศวกรและนกประดษฐ ชาวสกอตแลนด ผปรบปรงเครองจกรไอน า

12 แรงมา


𝑃 = 𝑑𝑊𝑑𝑡

400 แรงมา

รถคนไหนจะถงเสนชยกอนกน?

o เนองจากก าลงขนอยกบทงปรมาณงาน(W) และ เวลา(t) ดงนนวตถทมก าลงมากจะท างานไดมากกวาวตถทมก าลงนอยในเวลาทเทากน

ก. ใหค านวณหาก าลงทใชในการเดนขนบนใดทสง 2 เมตร ในเวลา 7วนาท โดยทมวลของชายคนดงกลาว 60 กโลกรม

ข. ในกรณเดยวกน แตชายคนดงกลาววงขนบนไดในเวลา 2 วนาท

ตวอยาง


2 เมตร


การเดนขนบนใดทสง 2 เมตร ในเวลา 7

วนาทแตชายคนดงกลาววงขนบนไดในเวลา 2

วนาท

ประสทธภาพการท างาน

o พลงงานจ านวนมากมกจะสญเสยไปเมอมการท างานo ค าวา “สญเสย” ไมไดหมายความวาพลงงานสญหาย แตหมายความวา

พลงงานไดเปลยนรปไปเปนอกรปหนงทเราไมตองการo หลอดไฟเปลยนพลงงานไฟฟาสวนใหญใหเปนพลงงานความรอน แทนทจะเปน

แสงo เครองยนตเปลยนพลงงานเคมทสะสมเปนพลงงานความรอนเปนสวนมากแทนท

จะเปนพลงงานทใชในการขบเคลอนทเปนประโยชน


ประสทธภาพ (Efficiency) คอ ปรมาณทใชบงบอกถงความสามารถในการน าพลงงานทใหกบอปกรณหนงๆ ไปใชท างานทเปนประโยชน

𝐸𝑓𝑓 =𝑊𝑜𝑢𝑡

𝐸𝑖𝑛Eff ไมมหนวย !!!

𝐸𝑓𝑓(%) =𝑊𝑜𝑢𝑡

𝐸𝑖𝑛× 100

หรอในกรณทงานทไดอยในรปของพลงงานเรากค านวณไดโดย

𝐸𝑓𝑓 =𝐸𝑜𝑢𝑡

𝐸𝑖𝑛

1

2

3


หรอถาเราพจารณาภายในชวงเวลา t หนงๆ เราอาจค านวณโดย

𝐸𝑓𝑓 = 𝑊𝑜𝑢𝑡 𝑡

𝐸𝑖𝑛 𝑡=

𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛

𝐸𝑓𝑓(%) =𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛× 100

1

2


จะเหนไดวาประสทธภาพของการท างานของทกอยางมคาไมมาก(ไมเกน 50%)

ประสทธภาพ(%) การท างานของรางกายและเครองกล

รางกายขณะขจกรยาน 20

รางกายขณะวายน า 2

รางกายขณะขดดน 3

เครองจกรไอน า 17

เครองยนต 38

โรงไฟฟาพลงงานนวเคลยร 35

โรงไฟฟาถานหน 42

ตวอยาง ในการเดนขนบนไดประสทธภาพการท างานของรางกายมนษยคอ 20%

จากตวอยางทก) พลงงานทชายคนนตองการในการเดนขนบนไดมคาเปนเทาไรข) พลงงานความรอนทเกดจากการเดนขนบนไดมคาเทาไรค) อตราการผลตพลงงานความรอนในหนวยวตต ในขณะเดนขนบนไดมคา

เทาไรง) อตราการผลตพลงงานความรอนในหนวยวตต ในขณะวงขนบนไดมคา

เปนเทาไร


2 เมตร

m = 60 กโลกรม • การเดนขนบนใดทสง 2 เมตร ในเวลา 7 วนาท• แตชายคนดงกลาววงขนบนไดในเวลา 2 วนาท

𝐸𝑓𝑓 = 35%

𝐸𝑖𝑛 =?

