พลังงานแม่เหล็ก

พลังงานแม่เหล็ก (อังกฤษ: Magnetic Energy) เป็นพลังงานที่เกิดขึ้นในสนามแม่เหล็กหรือเกิดจากสนามแม่เหล็ก เช่นพลังงานที่เกิดขึ้นบนเหล็กที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก ถูกแรงแม่เหล็กดูดและผลักใหวางตัวอยู่ในสนามแม่เหล็กนั้น ตามสมการของแมกซ์เวลล์ พลังงานศักย์ของแม่เหล็ก (E) ของโมเมนท์แม่เหล็ก m ในสนามแม่เหล็ก B เท่ากับ งานของแรงแม่เหล็ก(แรงบิดของแม่เหล็ก) ในการเรียงตัวในทิศทางสนามแม่เหล็กนั้น (พลังงานงานเท่ากับมวลคูณระยะทาง)

ในขณะที่ พลังงานที่ถูกเก็บอยู่ในคอยล์ (มีค่าเท่ากับ inductant L) เมื่อมีการะแสไฟฟ้า I ไหล เท่ากับ

.

สมการหลังเป็นพื้นฐานของพลังงานที่ถูกเก็บอยู่ในแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด

ชนิดของพลังงาน

พลังงานแม่เหล็กถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวาง เพราะทำให้เกิดพลังงานดังต่อไปนี้

• พลังงานกล เช่นเอาไปยกชิ้นส่วนที่เป็นเหล็กในโรงประกอบรถยนต์หรือเรือ โรงตัดเหล็ก ขึ้นรูปเหล็ก โรงถลุงเหล็กจากขยะรถยนต์ โรงแยกเหล็กออกจากขยะ
• พลังงานความร้อน เช่นเอาไปทำเตาแม่เหล็ก หรือทำเครื่องเชื่อม
• พลังงานเสียง เช่นเอาไปทำไมโครโฟนหรือลำโพง
• พลังงานไฟฟ้า เช่นเอาไปผลิตกระแสไฟฟ้า ทำมอเตอร์/ไดนาโม เครื่องผลิตพลังงานแม่เหล็ก (Magnetic energy generator) มีผู้ผลิตใช้งานในบ้าน อ้างว่าไม่ต้องเสียเงินซื้อไฟจากโรงไฟฟ้าเลย
• พลังงานกระจาย เช่นทำเรดาห์ คลื่นวิทยุ เดรื่องสแกนแม่เหล็ก MRI
• พลังงานแม่เหล็กเพื่อการบำบัด เช่นใส่ไว้ในเครื่องประดับ เข็มขัด ผ้าห่ม หรือถุงเท่า เชื่อกันว่า อำนาจแม่เหล็กเมื่อแผ่กระจายเข้าไปในร่างกาย มันจะทำให้การไหลเวียนของพลังงานในเซลล์และเนื้อเยื่อต่างๆดีขึ้น
• พลังงานแม่เหล็กสีเขียว ช่วยในการผลิตไฟฟ้าพลังงานลม โดยใช้พลังงานจากแม่เหล็กที่ทำจากสารนีโอเดเมียม ซึ่งเป็นธาตุหายากแต่เป็นแม่เหล็กถาวรพลังงานสูง ลักษณะของการนำไปใช้คือทำเป็น air bearing ให้กับกังหันลม แกนกังหันลมจะไม่ต้องสัมผัสกับอะไรเลย ลอยอยู่ในสนามแม่เหล็ก ทำให้ลอแรงเสียดทาน และเพิ่มอายุของกังหันลมด้วย

พลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear Power or Nuclear Energy)

พลังงานนิวเคลียร์

พลังงานนิวเคลียร์ (อังกฤษ: Nuclear Power or Nuclear Energy) เป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่ได้จากการคายความร้อนในปฏิกิริยานิวเคลียร์ เพื่อประโยขน์ในการสร้างความร้อนและผลิตไฟฟ้า. นิวเคลียร์ เป็นคำคุณศัพท์ของคำว่า นิวเคลียส ซึ่งเป็นแก่นกลางของอะตอมธาตุ ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งยึดกันได้ด้วยแรงของอนุภาคไพออน
พลังงานนิวเคลียร์ หมายถึง พลังงานไม่ว่าลักษณะใดๆก็ตาม ซึ่งเกิดจากนิวเคลียสอะตอมโดย
พลังงานนิวเคลียร์แบบฟิซชั่น (Fission) ซึ่งเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียม พลูโทเนียม เมื่อถูกชนด้วยนิวตรอนหรือโฟตอน
พลังงานนิวเคลียร์แบบฟิวชั่น (Fusion) เกิดจากการรวมตัวของนิวเคลียสธาตุเบา เช่น ไฮโดรเจน
พลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี (อังกฤษ: Nuclear Decay) ซึ่งให้รังสีต่างๆ ออกมา เช่น อัลฟา เบตา แกมมา และนิวตรอน เป็นต้น
พลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดจากการเร่งอนุภาคที่มีประจุโดยเครื่องเร่งอนุภาค เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน ดิวทีรอน และอัลฟา เป็นต้น
พลังงานนิวเคลียร์ บางครั้งใช้แทนกันกับคำว่า พลังงานปรมาณู นอกจากนี้พลังงานนิวเคลียร์ยังครอบคลุมไปถึงพลังงานรังสีเอกซ์ด้วย (พ.ร.บ. พลังงานเพื่อสันติ ฉบับที่ 2 พ.ศ. 2508) พลังงานนิวเคลียร์ สามารถปลดปล่อยออกมาเป็นพลังงานหลายรูปแบบ เช่น พลังงานความร้อน รังสีแกมมา อนุภาคเบต้า อนุภาคอัลฟา อนุภาคนิวตรอน เป็นต้น
ปัจจุบัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ขององค์ประกอบใน actinide series  ของตารางธาตุได้ผลิตพลังงานนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ในการให้บริการโดยตรงแก่มนุษย์, กับกระบวนการสลายตัวของ นิวเคลียร์ส่วนใหญ่ในรูปแบบของพลังงานความร้อนใต้พิภพและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โม ไอโซโทป, สำหรับการนำไปใช้เฉพาะอย่างจะใช้ประโยชน์จากปฏิกิริยาที่เหลือ. โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ (ฟิชชัน), ไม่รวมการใช้งานในกองทัพเรือ, ให้พลังงานประมาณ 5.7% ของพลังงาน ของโลกและ 13% ของกระแสไฟฟ้าของโลกในปี 2012. ในปี 2013, หน่วยงานพลังงานปรมาณูนานาชาติ (อังกฤษ: International Atomic Energy Agency (IAEA)) รายงานว่ามี 437 เครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์กำลังใช้งานอยู่ ใน 31 ประเทศแม้ว่าจะมีบางเครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่ได้ทำการผลิตไฟฟ้าอีกแล้ว. นอกจากนี้ยังมีเรือประมาณ 140 ลำที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการขับเคลื่อนโดยเครื่องปฏิกรณ์ราว 180 เครื่อง.. ขณะที่ในปี 2013, การได้รับพลังงานสุทธิจากเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่ยั่งยืน, ไม่รวมแหล่งพลังงานฟิวชั่นตามธรรมชาติเช่นจากดวงอาทิตย์, ยังคงเป็นพื้นที่ต่อเนื่องของการวิจัยด้านฟิสิกส์และวิศวกรรมระหว่างประเทศ. กว่า 60 ปีหลังจากความพยายามครั้งแรก, การผลิตพลังงานฟิวชั่นในเชิงพาณิชย์ยังคงไม่น่าจะเกิดขึ้นก่อนปี 2050
มีการอภิปรายอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์  ฝ่ายเสนอ เช่น สมาคมนิวเคลียร์โลก (อังกฤษ: World Nuclear Association), IAEA และ นักสิ่งแวดล้อมพลังงานนิวเคลียร์ ยืนยันว่า พลังงานนิวเคลียร์มีความปลอดภัย, เป็นแหล่งพลังงานยั่งยืนที่ช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนฝ่ายค้าน เช่น กลุ่มกรีนพีซสากล และ หน่วยบริการข้อมูลทรัพยากรและนิวเคลียร์ (อังกฤษ: Nuclear Information and Resource Service (NIRS)), ยืนยันว่า พลังงานนิวเคลียร์สร้างภัยคุกคามจำนวนมากต่อมนุษย์และสิ่งแวดล้อม
นับถึงปี 2012, ตามข้อมูลของ IAEA, ทั่วโลกมี 68 เครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์ในงานของพลเรือนอยู่ระหว่างการก่อสร้างใน 15 ประเทศ ประมาณ 28 แห่งในจำนวนนั้นอยู่ในสาธารณรัฐประชาชนจีน (PRC), ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ล่าสุด, ซึ่งจะเชื่อมต่อเข้ากับกริด (ไฟฟ้า)ในเดือนพฤษภาคม 2013, ในวันที่ 17 กุมภาพันธ์ ปี 2013 ได้เดนเครื่องในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Hongyanhe ในประเทศสาธารณรัฐประชาชนจีน. ในสหรัฐอเมริกาเครื่องปฏิกรณ์ Generation III ตัวใหม่สองเครื่องอยู่ระหว่างการก่อสร้างใน Vogtle. เจ้าหน้าที่อุตสาหกรรมนิวเคลียร์สหรัฐอเมริกาคาดหวังว่า เครื่องปฏิกรณ์ใหม่ 5 เครื่องจะนำมาให้บริการในปี 2020, ทุกเครื่องในโรงไฟฟ้าที่มีอยู่เดิม. ในปี 2013, เครื่องปฏิกรณ์เก่าและไม่มีประสิทธิภาพในการแข่งขันสี่เครื่องจะถูกปิดอย่างถาวร
ภัยพิบัตินิวเคลียร์ที่ Fukushima Daiichi ที่ญี่ปุ่นในปี 2011, ที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ที่ออกแบบมาจาก Generation II ปี 1960 ตัวหนึ่ง, ย้ำเตือนให้ทำการตรวจสอบใหม่ในความปลอดภัยของนิวเคลียร์และนโยบายพลังงานนิวเคลียร์ในหลายประเทศ. เยอรมนีตัดสินใจที่จะปิดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั้งหมดของประเทศภายในปี 2022 และอิตาลีได้สั่งห้ามสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ หลัง Fukushima, ในปี 2011 สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศได้ลดการประมาณการเพิ่มกำลังการผลิตไฟฟ้านิวเคลียร์ที่จะสร้างขึ้นจนถึงปี 2035 ลงครึ่งหนึ่ง
 

