พลังงานความร้อน พลังงานจากธรรมชาติ และจากการสร้างขึ้น

พลังงานความร้อน เป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่มนุษย์ได้มาจากหลากหลายแห่ง ทั้งจากธรรมชาติและจากการสร้างขึ้น ตัวอย่างเช่น พลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ พลังงานการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง พลังงานของเหลวร้อนใต้พื้นพิภพ พลังงานไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานน้ำในหม้อต้มน้ำ และพลังงานเปลวไฟ เป็นต้น ผลของพลังงานความร้อนจากแหล่งต่างๆเหล่านี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่อสสารได้หลายขั้น เริ่มได้ตั้งแต่การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสสาร หรือการเปลี่ยนสถานะของสสาร มากกว่านั้น พลังงานความร้อนยังสามารถทำให้กระบวนการทางเคมีเกิดการเปลี่ยนแปลงได้อีกด้วย ซึ่งในการวัดปริมาณความร้อน สามารถวัดได้ด้วยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า แคลอรี่มิเตอร์ โดยมีหน่วยของปริมาณความร้อน คือ แคลอรี่ (cal) หรือจูล (J)

หน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อนในระบบต่างๆ

แคลอรี่ (Cal) หรือกิโลแคลอรี่ (Kcal) : หน่วยของพลังงานความร้อน ในระบบเมตริก
จูล (J) หรือกิโลจูล (KJ) : หน่วยของพลังงานความร้อนในระบบเอสไอ
บีทียู (Btu) : หน่วยของพลังงานความร้อนในระบบอังกฤษ

นิยามของปริมาณความร้อน

ปริมาณความร้อน 1 แคลอรี่ คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำมวล 1 กรัมมีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส ส่วนปริมาณความร้อน 1 กิโลแคลอรี่ คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำมวล 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส โดยที่ปริมาณความร้อน 1 กิโลแคลอรี่ มีค่าเท่ากับ 1000 แคลอรี่

ปริมาณความร้อน 1 บีทียูนั้น เท่ากับปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำมวล 1 ปอนด์มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮด์ โดยที่ปริมาณความร้อน 1 บีทียูมีค่าเท่ากับ 252 แคลอรี่ หรือ 0.252 กิโลแคลอรี่ และจากการศึกษาทดลองของนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เจมส์ จูล พบว่าพลังงานความร้อน 1 แคลอรี่นั้นเกิดขึ้นได้จากการทำงาน 4.2 จูล

พลังงาน (energy) หมายถึง ความสามารถที่เกิดจากการทำงาน ซึ่งสามารถเปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปสู่อีกรูปหนึ่งได้ เช่น พลังงานเคมีจากน้ำมันเชื้อเพลิงแปรเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานความร้อนในเครื่องยนต์ แล้วจึงเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานกลส่งผลให้รถยนต์เคลื่อนที่ได้ พลังงานสามารถแบ่งแยกได้ทั้งหมด 2 ประเภท ได้แก่ พลังงานศักย์ (Potential energy) และพลังงานจลน์ (Kinetic energy) พลังงานศักย์ หมายถึง ศักยภาพที่จะทำให้เกิดงาน มีอยู่ในวัตถุที่หยุดนิ่งหรือความเร็วเป็นศูนย์ เช่น เชื้อเพลิง หรืออาหาร เป็นต้น ส่วนพลังงานจลน์นั้นหมายถึง พลังงานที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ เช่น การใช้ค้อนตอกตะปู พลังงานจลน์จะเกิดจากการที่ค้อนออกแรงทำงานดันตะปูให้เคลื่อนที่ โดยที่พลังงานจลน์จะแปรผันโดยตรงต่อมวลและความเร็วในการทำงานของค้อน