𝑊𝑜𝑢𝑡 = 1,000 𝑀𝑊

ตวอยาง โรงไฟฟาพลงงานนวเคลยรทมประสทธภาพการท างาน 35% ผลตพลงงานไฟฟา 1,000 MW ใหหาอตราการผลตของเสยในรปของพลงงานความรอนในหนวย MW

• ปรมาณพลงงานความรอนทไดมาจากโรงไฟฟาพลงงานนวเคลยรหรอโรงไฟฟาธรรมดามคาสงมาก

ประสทธภาพการท างานของมนษย

o อตราเมตาโบลก (Metabolic Rate) คอ ปรมาณทใชบงบอกถงความสามารถของรางการในการเปลยนแปลงพลงงานทซอนอยในอาหารใหกลายไปเปนพลงงานทรางกายสามารถน าไปใชได

o ในรางการของมนษยขณะอยนงกตองการพลงงานคาหนงเพอใหระบบตางๆภายในรางกายสามารถด าเนนไ ป ไ ด ค า ข อ ง พ ล ง ง า น น เ ร ย ก ว า Basal

Metabolic Rate (BMR)


ตารางแสดงสดสวนเฉลยของ BMR ในอวยวะตางๆ

(ในชายน าหนก 65 kg ทอยเฉยๆ)

อวยวะ เปอรเซนตของ BMR

ตบและมาม 27

สมอง 19

กลามเนอและกระดก 18

ไต 10

หวใจ 7

อนๆ 19


o คาของ BMR ในแตละคนจะมคาสงต าแตกตางกนไป สวนหนงนนขนอยกบการท างานของตอมไทรอยด

o ในกรณทตอมไทรอยดมระดบการท างานสงกวาปกตจะสงผลใหคา BMR มคาสง

o BMR ยงขนอยกบมวลรางกายแตละคนดวย ผ ทมวลมากจะมคา BMR สงซงสาเหตสวนหนงนนเนองมาจากรางกายตองการพลงงานความรอนเอน ามาใชในการควบคมอณหภมของรางกายมากเพราะอวยวะของผ มมวลมากยอมมขนาดใหญตามไปดวย


Harris-Benedict equation วธการประมาณคา BMR ทมความแมนย าสงวธหนง o ผใหญ เพศชาย

BMR = 66 + (13.75 x w) + (5.0 x h) –

(6.76 x a)o ผใหญ เพศหญง

BMR = 65 + (9.56 x w) + (1.85 x h) –

(4.68 x a)โดย

• w คอ น าหนกในหนวยกโลกรม • h คอ ความสงในหนวยเซนตเมตร • a คออายในหนวยป

BMR ในหนวย kcal แสดง คาพลงงาน(นอยทสด) ทตองการตอหนงวน(24h)

เพอความอยรอด(ค านวณเสมอนวารางกายพกผอนหรอนอนทงวน)

ค านวณ BMR ของเพศหญงตามขอมลตอไปน เมอ ความสง 155 cm, น าหนก 45 kg และ 20 ป

ตวอยาง

9.56 x 45

เพราะฉะนน รางกายตองการพลงงานมากกวาน

ขนอยกบกจกรรมทท า

o ผใหญ เพศหญง

BMR = 65 + (9.56 x w) + (1.85 x h) – (4.68 x a)

o BMR = 65 + (9.56 x 45) + (1.85 x 155) –

(4.68 x 20)

การบานประสทธภาพการท างานของมนษย

(ครงท 5 วนท 28 ตลาคม 2556 )

1. ค านวณ BMR ของของตวเราเอง คณพอ และ คณแม• ชอ : (นกศกษา)• เมอ ความสง cm, น าหนก kg และ

ป • คณพอ

เมอ ความสง cm, น าหนก kg และ ป

• คณแมเมอ ความสง cm, น าหนก kg และ

ป

พลงงานรปอนๆ พลงงานเคมในอาหาร

o พลงงานตามธรรมชาตสวนใหญจะถกเกบไวในรปของพลงงานเคม เชนในรปของอาหารหรออยในรปของเชอเพลง

o กระบวนการออกซเดชน(Oxidation) เปลยนพลงงานเคมเปนพลงงานความรอนออกมาท าใหรางกายอบอน และ ใชในการท ากจกรรมตางๆ

• GlucoseC6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 686 kcal/mole

พลงงานทไดจากกลโคส 686 kcal/mole (2870 kJ/mole)


o พลงงานทมอยในอาหารเราใชหนวย กโลแคลอร(kilocalories, kcal)

1 kcal เทากบ 4.182 kJ ในหนวย SI

o ถารบประทานอาหารมากกวาความตองการของรางกายจะเปลยนสวนท เหลอใหเปนไขมน

o พลงงานเคมในไขมนนนจะถกน ามาใชกตอเมอรางกายอยในชวงของการขาดอาหาร


ตารางจ านวนกโลแคลอรตอกรม(kcal/g) ของอาหารและเชอเพลง

สารอาหาร (คาโดยเฉลย)