พลังงานความร้อน

พลังงานความร้อน หรือ พลังงานอุณหภาพ (อังกฤษ: thermal energy) เป็น รูปแบบหนึ่งของพลังงาน มนุษย์เราได้พลังงานความร้อนมาจากหลายแห่งด้วยกัน เช่น จากดวงอาทิตย์, พลังงานในของเหลวร้อนใต้พื้นพิภพ , การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง, พลังงานไฟฟ้า, พลังงานนิวเคลียร์, พลังงานน้ำในหม้อต้มน้ำ, พลังงานเปลวไฟ ผลของความร้อนทำให้สารเกิดการเปลี่ยนแปลง เช่น อุณหภูมิสูงขึ้น หรือมีการเปลี่ยนสถานะไป และนอกจากนี้แล้ว พลังงานความร้อน ยังสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีได้อีกด้วย

หน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน คือ แคลอรี โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า แคลอรีมิเตอร์

พลังงานเคมี

    กระบวนการชีวเคมีที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิต ได้แก่ การหายใจ การสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการดังกล่าวส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับการสลายหรือสร้างพันธะเคมี ที่เป็นแรงยึดเหนี่ยวภายในโมเลกุลของสาร

 

              พันธะเคมี (chemical bond) เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลของสาร

              พลังงานพันธะ (bond energy) เป็นพลังงานที่ใช้เพื่อสลายพันธะเคมีในโมเลกุลของสารให้แตกแยกออกเป็นอะตอม เช่น การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า เป็นต้น

              พลังงานเคมี (chemical energy) เป็นพลังงานที่เซลล์นำมาใช้ในการทำกิจกรรมต่าง ๆ และเกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี กล่าวคือ ทุกครั้งที่เกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นจะต้องมีการแลกเปลี่ยนพลังงาน อาจมีการใช้พลังงานมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับแต่ละปฏิกิริยา ทำให้สามารถแบ่งชนิดของปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ได้เป็น 2 ประเภท คือ ปฏิกิริยาดูดพลังงานและปฏิกิริยาคายพลังงาน

 

              1) ปฏิกิริยาดูดพลังงาน (endergonic reaction) เป็นปฏิกิริยาเคมีที่เมื่อเกิดขึ้นจะมีการดูดพลังงานจากภายนอกไปใช้เพื่อเปลี่ยนแปลงสารตั้งต้นในปฏิกิริยาให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ จึงทำให้พลังงานของผลิตภัณฑ์มีค่าสูงกว่าพลังงานของสารตั้งต้น เช่น การดูดพลังงานเพื่อสร้างกลูโคส

 

 

 

 

จากรูปสรุปได้ว่า

              1. พลังงานของสารผลิตภัณฑ์มีค่าสูงกว่าพลังงานของสารตั้งต้น จึงเป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน

              2. ในปฏิกิริยาดูดพลังงานนั้น ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีพลังงานกระตุ้นอยู่ตลอดเวลา จนกระทั่งปฏิกิริยาสิ้นสุดลง กล่าวคือ พลังงานกระตุ้นเป็นพลังงานทั้งหมดที่ถูกใช้ในการทำให้เกิดปฏิกิริยา

 

              2) ปฏิกิริยาคายพลังงาน (exergonic reaction) เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแล้วจะมีการปล่อยพลังงานออกมา ทำให้พลังงานของสารตั้งต้นมีค่าสูงกว่าพลังงานของสารผลิตภัณฑ์ เช่น การหายใจระดับเซลล์

 

 

 

 

ข้อควรทราบ

          1) ปฏิกิริยาแบบคายพลังงานจะเกิดขึ้นได้ง่ายกว่าปฏิกิริยาแบบดูดพลังงาน

          2) พลังงานกระตุ้นเป็นพลังงานจลน์ที่น้อยที่สุดที่ใช้กระตุ้นสารที่จะทำปฏิกิริยาให้เปลี่ยนแปลงไปอยู่ในสภาพที่สามารถจะทำปฏิกิริยากันได้ (activated state)

          3) พลังงานกระตุ้นก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสารที่เข้สทำปฏิกิริยากันตามทฤษฎีการชนกัน ทำให้

- อนุภาคของสารเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น

- ทำให้โอกาสที่อนุภาคของสารที่จะชนกันในตำแหน่งที่ไวต่อการเกิดปฏิกิริยามีมาก

พลังงานกล

พลังงานกล

พลังงานกล ในทางฟิสิกส์ จะหมายถึง พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่โดยตรงของวัตถุ โดยประกอบไปด้วยพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ จากสารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ เล่มที่ 1 กล่าวว่า เครื่องผ่อนแรงไม่ว่าจะเป็นชนิดใดก็ตาม ต้องการแรงที่จะขับดันให้มันทำงาน แรงนี้ได้จากพลังงานกล แรงที่มนุษย์มีอยู่แล้วได้จากกล้ามเนื้อแขน ขา ซึ่งนับว่าเป็นพลังงานกลอย่างหนึ่งเมื่อต้องทำงานมากๆ ก็ต้องเพิ่มจำนวน คนทำงาน ผู้มีอำนาจมีเงินก็ใช้กำลังเกณฑ์บังคับหรือซื้อคนมาใช้ให้ทำงานเรียกว่า ทาส ทาสเป็นพลังงานกลที่สำคัญในสมัยโบราณ เรือเดินทะเลในสมัยนั้นบางทีใช้กำลังขับแล่นด้วยฝีพายของทาส ซึ่งถูกล่ามโซ่ติดกับกราบเรือทั้งสองกราบ นายทาสตีกลองให้จังหวะฝีพายเป็นการควบคุมความเร็วของเรือ

มนุษย์อาศัยขี่หลังม้าเป็นพาหนะมานานแล้ว จนสามารถควบคุมและบังคับมันได้ดี เมื่อมีเครื่องผ่อนแรง จึงใช้แรงงานของสัตว์เลี้ยง เช่น ใช้ให้ลากรถ หมุนโม่แป้ง และวิดน้ำ ฯลฯ ม้าลา วัว ควาย อูฐ ช้าง เป็นสัตว์เลี้ยงสำคัญที่ให้พลังงานกล ในแถบขั้วโลกเหนือ ชาวเอสกิโม(Eskimo) และพวกแลปป์ (Lapp) ใช้สุนัขและกวางเรนเดียร์ในการลากเลื่อนไปในทุ่งน้ำแข็ง

แรงที่ได้จากพลังงานกลธรรมชาติมีอยู่หลายอย่าง ที่มนุษย์รู้จักนำมาใช้ก่อนอย่างอื่นคงจะเป็นการขับแล่นเรือใบด้วยกระแสลม ในยุโรปมีการใช้แรงกระแสน้ำในลำธารให้หมุนล้อจักรไม้เพื่อโม่แป้ง ในบางแถบของโลกมีภูเขาไฟ น้ำที่ไหลซึมลงไปในบริเวณนั้น เมื่อกระทบกับความร้อนใต้ดินกลายเป็นไอพุ่งขึ้นมาตามรอยแตกร้าวของหินเกิดเป็นน้ำพุร้อน ซึ่งมีแรงดันพอที่จะใช้ประโยชน์ได้ ในอิตาลีและนิวซีแลนด์ได้มีการควบคุมความดันของไอน้ำจากน้ำพุร้อน เพื่อนำมาใช้หมุนกังหันสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เครื่องจักรกลสมัยใหม่ใช้แรงงานจากพลังงานกลอื่นๆ ที่ไม่ใช่แรงงานจากกล้ามเนื้อ เพราะว่าอาจนำมาใช้งานตรากตรำและบังคับควบคุมได้ตามแต่ต้องการ พลังงานกลดังกล่าวอาจจะได้มาโดยการแปรรูปจากพลังงานความร้อน เช่น แรงระเบิดในลูกสูบ จากพลังงานไฟฟ้า เช่น การหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้า เป็นต้น พลังงานกล ซึ่งอาจจะปลดปล่อยแรงงานที่คำนวณได้ แบ่งออกเป็นสองหมวดใหญ่ คือ พลังงานจลน์ และพลังงานศักย์

พลังงาน

พลังงาน

พลังงาน หมายถึงความสามารถซึ่งมีอยู่ในตัวของสิ่งที่อาจให้แรงงานได้  หรือ อังกฤษ: Energy เป็นกำลังงานที่ใช้ในช่วงเวลาหนึ่ง หรือระยะทางหนึ่ง มีค่าเป็น จูล หรือ Joule ในทางฟิสิกส์ พลังงานเป็นหนึ่งในคุณสมบัติเชิงปริมาณพื้นฐานที่อธิบายระบบทางกายภาพหรือสถานะของวัตถุ พลังงานสามารถเปลี่ยนรูป (แปลงรูป)ได้หลายรูปแบบที่แต่ละแบบอาจจะชัดเจนและสามารถวัดได้ในหลายรูปแบบที่แตกต่างกัน กฎของการอนุรักษ์พลังงานระบุว่า พลังงาน(ทั้งหมด)ของระบบสามารถเพิ่มหรือลดได้โดยการถ่ายโอนเข้าหรือออกจากระบบเท่านั้น พลังงานทั้งหมดของระบบใดๆสามารถคำนวณได้โดยการรวมกันอย่างง่ายๆ เมื่อมันประกอบด้วยชิ้นส่วนที่ไม่มีการปฏิสัมพันธ์ทั้งหลายหรือมีหลายรูปแบบของพลังงานที่แตกต่างกัน รูปแบบของพลังงานทั่วไปประกอบด้วยพลังงานจลน์ของวัตถุเคลื่อนที่, พลังงานที่แผ่รังสีออกมาโดยแสงและการแผ่รังสีของแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ และประเภทต่างๆของพลังงานศักย์ เช่นแรงโน้มถ่วงและความยืดหยุ่น ประเภททั่วไปของการถ่ายโอนและการเปลี่ยนแปลงพลังงานประกอบด้วยกระบวนการ เช่นการให้ความร้อนกับวัสดุ, การปฏิบัติงานทางกลไกบนวัตถุ, การสร้างหรือการใช้พลังงานไฟฟ้า และปฏิกิริยาทางเคมีจำนวนมาก