ความร้อนและอุณหภูมิ

สสารทั้งหลายนั้นเกิดขึ้นจากการรวมกันของอะตอมจนกลายเป็นโมเลกุล ซึ่งการเคลื่อนที่ของอะตอมหรือการสั่นของโมเลกุลนั้นเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดรูปแบบของพลังงานจลน์ ที่เรียกว่า ความร้อน (Heat) โดยที่พลังงานความร้อน (Heat energy) จะถูกพิจารณาจากพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอะตอมหรือโมเลกุลทั้งหมดของสสาร อุณหภูมิ (Temperature) หมายถึง การวัดค่าเฉลี่ยรวมของพลังงานจลน์ที่เกิดขึ้นจากอะตอมแต่ละตัวหรือโมเลกุลแต่ละตัวของสสาร โดยที่ปริมาณอุณหภูมิจะแปรผันโดยตรงกับปริมาณความร้อนที่สสารได้รับและแปรผันโดยตรงกับความเร็วของอะตอมหรือโมเลกุลของสสาร มีหลักการคือเมื่อเพิ่มพลังงานความร้อนให้กับสสาร อะตอมของมันจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น แต่ในทางตรงกันข้ามเมื่อเราลดพลังงานความร้อน อะตอมของสสารจะเคลื่อนที่ช้าลง ทำให้อุณหภูมิลดต่ำลง ตัวอย่างเช่น บรรยากาศ ชั้นเทอร์โมสเฟียร์หรือชั้นบนโลกที่มีมวลอากาศเบาบาง โดยจะมีอุณหภูมิสูง หากแต่มีพลังงานความร้อนน้อย เนื่องจากปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับมวลทั้งหมดของสสาร แต่อุณหภูมิเป็นเพียงค่าเฉลี่ยของพลังงานในแต่ละอะตอมเท่านั้น

เลเซอร์

เลเซอร์คือ แหล่งรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบริเวณที่อยู่ในช่วงใกล้คลื่นความถี่แสง ซึ่งลำแสงเลเซอร์เป็นคลื่นแสงที่มีช่วงคลื่นที่แคบ จึงทำให้มีความเข้มสูง มีทิศทางการเคลื่อนที่ที่เป็นแบบแผนและมีความแม่นยำ โดยการใช้เลเซอร์ในการตัดนั้นสามารถเปรียบเทียบได้กับการใช้แว่นขยายรวมแสงอาทิตย์ เพื่อทำให้เกิดจุดรวมพลังงานความร้อนขึ้น การใช้ลำแสงเลเซอร์ยิงและส่งผ่านพลังงานความร้อนแก่วัตถุ จะทำให้อุณหภูมิของวัตถุสูงขึ้นทันทีที่บริเวณจุดรับลำแสงและเมื่อเลเซอร์มีอุณหภูมิที่สูงมากพอย่อมสามารถทำให้วัตถุเกิดรูได้ รวมไปถึงเมื่อมีการเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงของพลังงานความร้อนดังกล่าวไปบนวัตถุใดๆ ก็จะสามารถตัดวัตถุได้เช่นกัน

พลาสมา อาร์ค

พลาสมาคือ ก๊าซชนิดหนึ่งที่ประกอบไปด้วยไอออนบวก ไอออนลบ อะตอม และโมเลกุลที่ถูกกระตุ้นจนเป็นกลาง มีพลังงานสูงมาก และเป็นก๊าซที่สามารถให้ความร้อนได้เร็วมาก ซึ่งพลาสมานั้นเกิดขึ้นจากการทำให้ก๊าซร้อนขึ้นที่อุณหภูมิ 24,000 องศาเซลเซียส เป็นจุดของอุณหภูมิที่จะทำให้ก๊าซแตกตัวเกิดเป็นประจุไฟฟ้า จึงมีความสามารถในการนำไฟฟ้าได้ นอกจากนี้พลาสมายังสามารถเปลี่ยนสภาพเป็นตัวนำไฟฟ้าโดยอาศัยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้อีกด้วย การใช้งานเลเซอร์และพลาสมาอาร์คจะถูกใช้สำหรับงานเชื่อมและตัดวัตถุ โดยการตัดและเชื่อมด้วยเลเซอร์จะใช้ความร้อนเพื่อให้วัตถุเกิดการระเหิด ส่วนการตัดและเชื่อมด้วยพลาสมาจะใช้การอาร์คด้วยกระแสไฟฟ้าประมาณ 140 แอมแปร์ ส่งผ่านระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้ว ทำให้เกิดการหลอมละลายอย่างรวดเร็วของชิ้นงานที่ถูกส่งเข้ามา

ประเภทของการใช้งาน

ใช้สำหรับการตัดชิ้นโลหะทั่ว ๆ ไป และสำหรับการตัดชิ้นส่วนโลหะที่ต้องการความละเอียดสูง เช่น ชิ้นส่วนเฉพาะของเครื่องจักรต่างๆ หรือหรับตัดผลิตภัณฑ์ เช่น พรมและแก้วพลาสติก เป็นต้น

ประโยชน์ของเทคโนโลยี

สามารถใช้ในการตัดชิ้นงานที่มีรูปร่างสลับซับซ้อนได้ดี ให้งานมีที่คุณภาพ แม่นยำ ถูกต้อง มีความสามารถในการผลิตสูง และมีค่าใช้จ่ายในการใช้งาน รวมทั้งค่าใช้จ่ายด้านพลังงานต่ำ