ไขมน 9.30 คารโบไฮเดรด 4.10 โปรตน 4.10

อาหารทวไป

นม 0.64 องน 0.69 เนย 7.20

กาแฟด า 0.008 แอปเปล 0.58 ไข 1.63

โคก 0.36 ถว 0.71 ไกอบ 1.60

ชอคโกแลต 5.28 ขาวขาวสก 1.00 น าตาล 4.00

สม 0.49 ไอศกรมชอคฯ 2.22 บกแมค 2.89

เชอเพลง

ไม (เฉลย) 4.00 เมทานอล 5.20 กาซธรรมชาต 13.0

ถานหน 8.00 น ามนรถ 11.4

o น าาอดลม 1 แกว ม 78 cal

o เบยร 1 แกว ม 98 cal

o บรนด 30 c.c. ม 73 cal

o วสก45 c.c. ม 105 cal


o ไชไก 1 ฟอง ม 72 cal

o ปลาท 100 g ม 53 cal

o เนอหม 100 g ม 144 cal

o เนอวว 100 g ม 96 cal

o กงสด 100 g ม 77 cal

o หอยสด 100 g ม 56 cal

o หอยแมลงภแหง 100 g ม 275 cal

o ตบหม 100 g ม 124 cal



o ผก 100 g ม 30 cal

o ผลไม 100 g ม 50 cal

o น าผง 100 g ม 249 cal

o นมสด 1 ถวย ม 170 cal

o น าตาล 1 ชอนโตะ ม 40 cal

o ไอศครม 1 ถวย ม 269 cal

o แยม 1 ชอนโตะ ม 54 cal

o น ากะท 1 ถวย ม 605 cal

o ขาว 100 g ม 368 cal

o น าามน 1 ชอนโตะ ม 135 cal

o นอน 1.2, 83

o ขจกรยาน (13-18 km/hr) 5.7,

400

o นงพกผอน 1.7, 120

o ขณะหนาวสน 6.1, 425

o ยนตามสบาย 1.8, 125

o เลนเทนนส 6.3, 440

o นงในหองเรยน 3.0, 210

o วายน า 6.8, 475

o เดนธรรมดา (4.8 km/hr) 3.8, 265

o เลนบาสเกตบอล 11.4, 800

พลงงาน

รปอนๆ พลงงาน

เคมในอาหาร

อตราการใชพลงงานส าหรบกจกรรมประเภทตางๆ (kcal/min, W)

การบานพลงงานรปอนๆ พลงงานเคมในอาหาร

(ครงท 5 วนท 28 ตลาคม 2556 )

2. โดยปกตมนษยเราตองการอาหารเฉลยวนละประมาณ 3000 kcal แตชายคนหนงรบประทานอาหารไปวนละ 4000 kcal เขาจงมน าาหนกเพมขนอยางตอเนอง ถาเขาจะขจกรยานเพอลดน าหนกตอวน เขาจะตองขจกรยานนานวนละเทาใดเพอก าจดสวนทเกนมา 1000 kcal ถาเขาขจกรยานดวยความเรวปานกลางเขาจะใชพลงงาน 5.7 kcal/min

พลงงานในรปอนๆ – พลงงานไฟฟา

o เราสามารถเกบพลงงานในรปของพลงงานไฟฟาไดเชนกน

o ตวคาปาซเตอร (Capacitor) ถกใชเกบพลงงานไฟฟาเพอใชในเครองมออยาง เชน เครองปมหวใจ(Heart Defibrillators)

o พลง ง าน ไฟ ฟ า ท เ ก บ ไ ว จ ะถกน า มา ใ ช ก า เ น ดกระแสไฟฟาผานสหวใจของคนไขเพอหยด อาการเตนผดปกตของหวใจและท าใหหวใจกลบมาท างานเปนปกต

พลงงานในรปอนๆ – พลงงานไฟฟา

o แสง(Light) เปนคลนแมเหลกไฟฟาเคลอนทไดเรวมากถงแมวาแสงจะเคลอนท แตพลงงานของมนไมใชพลงงานจลนตามนยามไว เนองจากแสงไมมมวล ดงนน ½ mv2 ส าหรบแสงจงมคาเปนศนย