หน่วยของการวัดพลังงานมักจะถูกกำหนดโดยผ่านกระบวนการของการทำงาน งานที่ทำโดยสิ่งหนึ่งบนอีกสิ่งหนึ่งถูกกำหนดไว้ในฟิสิกส์ว่า เป็นแรง(หน่วย SI : นิวตัน)ที่ทำโดยสิ่งนั้นคูณด้วย ระยะทาง (หน่วย SI : เมตร) ของการเคลื่อนไหวเพื่อต่อสู้กับแรงที่กระทำโดยฝ่ายตรงข้าม ดังนั้น หน่วยพลังงานเป็นนิวตัน-เมตร หรือที่เรียกว่า จูล หน่วย SI ของกำลัง (พลังงานต่อหน่วยเวลา) เป็นวัตต์ หรือแค่ จูลต่อวินาที ดังนั้น จูลเท่ากับ วัตต์-วินาที หรือ 3600 จูลส์เท่ากับหนึ่งวัตต์-ชั่วโมง หน่วยพลังงาน CGS เป็น เอิร์ก, และหน่วยอิมพีเรียลและสหรัฐอเมริกาเป็น ฟุตปอนด์ หน่วยพลังงานอื่นๆ เช่น อิเล็กตรอนโวลต์, แคลอรี่อาหารหรือกิโลแคลอรีอุณหพลศาสตร์ (ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของน้ำในกระบวนการให้ความร้อน) และ บีทียู ถูกใช้ในพื้นที่เฉพาะของวิทยาศาสตร์และการพาณิชย์ และมีปัจจัยการแปลงหน่วยที่เกี่ยวข้องให้เป็น จูล

พลังงานศักย์เป็นพลังงานที่ถูกเก็บไว้โดยอาศัยอำนาจตามตำแหน่งของวัตถุในสนามพลังเช่นสนามแรงโน้มถ่วง, สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น การยกวัตถุที่ต้านกับแรงโน้มถ่วงทำงานบนวัตถุและเก็บรักษาพลังงานที่มีศักยภาพของแรงโน้มถ่วง ถ้ามันตก แรงโน้มถ่วงไม่ได้ทำงานบนวัตถุซึ่งแปลงพลังงานศักย์ให้เป็นพลังงานจลน์ที่เกี่ยวข้องกับความเร็ว บางรูปแบบเฉพาะของพลังงานได้แก่พลังงานยืดหยุ่นเนื่องจากการยืดหรือการเปลี่ยนรูปของวัตถุของแข็ง, พลังงานเคมีเช่นที่ถูกปล่อยออกมาเมื่อเผาไหม้น้ำมันเชื้อเพลิงและพลังงานความร้อน, พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ขนาดเล็กๆของการเคลื่อนไหวที่ไม่มีทิศทางของอนุภาคทำให้เป็นเรื่องขึ้นมา

ไม่ใช่ทั้งหมดของพลังงานในระบบจะสามารถถูกเปลี่ยนหรือถูกโอนโดยกระบวนการของงาน; ปริมาณที่สามารถจะถูกปลี่ยนหรือถูกโอนเรียกว่าพลังงานที่มีอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์จะจำกัดปริมาณของพลังงานความร้อนที่สามารถถูกเปลี่ยนให้เป็นพลังงานรูปอื่น ๆ พลังงานรูปแบบเชิงกลและอื่นๆสามารถถูกเปลี่ยนในทิศทางอื่นๆให้เป็นพลังงานความร้อนโดยไม่มีข้อจำกัดดังกล่าว

วัตถุใดๆที่มีมวลเมื่อหยุดนิ่ง (จึงเรียกว่ามวลนิ่ง) มีพลังงานนิ่งที่สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ ของ Albert Einstein E = mc² การเป็นรูปแบบของพลังงานแบบหนึ่ง, พลังงานนิ่งสามารถถูกเปลี่ยนไปยังหรือจากรูปแบบอื่นๆของพลังงาน ในขณะที่ปริมาณทั้งหมดของพลังงานไม่เปลี่ยนแปลง จากมุมมองนี้ จำนวนของสสารในจักรวาลก่อให้เกิดการรวมของพลังงานทั้งหมด

ในทำนองเดียวกัน พลังงานทั้งหมดจะปรากฏเป็นจำนวนสัดส่วนของมวล ตัวอย่างเช่นการเพิ่ม 25 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (90 megajoules) ของรูปแบบใดๆของพลังงานให้กับวัตถุหนึ่งจะเพิ่มมวลของวัตถุนั้นอีก 1 ไมโครกรัม หากคุณมีเครื่องชั่งมวลที่ไวพอ การเพิ่มขึ้นของมวลนี้สามารถวัดได้ ดวงอาทิตย์ของเรา (หรือระเบิดนิวเคลียร์ )จะแปลงพลังงานศักย์นิวเคลียร์ไปเป็นรูปแบบอื่นของ พลังงาน มวลรวมของมันไม่ได้ลดลง เพราะมันยังคงมีพลังงานทั้งหมดเหมือนเดิม เพียงแต่อยู่ในรูปแบบอื่น แต่มวลของมันลดลงจริงเมื่อพลังงานหนีออกไปยังสภาพแวดล้อม ส่วนใหญ่เป็นพลังงานที่แผ่รังสี

รูปแบบใหม่ของพลังงานไม่สามารถกำหนดกฎเกณฑ์ตามใจได้ เพื่อที่จะให้ถูกต้อง มันจะต้องถูก แสดงให้เห็นว่าสามารถเปลี่ยนรูปไปยังหรือจากจำนวนที่คาดการณ์ได้ของพลังงานบางรูปแบบที่รู้จักกัน นี่จึงแสดงให้เห็นว่าปริมาณพลังงานจะมากแค่ไหนที่มันเป็นตัวแทนในหน่วยเดียวกันที่ใช้ ในรูปแบบอื่น มันจะต้องปฏิบัติตามการอนุรักษ์พลังงาน ดังนั้นมันจะต้องไม่ลดหรือเพิ่ม ยกเว้น ผ่านการเปลี่ยนแปลง(หรือถ่ายโอน)ดังกล่าว นอกจากนี้ ถ้ารูปแบบใหม่ของพลังงานที่ถูกกล่าวหาสามารถแสดงว่าจะไม่เปลี่ยนมวลของระบบในสัดส่วนกับพลังงานของมัน ดังนั้น มันไม่ได้เป็น รูปแบบของพลังงาน

สิ่งมีชีวิตต้องการพลังงานเพื่อยังคงมีชีวิตอยู่; มนุษย์ได้รับพลังงานดังกล่าวจากอาหารพร้อมกับ ออกซิเจนที่จำเป็นในการเผาผลาญอาหารนั้น อารยธรรมต้องการอุปทานของพลังงานในการ ทำงาน; แหล่งพลังงาน เช่นเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นหัวข้อสำคัญในด้านเศรษฐกิจและการเมือง สภาพภูมิอากาศและระบบนิเวศของโลกถูกขับเคลื่อนด้วยพลังงานแผ่รังสีที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์(เช่นเดียวกับพลังงานความร้อนใต้พิภพที่มีอยู่ในโลก) และมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงในปริมาณที่ได้รับ

ตัวอย่างของพลังงานได้แก่ พลังงานไฟฟ้า ในแบตเตอรี่ พลังงานเคมีในอาหาร พลังงานความร้อนของเครื่องทำน้ำร้อน หรือพลังงานศักย์ของน้ำที่อยู่เหนือเขื่อน

พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปจากรูปแบบหนึ่งไปสู่รูปแบบอื่นได้ โดยกฎการอนุรักษ์พลังงานระบุว่า ในระบบปิดนั้น พลังงานทั้งหมดที่ประกอบขึ้นจากพลังงานของส่วนย่อยๆ จะมีค่าคงที่เสมอ

พลังงานที่ว่านี้ไม่สามารถจะทำให้สูญสลายไปได้ เว้นแต่ว่าจะแปรเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของพลังงานในรูปแบบอื่น ยกตัวอย่างเช่น

• เปลี่ยนพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านเรือน (โดยใช้โซลาร์เซลล์)
• เปลี่ยนพลังงานสะสมที่มีอยู่ในน้ำที่เก็บไว้ในเขื่อน (พลังงานศักย์) มาเป็นพลังงานที่ใช้ขับเคลื่อนไดนาโม (พลังงานจลน์) ของโรงไฟฟ้า

และยังมีพลังงานอีกหลายรูปแบบที่เราสามารถนำมาใช้ได้แต่ยังไม่ได้นำมาใช้หรือยังไม่ได้คิดค้นขึ้นมา เช่น พลังงานจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบฟิวชั่น เป็นต้น

• ความแตกต่างของพลังงาน(energy) และ กำลังงาน(power) มีดังนี้

พลังงาน (energy) คือความสามารถทำงานได้ในช่วงเวลาหนึ่ง หรือระยะทางหนึ่ง เช่นเราเปิดไฟแสงสว่าง 100 วัตต์ทิ้งไว้ 24 ชม หมายความว่า เราใช้พลังงานไป 100x24=2400 วัตต์-ชม หรือ 2.4 kWh หรือ 2.4 หน่วยไฟฟ้า คือต้องมีหน่วยบอกเวลาหรือระยะทางเสมอ

กำลังในการทำงาน (power) คืออัตราที่งานนั้นถูกทำหรือปริมาณกำลังงานที่สามารถทำได้ เช่นแบตเตอรีรถยนต์ขนาด 12V 500A แสดงว่ามีกำลัง 12x500=6000 วัตต์ หรือ 6 kW (ไม่บอกว่า สามารถทำงานได้นานเท่าไร)

พลังงานมีอยู่ในหลายรูปแบบ ได้แก่:

ในบริบทของวิทยาศาสตร์ทางกายภาพ พลังงานมีหลายรูปแบบที่ได้รับการระบุ เหล่านี้ประกอบด้วย:

• พลังงานจลน์ (อังกฤษ: Kinetic) (มีหรือไม่มี, วัดเป็นปริมาณไม่ได้), ของการเคลื่อนไหวของร่างกาย
• พลังงานศักย์, ประเภทหนึ่ง ที่ประกอบไปด้วยหลายรูปแบบในรายการนี้
• พลังงานกลไก, ผลรวมของ (ปกติเล็กๆ) พลังงานจลน์และพลังงานศักย์
• พลังงานคลื่นกลไก (มีหรือไม่มี), รูปแบบของพลังงานกลที่ถูกแพร่กระจายโดยการแกว่งของวัสดุเช่นที่สร้างคลื่นพื้นผิวมหาสมุทรหรือที่สร้างเสียง
• พลังงานเคมี
• พลังงานไฟฟ้า
• พลังงานแม่เหล็ก
• พลังงานการแผ่รังสี (อังกฤษ: Radiant) (มีหรือไม่มี), ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารวมทั้งแสง
• พลังงานนิวเคลียร์, การพันธนาการของนิวคลีออนให้อยู่ในรูปของนิวเคลียสอะตอม
• พลังงานไอออนไนเซชั่น,การพันธนาการของหนึ่งอิเล็กตรอนกับอะตอมหรือโมเลกุลของมัน
• พลังงานยืดหยุ่น
• พลังงานแรงโน้มถ่วง
• พลังงานภายใน พลังงานนิ่ง(มีหรือไม่มี) เทียบเท่ากับมวลนิ่งของวัตถุ
• พลังงานความร้อน, เทียบเท่าขนาดเล็กของพลังงานกล