N-type

P-typeขวไฟฟา e- e-

ความสมพนธระหวางมวลและพลงงาน

𝐸 = 𝑚𝑐2

เมอ

o E คอ ปรมาณพลงงานทสามารถไดมาจากการเปลยนมวล m เปนพลงงาน

o C คอ ความเรวของแสง 3 x 108 m/s

𝑆𝑅

𝐺𝑅

ความสมพนธระหวางมวลและพลงงาน

o โรงงานไฟฟาพลงงานนวเคลยรทเปลยนมวลของยเรเนยมใหเปนพลงงานความรอนซงสามารถน าไปเปลยนเปนพลงงานตางๆ ไดรวมทงพลงงานไฟฟาดวย

o อาวธสงครามนวเคลยรเปลยนมวลใหเปนพลงงานในรปแบบของการระเบด เชน ทระเบดในเมองฮโรชมา ประเทศญป น ในสงครามโลกครงท 2

ตวอยาง ใหค านวณหาพลงงานทไดจากการเปลยนมวล 1 g ใหเปนพลงงาน และใหเปรยบเทยบกบพลงงานทไดจากการรบประทานอาหารโดยเฉลย 3,000 kcal ตอวน

จากสมการของมวลและพลงงาน คอ 𝐸 = 𝑚𝑐2

ดงนน 𝑬 = 𝒎𝒄𝟐 = 𝟏. 𝟎 × 𝟏𝟎−𝟑𝒌𝒈 𝟑. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟖 𝒎 𝒔𝟐 𝟐

= 𝟗. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟑 𝑱

เปลยนใหเปน kcal 𝟗. 𝟎 × 𝟏𝟎𝟏𝟑 𝑱 𝟏 𝒌𝒄𝒂𝒍 𝟒𝟏𝟖𝟔 𝑱 = 𝟐. 𝟏𝟓 × 𝟏𝟎𝟏𝟎 𝒌𝒄𝒂𝒍

เมอเทยบอตราสวน

𝟐. 𝟏𝟓 × 𝟏𝟎𝟏𝟎 𝒌𝒄𝒂 𝟑𝟎𝟎𝟎 𝒌𝒄𝒂𝒍 = 𝟕. 𝟐 × 𝟏𝟎𝟔

เราจะเหนไดวาพลงงานทไดนมคามากๆ

เมอเทยบกบพลงงานโดยเฉลยทเราไดแตละวน

หลกของเครองกล และประสทธภาพของเครองกล

เครองกล (Machine) คอ เครองมอทชวยผอนแรง หรออ านวยความสะดวกเฉยๆ

แรงพยายาม (Effect)

แรงตานทาน (Resistance)

แรงทใหแกเครองกล

น าหนกทถกยก

หลกของเครองกล

งานทใหแกเครองกล = งานทใชในการเอาชนะแรงตานทาน + งานทเอาชนะแรงเสยดทาน

แรงทเกยวของ

การไดเปรยบเชงกล M.A.

คอ อตราการผอนแรง เปนอตราสวนระหวางแรงตานทาน W กบแรงพยายาม P ไมมหนวย

. . P

W

DWM A

P D

PD ระยะทางของแรงพยายามถงจดหมน

WD ระยะทางของแรงตานทานถงจดหมน

. . 1M A ไดเปรยบเชงกล

. . 1M A ไมผอนแรง แตอ านวยความสะดวก

. . 1M A เสยเปรยบเชงกล

ตวอยางการไดเปรยบเชงกล

การเปรยบเทยบการไดเปรยบเชงกลของวธการยกของแบบยอตวลงกบกมหลง o M.A.=40/60

ออกแรง 600 N ยกของได 40 kg

o M.A.=10/50ออกแรง 500 N ยกของได 10 kg

หลกส าคญของเครองกล

งานทใหแกเครองกล = งานทไดรบเครองกล

(การอนรกษพลงงาน)

0xF

0yF

สมดลของโมเมนต

0AM สมดลของแรง

เครองกลอยางงาย (คาน)

• คาน (Levers) เปนเครองกลทมลกษณะการท างานโดยอาศยหลกของโมเมนต คานประกอบดวยจดหมน แรงพยายาม และน าหนกบรรทก คานม 3 ชนด

1. คานอนดบทหนง จดหมนอยระหวางน าหนกบรรทกและแรงพยายาม

อาจไดเปรยบหรอเสยเปรยบเชงกลได

คาน (Levers)

2. คานอนดบทสอง น าหนกบรรทกอยระหวางจดหมนกบแรงพยายาม

3. คานอบดบทสาม แรงพยายามอยระหวางน าหนกบรรทกกบจดหมน

Dp > Dw ไดเปรยบเชงกล

Dp < Dw เสยเปรยบเชงกล

การประยกตใชเรองคานกบการพยาบาล

คานอบดบหนงกบการพยาบาล1. เครองยกกระดก (Bone elevator)

2. กรรไกร (Scissors) ความยาวของดามมความส าคญมาก ถาดามยาวจะใหแรงในการตดมาก โดยออกแรงนอยๆ

คานอนดบหนงกบรางกายมนษย

1. หวกะโหลกทอยบนจดหมน

2. เทาทเหยยบคนเรง


คานอบดบสองกบการพยาบาล ไดเปรยบเชงกล ผอนแรง

1. รถเขนผปวย

2. รถเขนถงออกซเจน

คานอนดบสองกบรางกายมนษย

1. การยนดวยปลายเทา

โคนนวเทาเปนจดหมน น าหนกคนเปนน าหนกบรรทก และกลามเนอนองเปนแรงพยายาม

จากรป คา DP=8 นว DW=6 นว ถาออกแรง 1 N

ถานองออกแรง 25 N จะยกน าหนกได 25x4/3=100/3

ถานองทงสองขางจะยกน าหนกได 200/3 หรอ 66(2/3) N

P

W

DW

P D w=4/3


คานอบดบสามกบการพยาบาล เสยเปรยบ1. มดผาตด (Surgical knives)

2. คม (Forceps)

คานอนดบสามกบรางกายมนษย

1. คนงอศอกหงายมอยกน าหนก

2. ขากรรไกร

รอก Pulleys

เปนเครองกลชนดหนงทมประโยชนมากในการพยาบาลผ ปวยดานกายภาพบ าบด จะใชรอกตดตามสวนทตองการออกก าลงใหกบสวนทบาดเจบ

ก. รอกเดยว (Single pulley)

- รอกเดยวตายตว (Fixed pulleys)

0M

. .p wP D W D

. . 1P

W

DWM A

P D

ไมชวยผอนแรง

รอก Pulleys

- รอกเดยวเคลอนท (Movable pulley) 0yF

T P W

2P W

2

WP

พยงอวยวะสวนทบาดเจบ

. . 2W

M AP

รอก Pulleys

ข. รอกพวง (Combination of pulleys)

เมอรอกทกตวไมมแรงเสยดทาน ความตงเชอกทกตอนเทากน

WP

n

n คอ จ านวนเสนเชอกทดงน าหนกขน

พนเอยง (Inclined plane)

. .P L W h

. .W L

M AP h

input output

เปนเครองกลผอนแรง ส าหรบเคลอนวตถขนทสงโดยสามารถพกเปนระยะ โดยทออกแรงนอยกวาทจะยกขนตรงๆ

ลอและเพลา (Wheel and Axle)

. .W R

M AP r

. .P R W r

input output

เปนเครองกลทน ามาใชในเรอนกายภาพบ าบดส าหรบผ ปวยทตองการออกก าลงทอนแขนและขาใหบรรเทา

ลม (Wedge)

เปนระนาบเอยงทเคลอนทได

input output

. .P H W b

. .W H

M AP b

สกร (Screw)

ผอนแรงไดมาก ใชหลกของพนเอยง

1. ใชกบเตยง Fowler’s เพอยกหวเตยงใหสงหรอต าลง

2. หนบสายยาง เพอปรบอตราการไหลของน าเกลอหรอสารอาหารประโยชน :

2. .

W RM A

P pitch

.2 .P R W pitch

แรงทตานการเคลอนทของวตถ การเอาชนะแรงเสยดทาน เราตองใสตวหลอลนระหวางผวทสมผสกน

1. การหลอลนตามสวนตางๆของรางกาย

- Serous fluid อยระหวางเยอหมปอดทงสองชน ปองกนแรงเสยดทานระหวางการหายใจ

- Saliva ใชหลอลนอาหารกอนกลน

- Sebum เปนสารหลอลนทผวหนงผลต

แรงเสยดทาน Force of friction

แรงเสยดทาน Force of friction

2. การหลอลนเครองมอ

- K-Y Jbelly หลอลนเครองมอ bronchoscope หรอ speculum

3. ขอตอ

- Synuvial หลอลนระหวางกระดก

4. ขอตอสะโพกเทยม

- Vinertia แทนหวกระดกเดม และวางตวอยในซอกเกตไนลอน

ตวอยางจากรปออกแรงดงเชอกดวยแรง T = 20 นวตน ขนไปเชอกจะเคลอนทไปดวยความเรงเทาใด (ก าหนดใหรอกมมวล 0.5 kg และไมมความฝด)

1.5 kg

T = 20 นวตน

1.5 kg

บทที่ 4 งาน พลังงาน ...

Education