พลังงานอุณหภูมิเป็นพลังงานขององค์ประกอบโมเลกุลของสสาร ซึ่งอาจประกอบด้วยทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์

• พลังงานความร้อนเป็นเพียงแค่ปริมาณของพลังงานอุณหภูมิที่กำลังถูกถ่ายโอน (ในขั้นตอนที่กำหนด) ในทิศทางของอุณหภูมิที่ลดลง
• งานเครื่องกลเป็นเพียงปริมาณของพลังงาน(กล)ที่กำลังถูกโอน (ในขั้นตอนที่กำหนด) เนื่องจาก การเคลื่อนที่ไปในทิศทางของแรงที่ถูกใส่เข้าไป

บางรายชื่อที่อยู่ในรายการข้างต้นเป็นตัวของมันเองหรือเป็นส่วนประกอบของรายชื่ออื่นๆ รายการไม่จำเป็นต้องสมบูรณ์ เมื่อใดก็ตามที่นักวิทยาศาสตร์ทางกายภาพพบว่า ปรากฏการณ์บางอย่าง ที่ดูเหมือนจะละเมิดกฎของการอนุรักษ์พลังงาน รูปแบบใหม่ของพลังงานโดยทั่วไปจะถูกเพิ่มเพื่ออธิบายความแตกต่าง

ความร้อนและงานเป็นกรณีพิเศษที่พวกมันจะไม่เป็นคุณสมบัติของระบบ แต่จะเป็นคุณสมบัติของกระบวนการถ่ายโอนพลังงานแทน โดยทั่วไปเราไม่สามารถวัดว่ามีความร้อนหรืองานเท่าไรที่ เกิดบนวัตถุนั้น รู้แต่เพียงมีพลังงานเท่าไรที่ถูกถ่ายโอนระหว่างวัตถุในรูปแบบบางอย่างในระหว่าง การเกิดขึ้นของกระบวนการที่กำหนดซะมากกว่า ความร้อนและงานจะถูกวัดว่าเป็นบวกหรือลบ ขึ้นอยู่กับเรามองการถ่ายโอนของพวกมันจากด้านไหน

กลศาสตร์คลาสสิกมีความแตกต่างระหว่างพลังงานจลน์(ที่จะถูกกำหนดโดยการเคลื่อนไหวของวัตถุผ่านพื้นที่) และพลังงานศักย์(ที่เป็นหน้าที่หนี่งของตำแหน่งของวัตถุภายในสนามแรงใดๆ) ซึ่งอาจจะเกี่ยวข้องกับการจัดเรียงตัวของวัตถุหรืออนุภาคอื่น ๆ เหล่านี้ประกอบด้วยพลังงานแรงโน้มถ่วง (ซึ่งถูกเก็บไว้ในทางที่มวลทั้งหลายจะถูกจัดวางในสนามแรงโน้มถ่วง), หลายประเภทของพลังงานนิวเคลียร์ (ซึ่งใช้ประโยชน์จากศักยภาพของแรงนิวเคลียร์และแรงที่อ่อนแอ), พลังงานไฟฟ้า (จากสนามไฟฟ้า) และพลังงานแม่เหล็ก (จากสนามแม่เหล็ก)

พลังงานอื่นๆที่คุ้นเคยเป็นส่วนผสมที่เปลี่ยนแปรไปของทั้งพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ ตัวอย่างหนึ่งคือพลังงานกล ซึ่งเป็นผลรวมของ(ปกติเล็กๆ) พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ใน ระบบหนึ่ง พลังงานยืดหยุ่นในวัสดุยังขึ้นอยู่กับพลังงานศักย์ไฟฟ้า (ในอะตอมและโมเลกุล) เหมือนเป็นพลังงานเคมี ซึ่งจะถูกเก็บไว้และถูกปล่อยออกมาจากอ่างเก็บที่มีพลังงานศักย์ไฟฟ้า ระหว่างอิเล็กตรอนด้วยกันและระหว่างโมเลกุลด้วยกันหรือระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่ดึงดูด พวกมัน

พลังงานศักย์มักจะถูกวัดเป็นบวกหรือลบขึ้นอยู่กับว่าพวกมันจะมีมากกว่าหรือน้อยกว่าพลังงาน ของสถาวะหรือคอนฟิกูเรชั่นพื้นฐานที่ระบุ เช่นสองร่างที่มีปฏิสัมพันธ์กันที่ถูกแยกห่างกันสิ้นเชิง

คลื่นพลังงาน(เช่นพลังงานแผ่รังสีหรือเสียง), พลังงานจลน์ และพลังงานนิ่ง แต่ละตัวจะมากกว่าหรือเท่ากับศูนย์ เพราะพวกมันจะถุกวัดเทียบกับสถาวะพื้นฐานของพลังงานที่ศูนย์ได้แก่ "ไม่มีคลื่น", "ไม่มีการเคลื่อนไหว" และ "ไม่มีแรงเฉื่อย" ตามลำดับ

มีความพยายามที่จะจัดหมวดหมู่ทุกรูปแบบของพลังงานว่าจะเป็นพลังงานจลน์หรือพลังงานศักย์ แต่ ริชาร์ด ไฟน์แมน ชี้ให้เห็น : "ความคิดเหล่านี้ของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ขึ้นอยู่กับความเชื่อในเรื่องของขนาดความยาว ตัวอย่างเช่น คนหนึ่งสามารถพูดถึงพลังศักย์และพลังงานจลน์เล็กๆซึ่ง ไม่รวมถึงพลังงานอุณหภูมิ นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่เรียกว่า พลังงานศักย์เคมีเป็นความคิดเล็กๆและการตรวจสอบที่ใกล้ชิด แสดงให้เห็นว่าจริงๆแล้วเป็นผลรวมของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ในระดับอะตอมและโมเลกุล คำพูดที่คล้ายกันนำไปใช้กับพลังงาน"ศักย์" นิวเคลียร์และพลังงานรูปแบบอื่นๆส่วนใหญ่ การพึ่งพาในระดับความยาวนี้เป็นสิ่งที่ไม่ใช่ปัญหา หากระยะความยาวต่างๆถูกปลดออกซึ่งมักเกิดขึ้นบ่อยๆ แต่ความสับสนสามารถเกิดขึ้นเมื่อเครื่องชั่งความยาวที่แตกต่างกันถูกจับคู่ ตัวอย่างเช่น เมื่อแรงเสียดทานแปลงงานเล็กๆให้เป็นพลังงานอุณหภูมิขนาดเล็กๆ"

นอกจากนี้ ความเร็วสัมพันธ์ ที่กำหนดพลังงานจลน์เป็นตัวปัญหาเพราะพลังงานที่เกิดจากการ เคลื่อนไหวของร่างกายไม่เพียงมีส่วนร่วมในการรวมพลังงานทั้งหมดเช่นเดียวกับที่มันทำที่ความเร็วคลาสสิก

พลังงานอาจจะถูกเปลี่ยนระหว่างรูปแบบที่แตกต่างกันที่ประสิทธิภาพต่างๆ รายการที่แปลง ระหว่างรูปแบบเหล่านี้จะถูกเรียกว่า transducers

สสาร

สสาร

สสาร คือวัตถุต่างๆ ที่อยู่รอบตัวเรา เช่น อากาศ ก๊าซ ดิน น้ำ หรือหนังสือ เป็นสสารทั้งสิ้น ตัวเราเองก็เป็นสสาร สัตว์และพืชก็เป็นสสารสสารจะมีคุณสมบัติ 2 ประการ คือต้องการที่อยู่ ถ้าเราเอาหินใส่ในกล่องกระดาษใบหนึ่งทีละก้อน ในที่สุดก้อนหินจะเต็มกล่อง ไม่สามารถใส่ก้อนหินได้อีก เพราะก้อนหินต้องการที่อยู่กล่องจึงเต็ม หรือถ้วยแก้วที่เรามองดูว่าว่างเปล่า แท้ที่จริงแล้วมีอากาศอยู่ภายใน แต่เรามองไม่เห็นมัน ลองเอากระดาษมาหนึ่งชิ้น ใส่ลงไปในก้นแก้วเปล่า แล้วคว่ำถ้วยแก้วนี้ลงไปในถังน้ำ หรืออ่างน้ำ กดให้แก้วจมอยู่ในน้ำสักครู่ จึงยกถ้วยแก้วขึ้นมาตรงๆ จะเห็นว่ากระดาษจะไม่เปียก เพราะน้ำเข้าไปในแก้วไม่ได้ แสดงว่ามีสิ่งใดสิ่งหนึ่งอยู่ในแก้ว นั่นก็คือ อากาศ ดังนั้นอากาศก็ต้องการที่อยู่ น้ำจึงเข้าไปในแก้วไม่ได้มีน้ำหนัก สสารทุกอย่างต้องมีน้ำหนัก เช่น กระดาษเราอาจจะไม่รู้สึกว่ากระดาษมันหนัก แต่ถ้าลองยกหนังสือสัก 10 เล่ม จะรู้สึกได้ว่ากระดาษนั้นก็มีน้ำหนัก หรือนำลูกบอลที่ยังไม่ได้สูบลมมาวางไว้บนตาชั่ง แล้วดูว่าหนักเท่าไร หลังจากนั้นนำลูกบอลไปสูบ ให้อากาศเข้าไปจนเต็มลูกบอล แล้วนำไปวางบนตาชั่งอีกครั้ง จะเห็นว่าครั้งนี้ลูกบอลจะหนักกว่าครั้งแรก แสดงว่าอากาศที่เพิ่มเข้าไปในลูกบอลนั้นมีน้ำหนัก


    สถานะของสสาร

สสารมี 3 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลวและก๊าซ

ของแข็ง (Solid)

คือ สถานะของสสารที่มีอนุภาคอยู่ชิดกัน มีช่องว่างระหว่างอนุภาคน้อย อนุภาค ของสสารจึงเคลื่อนไหวได้ยาก ดังนั้นสสารจึงมีรูปร่างคงที่เกิดการเปลี่ยนแปลงได้ยาก สสารที่มีสถานะเป็นของแข็ง เช่น หิน

ของเหลว (Liquid)

คือ สถานะของสสารที่มีอนุภาคอยู่ห่างกันมากกว่าของแข็ง จึงอยู่กันอย่างหลวม ๆ อนุภาคของสสารจึงเคลื่อนไหวได้ง่ายขึ้น ดังนั้นสสารจึงมีรูปร่างไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ สสารที่มีสถานะเป็นของเหลว เช่น น้ำ ฝน เป็นต้น

ก๊าซ (Gas)

คือ สถานะของสสารที่มีอนุภาคอยู่ห่างกัน จึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันน้อยมาก ทำ ให้อนุภาคเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ดังนั้นสสารจึงมีรูปร่างไม่แน่นอน เมื่อสสารอยู่ในภาชนะใดอนุภาคของสสารจะฟุ้งกระจายเต็มภาชนะสสารที่มีสถานะเป็นก๊าซ เช่น อากาศ ก๊าซหุงต้ม เป็นต้น

การเปลี่ยนแปลงสถานะ

การเปลี่ยนแปลงสถานะ คือการที่สสารใดๆ เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ เช่นจากของแข็งเป็นของเหลว เป็นต้น การเปลี่ยนแปลงสถานะในแต่ละรูปแบบ มีชื่อเรียกต่างกันตามลักษณะการเปลี่ยนแปลง ดังนี้

การระเหย

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของเหลว กลายเป็นก๊าซ โดยมักเกิดเมื่อของเหลวนั้นๆได้รับพลังงานหรือความร้อน ได้แก่ น้ำ เปลี่ยนสถานะเป็น ไอน้ำ

การระเหิด

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของแข็ง กลายเป็นก๊าซ โดยไม่ผ่านสถานะการเป็นของเหลว ได้แก่ น้ำแข็งแห้ง เปลี่ยนสถานะเป็น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

การควบแน่น

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากก๊าซ กลายเป็นของเหลว โดยมักเกิดเมื่อก๊าซนั้นๆ สูญเสียความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ ไอน้ำ เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำ

การแข็งตัว

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของเหลว กลายเป็นของแข็ง โดยมักเกิดเมื่อของเหลวนั้นๆ สูญเสียความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ น้ำ เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำแข็ง โดยของแข็งนั้น สามารถเปลี่ยนสถานะกลับเป็นของเหลวได้ โดยการได้รับพลังงานหรือความร้อน

การตกผลึก

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของเหลว กลายเป็นของแข็ง โดยมักเกิดเมื่อของเหลวนั้นๆ สูญเสียความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ น้ำ เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำแข็ง แต่โดยทั่วไปแล้ว ตกผลึกนั้นนิยมใช้ กับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างทางทางเคมี เสียมากกว่า เพราะโดยทั่วไปใช้กับสารประกอบหรือวัตถุ ที่ไม่สามารถหลอมเหลว หรือ ละลาย กลับเป็นของเหลวได้อีก

การหลอมเหลว หรือการละลาย

คือกระบวนการการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร จากของแข็ง กลายเป็นของเหลว โดยมักเกิดเมื่อของแข็งนั้นๆ ได้รับความร้อนหรือพลังงาน ได้แก่ น้ำแข็ง เปลี่ยนแปลงสถานะเป็น น้ำ

คำจำกัดความ

ถึงแม้ว่าสถานะเป็นที่ใช้กันอย่างกว้างขวางในวิทยาศาสตร์กายภาพ แต่มันก็ไม่ง่ายที่จะให้คำจำกัดความที่ถูกต้องเที่ยงตรง ก่อนที่เราจะให้คำจำกัดความโดยทั่วไป เราลองมาดูตัวอย่างเกี่ยวกับสถานะกันก่อนสักสองตัวอย่าง ตัวอย่าง: สถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊ส น้ำ (H2O) ประกอบด้วยโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนสองอะตอมเกาะติดกับออกซิเจนตรงกลางหนึ่งอะตอม ที่อุณหภูมิห้อง โมเลกุลของน้ำจะอยู่ใกล้กันและมีแรงดึงดูดต่อกันอย่างอ่อนๆ โดยไม่เกาะติดกัน ทำให้แต่ละโมเลกุลเคลื่อนไหวสัมพัทธ์กันได้เหมือนเม็ดทรายในนาฬิกาทราย พฤติกรรมของโมเลกุลน้ำที่มองไม่เห็นนี้ปรากฏออกมาให้เราเห็นเป็นคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของน้ำในสถานะของเหลวซึ่งเราคุ้นเคยกันดี เนื่องจากโมเลกุลของน้ำไม่รวมกันอยู่เป็นโครงสร้างที่แข็งตึง รูปร่างของน้ำจึงไม่ตายตัว และปรับสภาพเลื่อนไหลไปตามภาชนะที่บรรจุ และเนื่องจากโมเลกุลของน้ำอยู่ใกล้กันมากอยู่แล้ว น้ำจึงมีความต้านทานต่อการบีบอัด สังเกตได้จากการบีบลูกโป่งที่บรรจุน้ำซึ่งทำไม่ได้ง่ายเหมือนกับการบีบลูกโป่งที่บรรจุอากาศ

จุดเดือดและจุดหลอมเหลว

จุดเดือดของธาตุหรือสสารเป็นอุณหภูมิซึ่งความดันไอของของเหลวเท่ากับความดันของสิ่งแวดล้อมที่อยู่รอบของเหลวนั้น

ของเหลวในสิ่งแวดล้อมที่เป็นสุญญากาศมีจุดเดือดต่ำกว่าของเหลวที่ความดันบรรยากาศ ของเหลวในสิ่งแวดล้อมความดันสูงจะมีจุดเดือดสูงกว่าของเหลวที่ความดันบรรยากาศ จึงอาจกล่าวได้ว่า จุดเดือดของของเหลวมีได้หลากหลายขึ้นอยู่กับความดันของสิ่งแวดล้อม (ซึ่งมักแตกต่างกันไปตามความสูง) ในความดันเท่ากัน ของเหลวต่างชนิดกันย่อมเดือดที่อุณหภูมิต่างกัน

จุดเดือดปกติ (หรือเรียกว่า จุดเดือดบรรยากาศหรือจุดเดือดความดันบรรยากาศ) ของของเหลวเป็นกรณีพิเศษซึ่งความดันไอของของเหลวเท่ากับความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล คือ 1บรรยากาศ ที่อุณหภูมินั้น ความดันไอของของเหลวจะมากพอที่จะเอาชนะความดันบรรยากาศและให้ฟองไอก่อตัวภายในความจุของเหลว จุดเดือดมาตรฐานปัจจุบัน (จนถึง ค.ศ. 1982) นิยามโดยIUPAC ว่าเป็นอุณหภูมิซึ่งเกิดการเดือดขึ้นภายใต้ความดัน 1 บาร์

จุดหลอมเหลว คือ จุดที่สารเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว จุดหลอมเหลวนี้มีค่าเท่ากับจุดเยือกแข็ง เพียงแต่จุดเยือกแข็งใช้เรียกเมื่อสารเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็ง ตัวอย่างเช่น น้ำ มีจุดหลอมเหลว เป็น 0 องศาเซลเซียส (Celsius) หมายความว่า น้ำแข็ง ซึ่งเป็นสถานะของแข็งของน้ำจะกลายสถานะเป็นของเหลวเมื่ออุณหภูมิมากกว่า 0 องศาเซลเซียส และน้ำก็มีจุดเยือกแข็งที่ 0 องศาเซลเซียส อธิบายว่า น้ำสถานะของเหลวจะกลายสถานะเป็นของแข็งเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันเป็นกฎที่อธิบายธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ ในเอกภพ ผู้เสนอคือไอแซก นิวตัน นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ

กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน มีด้วยกัน 3 ข้อ

กฎข้อที่ 1.วัตถุใดอยู่กับที่ก็จะอยู่กับที่จนกว่าจะมีแรงมากระทำจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่และถ้าวัตถุกำลังเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วสม่ำเสมอก็เคลื่อนที่ต่อไปจนกว่าจะมีแรงมากระทำให้วัตถุเปลี่ยนทิศหรือเปลี่ยนแปลงความเร็ว

กฎข้อที่ 2. ถ้ามีแรงจากภายนอกมากระทำต่อวัตถุจะทำให้วัตถุเคลื่อนที่และมีความเร็วเพิ่มขึ้น

กฎข้อที่ 3.เมื่อมีแรงกระทำจะมีแรงต่อต้านการกระทำที่มีขนาดเท่ากันและมีทิศทางตรงข้าม

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

ชาวกรีกโบราณได้สังเกตว่าวัตถุทุกชนิดจะมีตำแหน่งหยุดนิ่งตามธรรมชาติโดยวัตถุจะพยายามเคลื่อนที่เข้าหาตำแหน่งนี้เช่นก้อนหินตกลงสู่พื้นควันลอยขึ้นสู่อากาศเมื่อใดที่วัตถุอยู่ณตำแหน่งหยุดนิ่งตามธรรมชาติแล้ววัตถุจะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยตัวมันเองและการที่วัตถุเคลื่อนที่ได้นั้นจะต้องมีแรงมากระทำมัน

ความเฉื่อยในคริสต์ศตวรรษที่ 16 นักดาราศาสตร์ชาวอิตาลีชื่อกาลิเลโอกาลิเลอิได้ตั้งข้อสงสัยกับแนวความคิดที่ว่าถ้าต้องการให้วัตถุคงสภาพการเคลื่อนที่ต่อไปจะต้องมีแรงกระทำกับวัตถุเขาจึงเสนอแนวคิดใหม่เมื่อวัตถุเคลื่อนที่แล้วไม่จำเป็นจะต้องมีแรงดึงหรือแรงผลักเพื่อให้วัตถุนั้นคงสภาพการเคลื่อนที่ต่อไปแต่ถ้าเราต้องการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุเราจำเป็นจะต้องออกแรงกระทำกับวัตถุนั้นแต่ไม่ว่าวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่หรืออยู่นิ่งเมื่อใดมีแรงมากระทำวัตถุทุกชนิดจะพยายามต่อต้านการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่เราเรียกการต่อต้านการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ว่าความเฉื่อยความเฉื่อยจึงเป็นแนวโน้มที่วัตถุต่อต้านการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่

แนวคิดของกาลิเลโอนี้เป็นแนวทางให้กับแนวคิดของนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษผู้หนึ่งคือเซอร์ไอแซคนิวตันในปลายคริสต์ศตวรรษที่ 16 นิวตันได้ค้นพบกฎพื้นฐานสามข้อที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่โดยกฎข้อที่หนึ่งนั้นมาจากแนวคิดของกาลิเลโอกฎข้อที่หนึ่งของนิวตันกล่าวว่าวัตถุที่อยู่นิ่งจะยังคงสภาพอยู่นิ่งและวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ก็ยังคงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ต่อไปจนกว่าจะมีแรงที่ไม่สมดุลมากระทำเรามักเรียกกฎข้อนี้ว่าเป็นกฎของความเฉื่อย ( Law of Inertia ) เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวันสามารถอธิบายได้ด้วยความเฉื่อยตัวอย่างเช่นถ้านั่งอยู่ในรถยนต์ที่หยุดอย่างกระทันหันความเฉื่อยจะทำให้ตัวยังคงเคลื่อนที่ต่อไปข้างหน้าดังนั้นจึงต้องการแรงมาช่วยทำให้หยุดการเคลื่อนที่ได้ซึ่งแรงนั้นมาจากเข็มขัดนิรภัยแต่ในกรณีที่ไม่ได้คาดเข็มขัดนิรภัยแรงนั้นอาจจะมาจากกระจกหน้ารถยนต์ก็ได้

มวลระหว่างขวดที่เต็มไปด้วยเหรียญและขวดที่เต็มไปด้วยเม็ดโฟมเราจะเลื่อนขวดใดได้ยากกว่ากันแน่นอนว่าเราจะเลื่อนขวดที่ใส่เหรียญได้ยากกว่าความแตกต่างระหว่างขวดทั้งสองนี้คืออะไรขวดทั้งสองมีขนาดบรรจุเท่ากันหรือมีปริมาตรเท่ากันแต่ขวดทั้งสองแตกต่างกันที่มวลของแต่ละขวดมวล (Mass) คือปริมาณของสสารที่อยู่ในวัตถุขวดที่ใส่เหรียญจะมีมวลมากกว่าขวดที่ใส่โฟม หน่วย SI ของมวลคือกิโลกรัมรถยนต์ขนาดเล็กอาจมีมวลประมาณ 1,000 กิโลกรัมรถจักรยานอาจมีมวลประมาณ 10 กิโลกรัมและตัวเราเองอาจมีมวลประมาณ 45 กิโลกรัมจะใช้หน่วยกรัม ( 1 กิโลกรัม = 1,000 กรัม ) ในการบอกมวลของวัตถุที่มีขนาดเล็ก ความเฉื่อยของวัตถุขึ้นกับมวลของวัตถุวัตถุมีมวลมากจะมีความเฉื่อยมากดังนั้นมวลจึงถูกให้นิยามได้ว่าเป็นปริมาณที่ใช้วัดความเฉื่อยของวัตถุ

กฎข้อที่สองของนิวตัน

กฎข้อที่สองของนิวตันเป็นการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงมวลและความเร่งแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุมีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างความเร่งและมวลของวัตถุนั้นความสัมพันธ์ระหว่างแรงมวลและความเร่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

แรง = มวล x ความเร่ง

เราเรียกสมการนี้ว่ากฎข้อที่สองนิวตัน ก็เช่นเดียวกับทุกสมการต้องให้ความสำคัญกับหน่วยของปริมาณที่วัดเมื่อหน่วยของความเร่งคือเมตรต่อวินาทีต่อวินาที m/ และมวลมีหน่วยเป็นกิโลกรัมดังนั้นแรงจึงมีหน่วยเป็นกิโลกรัม x เมตรต่อวินาทีต่อวินาที ( kg.m/ ) หรือเรียกหน่วยนี้ว่านิวตัน ( N ) เพื่อเป็นเกียรติแก่ไอแซคนิวตัน 1 นิวตันมีค่าเท่ากับแรงที่ใช้เพื่อทำให้วัตถุมวล 1 กิโลกรัมมีความเร่งเท่ากับ 1 เมตรต่อวินาทีต่อวินาที

1 N = 1 kg x 1 m/

สมมติว่ามีมวล 50 กิโลกรัมและเดินด้วยความเร่ง 1 เมตร/วินาที.วินาทีสามารถหาแรงที่ใช้ได้โดยการแทนค่ามวลและความเร่งลงในสมการ

แรง = มวล x ความเร่ง

นั่นคือแรง = 50 kg x 1 m/

แรง = 50 kg.m/ = 50 N

บางครั้งอาจจำเป็นต้องเขียนความสัมพันธ์ระหว่างความเร่งแรงและมวลในรูปแบบอื่นเช่น

ความเร่ง = แรง ÷ มวล

สมการนี้ได้มาจากการจัดกฎข้อที่สองของนิวตันในรูปแบบใหม่

การเปลี่ยนแรงและการเปลี่ยนมวล

พิจารณาสมการของความเร่งที่ว่าความเร่ง = แรง÷ มวลเราจะมีวิธีการเพิ่มความเร่งของวัตถุได้อย่างไรวิธีหนึ่งที่จะเพิ่มความเร่งได้ก็คือการเปลี่ยนแรงจากสมการความเร่งและแรงมีการเปลี่ยนแปลงในลักษณะเดียวกันการออกแรงมากขึ้นจะทำให้ความเร่งมีค่ามากขึ้นตามดังนั้นเพื่อให้วัตถุมีความเร่งมากขึ้นจะต้องออกแรงดึงให้มากขึ้น

อีกวิธีหนึ่งที่จะเพิ่มความเร่งก็คือการเปลี่ยนมวลจากสมการ เราจะเห็นว่าความเร่งและมวลมีการเปลี่ยนแปลงในทิศทางตรงข้ามกันหมายความว่าการเพิ่มมวลทำให้ความเร่งลดลงการลดมวลจะทำให้ความเร่งเพิ่มขึ้นดังนั้นถ้าต้องการเพิ่มความเร่งจะต้องลดมวลของวัตถุนั้น

กฎข้อที่สามของนิวตัน

นิวตัน กล่าวว่าเราไม่ได้ออกแรงกระทำต่อวัตถุเพียงฝ่ายเดียวเท่านั้นเมื่อวัตถุหนึ่งออกแรงกระทำกับอีกวัตถุหนึ่งวัตถุที่สองก็จะออกแรงกระทำกลับไปยังวัตถุแรกโดยที่แรงกระทำกลับนี้จะมีขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงกันข้ามกับแรงแรกซึ่งเรียกแรงทั้งสองนี้ว่าเป็นแรงกิริยา ( Action )และแรงปฏิกิริยา ( Reaction ) กฎข้อที่สามของนิวตันได้กล่าวไว้ว่าถ้าวัตถุหนึ่งออกแรงกระทำกับอีกวัตถุหนึ่งวัตถุที่ถูกกระทำจะออกแรงที่มีขนาดเท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้ามกระทำกลับต่อวัตถุแรกแต่ตรงกันข้ามอาจคุ้นเคยกับตัวอย่างกฎข้อที่สามของนิวตันมาบ้างอาจเคยเล่นสเกตและเห็นว่าเมื่อนักสเกตคนหนึ่งผลักนักสเกตอีกคนหนึ่งส่งผลให้ไม่ใช่คนที่โดนผลักเท่านั้นที่เคลื่อนที่แต่ทั้งสองคนมีการเคลื่อนที่นักสเกตที่เป็นคนผลักก็ถูกผลักด้วยแรงที่เท่ากันแต่มีทิศตรงกันข้ามอัตราเร็วที่ทั้งสองคนเคลื่อนที่ขึ้นกับมวลของนักสเกตแต่ละคนถ้าทั้งสองคนมีมวลเท่ากันทั้งสองคนก็จะมีอัตราเร็วเท่ากันแต่ถ้าคนหนึ่งมีมวลมากกว่าคนๆนั้นก็จะเคลื่อนที่ได้ช้ากว่าคนที่มีมวลน้อยกว่าเพราะถึงแม้ว่าแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยาจะมีขนาดเท่ากันและมีทิศทางตรงข้ามกันแต่จากกฎข้อที่สองของนิวตันเมื่อแรงเท่ากันกระทำกับมวลที่มากกว่าก็จะทำให้มวลนั้นมีความเร่งน้อยกว่าแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยากฎข้อที่สามเกิดอยู่ตลอดเวลารอบตัวเวลาเดินดันพื้นด้วยเท้าดังนั้นพื้นก็ดันเท้าของกลับด้วยแรงที่เท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามซึ่งทำให้เดินไปข้างหน้านกบินไปข้างหน้าได้ด้วยปีกของมันออกแรงกระทำต่ออากาศแล้วอากาศก็ผลักปีกของนกกลับด้วยแรงที่เท่ากันทำให้นกบินไปข้างหน้าได้แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยาหักล้างกันหรือไม่ในเรื่องแรงรู้ว่าแรงสมดุลคือแรงที่เท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้ามเมื่อนำมารวมกันจะได้แรงลัพธ์เป็นศูนย์คือแรงหักล้างกันทำให้วัตถุไม่เปลี่ยนการเคลื่อนที่ดังนั้นเหตุใดแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยาในกฎข้อที่สามของนิวตันจึงไม่หักล้างกันเมื่อแรงทั้งสองมีขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงกันข้าม

กฎข้อที่สามของนิวตันกล่าวถึงแรงที่กระทำต่อวัตถุสองชิ้นที่ต่างกันตัวอย่างเช่นนั่งบนเก้าอี้ที่มีล้อเลื่อนแล้วใช้มือออกแรงกิริยาผลักกำแพงกำแพงก็จะออกแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศตรงข้ามกลับทำให้เกิดการเคลื่อนที่ถอยหลังแรงแรกนั้นกระทำต่อกำแพงแต่แรงหลังนั้นกระทำต่อตัวดังนั้นแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยาจึงไม่สามารถรวมกันได้เพราะแรงแต่ละแรงกระทำกับวัตถุที่ต่างกันแรงจะสามารถรวมกันได้ก็ต่อเมื่อมันกระทำต่อวัตถุเดียวกันเท่านั้น

• วัตถุจะหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วและทิศทางคงที่ได้ต่อเมื่อผลรวมของแรง (แรงลัพธ์) ที่กระทำต่อวัตถุเท่ากับศูนย์ สามารถแตกออกมาได้ 2 อย่างคือ
  • วัตถุจะหยุดนิ่งถ้าไม่มีแรงใดๆที่ไม่เท่ากับ 0 มากระทำต่อวัตถุนั้นๆ
  • วัตถุจะเคลื่อนที่ต่อเนื่องถ้าไม่มีแรงใดๆที่ไม่เท่ากับ 0 มากระทำต่อวัถุนั้นๆ

ซึ่งจากจุดนี้ จึงเชื่อมต่อกับกฎข้อที่ 2

• เมื่อมีแรงลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์มากระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุที่มีมวลเกิดการเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง โดยขนาดของแรงจะเท่ากับมวลคูณความเร่ง
• ทุกแรงกิริยาย่อมมีแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามเสมอ

ฟิสิกส์(Physics)

ฟิสิกส์

ฟิสิกส์ (อังกฤษ: Physics, กรีก: φυσικός [phusikos], "เป็นธรรมชาติ" และ กรีก: φύσις [phusis], "ธรรมชาติ") เป็นวิทยาศาสตร์ ที่เกี่ยวข้องกับ สสาร  และ พลังงาน  ศึกษาการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ และ ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสสารกับพลังงาน รวมทั้งเป็นความรู้พื้นฐานที่นำไปใช้ในการพัฒนาเทคโนโลยีเกี่ยวกับการผลิต และเครื่องใช้ต่าง ๆ เพื่ออำนวยความสะดวกแก่มนุษย์ ตัวอย่างเช่น การนำความรู้พื้นฐานทางด้านแม่เหล็กไฟฟ้า ไปใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ (โทรทัศน์ วิทยุ คอมพิวเตอร์ โทรศัพท์มือถือ ฯลฯ) อย่างแพร่หลาย หรือ การนำความรู้ทางอุณหพลศาสตร์ไปใช้ในการพัฒนาเครื่องจักรกลและยานพาหนะ ยิ่งไปกว่านั้นความรู้ทางฟิสิกส์บางอย่างอาจนำไปสู่การสร้างเครื่องมือใหม่ที่ใช้ในวิทยาศาสตร์สาขาอื่น เช่น การนำความรู้เรื่องกลศาสตร์ควอนตัม ไปใช้ในการพัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ใช้ในชีววิทยา เป็นต้น

นักฟิสิกส์ศึกษาธรรมชาติ ตั้งแต่สิ่งที่เล็กมาก เช่น อะตอม และ อนุภาคย่อย ไปจนถึงสิ่งที่มีขนาดใหญ่มหาศาล เช่น จักรวาลจึงกล่าวได้ว่า ฟิสิกส์ คือ ปรัชญาธรรมชาติเลยทีเดียว

ในบางครั้ง ฟิสิกส์ ถูกกล่าวว่าเป็น แก่นแท้ของวิทยาศาสตร์ (fundamental science) เนื่องจากสาขาอื่น ๆ ของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ เช่น ชีววิทยา หรือ เคมี ต่างก็มองได้ว่าเป็น ระบบของวัตถุต่าง ๆ หลายชนิดที่เชื่อมโยงกัน โดยที่เราสามารถสามารถอธิบายและทำนายพฤติกรรมของระบบดังกล่าวได้ด้วยกฎต่าง ๆ ทางฟิสิกส์ ยกตัวอย่างเช่น คุณสมบัติของสารเคมีต่าง ๆ สามารถพิจารณาได้จากคุณสมบัติของโมเลกุลที่ประกอบเป็นสารเคมีนั้น ๆ โดยคุณสมบัติของโมเลกุลดังกล่าว สามารถอธิบายและทำนายได้อย่างแม่นยำ โดยใช้ความรู้ฟิสิกส์สาขาต่าง ๆ เช่น กลศาสตร์ควอนตัม, อุณหพลศาสตร์ หรือ ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นต้น

ในปัจจุบัน วิชาฟิสิกส์เป็นวิชาที่มีขอบเขตกว้างขวางและได้รับการพัฒนามาแล้วอย่างมาก งานวิจัยทางฟิสิกส์มักจะถูกแบ่งเป็นสาขาย่อยๆ หลายสาขา เช่น ฟิสิกส์ของสสารควบแน่น ฟิสิกส์อนุภาคฟิสิกส์อะตอม-โมเลกุล-และทัศนศาสตร์ ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ฟิสิกส์พลศาสตร์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น-และเคออส และ ฟิสิกส์ของไหล (สาขาย่อย ฟิสิกส์พลาสมา สำหรับงานวิจัย ฟิวชั่น) นอกจากนี้ยังอาจแบ่งการทำงานของนักฟิสิกส์ออกได้อีกสองทาง คือ นักฟิสิกส์ที่ทำงานด้านทฤษฎี และ นักฟิสิกส์ที่ทำงานทางด้านการทดลอง โดยที่งานของนักฟิสิกส์ทฤษฎีเกี่ยวข้องกับการพัฒนาทฤษฎีใหม่ แก้ไขทฤษฎีเดิม หรือ อธิบายการทดลองใหม่ๆ ในขณะที่ งานการทดลองนั้นเกี่ยวข้องกับการทดสอบทฤษฎีที่นักฟิสิกส์ทฤษฎีสร้างขึ้น การตรวจทดสอบการทดลองที่เคยมีผู้ทดลองไว้ หรือแม้แต่ การพัฒนาการทดลองเพื่อหาสภาพทางกายภาพใหม่ๆ

ทั้งนี้ขอบเขตของวิชาฟิสิกส์ภาคปฏิบัติ ขึ้นอยู่กับขีดจำกัดของการสังเกต และประสิทธิภาพของเครื่องมือวัด ถ้าเทคโนโลยีของเครื่องมือวัดพัฒนามากขึ้น ข้อมูลที่ได้จะมีความละเอียดและถูกต้องมากขึ้น ทำให้ขอบเขตของวิชาฟิสิกส์ยิ่งขยายออกไป ข้อมูลที่ได้ใหม่ อาจไม่สอดคล้องกับสิ่งที่ทฤษฎีและกฎที่มีอยู่เดิมทำนายไว้ ทำให้ต้องสร้างทฤษฏีใหม่ขึ้นมาเพื่อทำให้ความสามารถในการทำนายมีมากขึ้น

งานวิจัยทางฟิสิกส์

ฟิสิกส์เชิงทดลอง กับ ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี

งานวิจัยทางฟิสิกส์แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ ที่แตกต่างกันอย่างชัดเจนดังนี้

ฟิสิกส์เชิงทดลอง (experimental physics)

คือการสังเกต, การทดลอง และเก็บรวบรวมข้อมูล มาวิเคราะห์เพื่อทดสอบกฎของฟิสิกส์ที่มีอยู่ ว่าถูกต้องหรือไม่

ในปัจจุบันโฉมหน้าของการทดลองทางฟิสิกส์แตกต่างจากการทดลองของนักฟิสิกส์ในอดีตเมื่อร้อยกว่าปีที่แล้วมาก ในสมัยก่อนนับตั้งแต่กาลิเลโอเป็นต้นมา การทดลองเพื่อแสวงความรู้ใหม่ๆที่สามารถพลิกโฉมความรู้เดิมที่มีอยู่อาจทำได้โดยการทดลองที่ไม่ซับซ้อนมากอาจดำเนินการทดลองได้โดยคนเพียงคนเดียว แม้กระทั่งช่วงระหว่างปี ค.ศ. 1840 - 1900 ซึ่งเป็นช่วงบุกเบิกเรื่องแรงแม่เหล็กไฟฟ้าอุปกรณ์ของไมเคิล ฟาราเดย์ก็สามารถสร้างได้อย่างง่ายๆด้วยตนเอง แม้กระทั่งอุปกรณ์ที่นำไปสู่การค้นพบอิเล็กตรอนซึ่งก็คือหลอดรังสีแคโทดก็ไม่ได้ซับซ้อนเมื่อเทียบกับหลอดภาพของจอคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน

ในยุคปัจจุบันการสร้างเครื่องมือเพื่อบุกเบิกพรมแดนใหม่ในฟิสิกส์ โดยเฉพาะในส่วนของวิชาฟิสิกส์อนุภาคและจักรวาลวิทยาเป็นเรื่องที่ สลับซับซ้อนมาก บางโครงการอย่าง Gravity Probe Bซึ่งเป็นดาวเทียมทำหน้าที่ตรวจสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ก็ต้องใช้เวลาในการดำเนินโครงการถึง 40 กว่าปี (ตั้งแต่เสนอโครงการโดย Leonard Schiff เมื่อปี ค.ศ. 1961 ซึ่งเพิ่งจะได้ปล่อยดาวเทียมสู่วงโคจรเมื่อปี ค.ศ. 2004 ซึ่งตัว Schiff เองก็ถึงแก่กรรมไปก่อนหน้านั้นแล้ว) โครงการบางโครงการก็ต้องอาศัยการร่วมมือกันในระดับนานาชาติที่ต้องสนับสนุนทั้งกำลังคนและงบประมาณ เช่น โครงการเครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC)  ที่ CERN (เป็นศูนย์วิจัยที่ปรากฏในตอนต้นของนิยาย เทวากับซาตาน ของ แดน บราวน์) ก็ต้องใช้อุโมงค์ใต้ดินเป็นวงแหวนที่มีเส้นรอบวงถึง 27 กิโลเมตร ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่แพงเกินกว่าที่จะเป็นโครงการที่สร้างโดยประเทศเดียว ในการที่จะเสนอขออนุมัติโครงการเพื่อสร้างการทดลองใหญ่โตที่แสนแพงเช่นนี้ต้องอาศัยความรู้ทางด้านฟิสิกส์เชิงทฤษฎีช่วยเป็นอย่างมาก หลายครั้งก่อนที่จะเสนอโครงการจะต้องมีการสร้างแบบจำลองที่ละเอียดและซับซ้อนเพื่อที่จะทำนายล่วงหน้าว่าเครื่องมือที่สร้างขึ้นจะวัดอะไรได้บ้างและผลการทดลองจะออกมาในลักษณะใด ตัวอย่างเช่น เครื่องเร่งอนุภาค LHC ก็ต้องมีการคำนวณมาก่อนว่ามวลของอนุภาคฮิกส์ ทำนายจากแบบจำลองSuper Symmetryจะอยู่ในระดับพลังงานใด จะตรวจวัดได้ไหมเป็นต้น ซึ่งแน่นอนว่า มวลของอนุภาคฮิกส์ จากแบบจำลองต่างๆ ก็เป็นเพียงหนึ่งในอีกหลายๆ ปรากฏการณ์ที่ฟิสิกส์ทฤษฎีทำทายไว้ล่วงหน้าให้ได้ก่อนสร้างเครื่องเร่งอนุภาคอย่าง LHC นั่นคือ นักฟิสิกส์ในปัจจุบันต้องมั่นใจถึงระดับหนึ่งว่าผลการทดลองจากโครงการต่างๆจะต้องคุ้มค่ากับเงินที่ลงทุนไป

จากขนาดของข้อมูลที่ได้ในแต่ละการทดลองใหญ่ๆในปัจจุบัน ทำให้นักฟิสิกส์ไม่สามารถทำอย่างสมัยก่อน เช่น Heinrich R. Hertz (ผู้ค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งสามารถทำการทดลอง นำผลการทดลองไปวิเคราะห์และสร้างทฤษฎีที่อธิบายได้ด้วยตนเองเพียงคนเดียว ในปัจจุบันการวิเคราะห์ข้อมูลที่มาจากการทดลองขนาดใหญ่ๆ เช่น เครื่องเร่งอนุภาค หรือ ดาวเทียมสำรวจอวกาศต่างๆ ต้องอาศัยความร่วมมือกัน ของสถาบันวิจัยหลายๆแห่งทั่วโลก ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องแปลกในปัจจุบันที่นักฟิสิกส์บางคนอาจอุทิศเวลาทั้งหมดให้กับการวิเคราะห์ข้อมูลด้วยคอมพิวเตอร์เพียงอย่างเดียว ซึ่งนับเป็นขั้นตอนที่สำคัญมากก่อนที่นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี (ซึ่งโดยมากจะไม่ทราบรายละเอียดของวิธีการทดลอง) จะนำข้อมูลที่ย่อยแล้วไปตรวจสอบแบบจำลองที่ได้จากทฤษฎีเดิมที่มีอยู่ว่าสอดคล้องหรือแตกต่างอย่างไร ซึ่งจะนำไปสู่การปรับปรุงหรือค้นพบทฤษฎีฟิสิกส์ใหม่ในที่สุด

อย่างไรก็ดีกระแสหลักฟิสิกส์เชิงทดลองในปัจจุบันได้เปลี่ยนแนวทางจากการแสวงหาสุดเขตุแดนของทฤษฎีพื้นฐาน มาเป็นการนำเอาทฤษฎีพื้นฐานมาประยุกต์เป็นเทคโนโลยีที่สัมผัสได้ในชีวิตประจำวันมากกว่า ดังจะเห็นได้จากหัวข้อวิจัย Carbon nanotubes เป็นหัวข้อที่ได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวาง และมีคนให้ความสนใจมากที่สุด เมื่อประเมินจาก h index  ในการทดลองที่มีขนาดย่อมลงมา เช่นในสาขาสสารควบแน่น หรือ นาโนเทคโนโลยี นักทดลองส่วนใหญ่สามารถวิเคราะห์ข้อมูลได้เองว่าเป็นไปตามทฤษฎีหรือไม่ และในบางครั้งก็อาจเสนอแบบจำลองใหม่ได้เองด้วย หน้าที่ของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจะเป็นผู้เชื่อมโยงข้อเท็จจริงที่ได้จากในแต่ละการทดลองที่หลากหลายเข้าด้วยกัน และหาแบบจำลองหลักที่สามารถอธิบายการทดลองได้ครอบคลุมกว้างขวางที่สุด ซึ่งรวมถึงการทดลองใหม่ๆที่จะตามมาในอนาคต

ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี (theoretical physics)

คือการสร้างแบบจำลองทางความคิดโดยหลักการทางคณิตศาสตร์ นำไปสู่การสร้างทฤษฎีทางฟิสิกส์ โดยมีการทดลองทดสอบความถูกต้องของทฤษฎีในภายหลัง

นักฟิสิกส์ในยุคปัจจุบัน หาได้ยากมากที่จะมีความชำนาญและเชี่ยวชาญในฟิสิกส์ทั้งสองประเภท (โดยนักฟิสิกส์รุ่นหลังที่มีความสามารถสูงทั้งสองด้าน ที่พอจะยกตัวอย่างได้คือ เอนริโก แฟร์มี) ซึ่งตรงกันข้ามกับนักทฤษฎีเคมีหรือนักทฤษฎีชีววิทยาที่มักจะเก่งด้านทดลองด้วย

ทฤษฎี	หัวข้อหลักในทฤษฎี	หลักการที่สำคัญของทฤษฎี
กลศาสตร์ดั้งเดิม	กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน, กลศาสตร์แบบลากรางช์, กลศาสตร์แบบแฮมิลโตเนียน, ทฤษฎีเคออส, เวลา, การเคลื่อนที่, ความยาว, ความเร็ว, มวล, โมเมนตัม, แรง, พลังงาน, โมเมนตัมเชิงมุม, ทอร์ก, กฎการอนุรักษ์, การสั่นแบบฮาร์โมนิก, คลื่น, งาน, กำลัง,
ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า	ไฟฟ้าสถิต, ไฟฟ้า, แม่เหล็ก, สมการของแมกซ์เวลล์, แสง	ประจุไฟฟ้า, กระแสไฟฟ้า, สนามไฟฟ้า, สนามแม่เหล็ก, สนามแม่เหล็กไฟฟ้า,การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า, Magnetic monopole
อุณหพลศาสตร์และกลศาสตร์สถิติ	เครื่องจักรความร้อน, ทฤษฎีจลน์	ค่าคงที่ของโบลทซ์มันน์, เอนโทรปี, พลังงานอิสระ, ความร้อน, พาร์ทิชันฟังก์ชัน,อุณหภูมิ
ทฤษฎีควอนตัม	Path integral formulation, สมการของชเรอดิงเงอร์, ทฤษฎีสนามควอนตัม	แฮมิลโตเนียน, อนุภาคสมมูล, ค่าคงที่ของพลังค์, Quantum entanglement, การสั่นแบบควอนตัมฮาร์โมนิก, ฟังก์ชันคลื่น, Zero-point energy
ทฤษฎีสัมพัทธภาพ	ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ, ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป	Four-momentum, กรอบอ้างอิงเฉื่อย, กาลอวกาศ, ความเร็วแสง, หลักแห่งความสมมูล,สมการสนามของไอน์สไตน์, ความโค้งของกาลอวกาศ, เทนเซอร์พลังงาน-โมเมนตัม,Schwarzschild solution, การแปลงแบบลอเรนทซ์, หลุมดำ

สาขาหลักในฟิสิกส์

งานวิจัยฟิสิกส์ปัจจุบันแบ่งย่อยออกเป็นสาขาต่างๆ ซึ่งศึกษาธรรมชาติในแง่มุมที่ต่างกัน ฟิสิกส์ของสารควบแน่น เป็นวิชาซึ่งศึกษาคุณสมบัติของสสารในชีวิตประจำวันเช่นของแข็งและของเหลวจากระดับอันตรกิริยาระหว่างอะตอมขึ้นมา และประเมินกันว่าเป็นสาขาที่กว้างขวางที่สุดของฟิสิกส์ปัจจุบัน สาขาฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์ศึกษาพฤติกรรมของอะตอมและโมเลกุล และรูปแบบที่แสงถูกดูดกลืนและปล่อยออกจากอะตอมและโมเลกุล ฟิสิกส์อนุภาค หรือที่รู้จักกันในชื่อฟิสิกส์พลังงานสูง ซึ่งเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของอนุภาคระดับเล็กกว่าอะตอม เช่นอนุภาคพื้นฐานที่เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของสสารทั้งหมด ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ประยุกต์ใช้กฎทางฟิสิกส์เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ต่างๆ ตั้งแต่ดวงอาทิตย์และวัตถุในระบบสุริยะไปจนถึงตัวเอกภพทั้งหมด

สาขา	สาขาย่อย	ทฤษฎีหลัก	หลักการที่สำคัญ
ฟิสิกส์ดาราศาสตร์	จักรวาลวิทยา, วิทยาศาสตร์ของดวงดาว, ฟิสิกส์พลาสมา	บิ๊กแบง, Cosmic inflation, สัมพัทธภาพทั่วไป, กฎความโน้มถ่วงสากล	หลุมดำ, Cosmic background radiation, กาแลคซี่, ความโน้มถ่วง, Gravitational radiation, ดาวเคราะห์, ระบบสุริยะ, ดาวฤกษ์
ฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และทัศนศาสตร์	ฟิสิกส์อะตอม, ฟิสิกส์โมเลกุล, ฟิสิกส์ทัศนศาสตร์, โฟตอนิกส์	ทฤษฎีควอนตัม ทฤษฎีสนามควอนตัม ทฤษฎีอิเล็กโทรดายนามิกส์ควอนตัม	อะตอม, การกระเจิง, รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า, เลเซอร์, โพลาไรเซชัน, เส้นสเปคตรัม
ฟิสิกส์อนุภาค	ฟิสิกส์ของเครื่องเร่งอนุภาค,ฟิสิกส์นิวเคลียร์	The Standard Model, Grand unification theory, ทฤษฎีเอ็ม	อันตรกิริยาพื้นฐาน (อันตรกิริยาโน้มถ่วง, อันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า, อันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างอ่อน, อันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างแรง) , อนุภาคพื้นฐาน, ปฏิยานุภาค, สปิน, Spontaneous symmetry breaking, Theory of everything Vacuum energy
ฟิสิกส์ของสสารควบแน่น	ฟิสิกส์สถานะของแข็ง,ฟิสิกส์วัสดุ, ฟิสิกส์พอลิเมอร์	BCS theory, Bloch wave, ก๊าซแฟร์มี, ของเหลวแฟร์มี, ทฤษฎีหลายวัตถุ	สถานะ (ก๊าซ, ของเหลว, ของแข็ง, การควบแน่นโบซ-ไอน์สไตน์, ตัวนำยิ่งยวด, superfluid) , Electrical conduction, Magnetism, Self-organization, สปิน, Spontaneous symmetry breaking

สาขาที่เกี่ยวข้อง

มีสาขาวิจัยมากมายที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์และศาสตร์อื่นรวมกัน ตัวอย่างเช่น ชีวฟิสิกส์ เป็นสาขาที่หลากหลายและเกี่ยวข้องกับการศึกษาบทบาทของหลักการทางฟิสิกส์ในกระบวนการทางชีววิทยา

โสตศาสตร์ - ดาราศาสตร์ - ชีวฟิสิกส์ - ฟิสิกส์เชิงคำนวณ - อิเล็กทรอนิกส์ - วิศวกรรม - ธรณีฟิสิกส์ - วิทยาศาสตร์วัสดุ - คณิตศาสตร์ฟิสิกส์ - ฟิสิกส์การแพทย์ - เคมีฟิสิกส์ - ฟิสิกส์ของคอมพิวเตอร์- เคมีควอนตัม - เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัม - พลศาสตร์ของพาหนะ

หัวข้อในฟิสิกส์

• การวัด
• กลศาสตร์
  • มวล แรง และ การเคลื่อนที่
  • งาน และ พลังงาน
  • โมเมนตัม
  • สมบัติของสสาร ก๊าซ ของเหลว ของแข็ง ของไหล ความร้อน/อุณหพลศาสตร์
• คลื่น
  • สมบัติของคลื่น
  • เสียง
  • แสง
• แม่เหล็กไฟฟ้า
  • ไฟฟ้าสถิตย์
  • กระแสไฟฟ้า
  • แม่เหล็ก-ไฟฟ้า
  • ไฟฟ้ากระแสสลับ
  • คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
• นิวเคลียร์ฟิสิกส์
  • อะตอม อิเล็กตรอน
  • นิวเคลียร์ กัมมันตภาพรังสี