ถ้าผู้อ่านเคยได้ศึกษาวิชาฟิสิกส์ในสมัยเรียนมัธยมปลายมาบ้างแล้ว ก็น่าจะเคยได้ยินประโยคที่ว่า “พลังงานเป็นสิ่งที่ไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่และไม่สามารถทำให้สูญหายหรือทำลายได้” ซึ่งเป็นประโยคที่เราจะได้ยินจากบทเรียนเรื่องงานและพลังงาน แต่ในวันนี้เราจะพามาทำความเข้าใจกันว่า ทำไมพลังงานเป็นสิ่งที่ไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ทั้ง ๆ ที่เราก็มีการสร้างพลังงานไฟฟ้าใช้กันอยู่ทุกวัน และทำไมพลังงานไม่สามารถทำให้สูญหายหรือทำลายได้ ทั้ง ๆ ที่เราก็ใช้งานสมาร์ตโฟนจนแบตหมดกันอยู่ทุกวัน แต่ก่อนที่เราจะไปเรียนรู้เรื่องกฎการอนุรักษ์พลังงาน เราต้องมาทำความรู้จักกับพลังงานเบื้องต้นกันก่อน

ภาพที่ 1 เครื่องจักรพลังงานกล
ที่มา https://pixabay.com, blickpixel 

พลังงาน คืออะไร มีกี่ประเภท?

          พลังงานคือความสามารถที่วัตถุหนึ่ง สามารถทำงานได้ [งาน = แรง (นิวตัน) x ระยะทาง (เมตร)] เมื่อมันทำงานได้ มันก็ย่อมจะมีพลังงาน ก็เหมือนกับคน ถ้าคนคนหนึ่งสามารถทำงานได้ก็จะถือว่ามีพลังงาน ยิ่งทำงานได้มากก็แปลว่ามีพลังงานมาก หรือเปรียบเทียบอีกแบบคือ น้ำมันเชื้อเพลิงรถยนต์ (เช่น ดีเซล, เบนซิน, E20, E85, Gasohol 91 และ 95) น้ำมันเชื้อเพลิงเหล่านี้ก็มีการให้พลังงาน โดยจะต้องอาศัยการระเบิด (การเผาไหม้หรือสันดาป) ของเครื่องยนต์ในการที่จะดึงพลังงานเคมีที่แฝงตัวอยู่ในน้ำมันเชื้อเพลิงเหล่านี้ออกมาแล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานกลโดยนำไปหมุนเพลาและล้อรถยนต์ต่อไป

          พลังงานมีทั้งหมด 6 ประเภท

1. พลังงานเสียง (Sound energy) เป็นพลังงานที่ถูกสร้างจากแหล่งกำเนิดที่มีการสั่น ซึ่งจะเดินทางในลักษณะคลื่นออกไปในทุกทิศทางรอบ ๆ แหล่งกำเนิด ทั้งนี้ในการเดินทางของพลังงานประเภทนี้จะต้องอาศัยตัวกลางในการเดินทาง เช่น อากาศ, น้ำ, โลหะ, ไม้ ตัวอย่างของพลังงานประเภทนี้เช่น เสียงของมนุษย์และสัตว์ (ที่เกิดจากการสั่นของกล่องเสียง), เสียงของเครื่องดนตรี (ที่เกิดการสั่นทั้งในลักษณะ ดีด สี ตี เป่า)

2. พลังงานเคมี (Chemical energy) เมื่อเรากินอาหารอะไรก็ตามร่างกายของเราจะได้รับพลังงานนำไปทำกิจกรรมต่าง ๆ ได้ พลังงานแฝงในอาหารเหล่านั้นล้วนเป็นพลังงานเคมีทั้งสิ้น เช่นเดียวกันกับรถยนต์ที่มีการบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิงเพื่อเป็นแหล่งพลังงานในการขับเคลื่อน

3. พลังงานจากการแผ่รังสี (Radiant energy) ทั้งแสงและความร้อนเป็นพลังงานในรูปแบบ Radiant ซึ่งมีลักษณะการเดินทางแบบเดียวกับพลังงานเสียงคืออยู่ในรูปแบบคลื่นที่กระจายออกไปจากแหล่งกำเนิด แต่แตกต่างที่อาจไม่ต้องมีตัวกลางในการเดินทาง (เช่น แสง สามารถเดินทางในอวกาศได้เพราะไม่จำเป็นต้องมีตัวกลางเป็นอากาศ)

4. พลังงานไฟฟ้า (Electrical energy) พลังงานที่ผลิตโดยอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านสสารเรียกว่าพลังงานไฟฟ้า โดยมีแบตเตอรี่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ เป็นที่เก็บสะสมพลังงานไฟฟ้า และจ่ายกระแสเข้าสู่วงจรเพื่อให้เครื่องใช้ไฟฟ้านั้นทำงาน

5. พลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear energy) เป็นพลังงานมหาศาลที่ถูกปล่อยออกมาในรูปของสารกัมมันตรังสีซึ่งมีอยู่ตามธรรมชาติ หรือสารกัมมันตรังสีในระเบิดนิวเคลียร์ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือระเบิดปรมาณู ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อมีการแยกกันของอะตอม (Split atoms) หรือที่รู้จักกันโดยทั่วไปว่าปฏิกิริยา Fission

6. พลังงานกล (Mechanical energy) เป็นรูปแบบพลังงานที่แบ่งย่อยได้อีก 2 แบบ คือ พลังงานศักย์ และ พลังงานจลน์ โดยพลังงานศักย์ก็จะแบ่งย่อยไปอีกเป็น พลังงานศักย์โน้มถ่วง (วัตถุตกหรือเคลื่อนที่จากที่สูง) และพลังงานศักย์ยืดหยุ่น (สปริงหรือหนังยาง)

จริง ๆ แล้วกฎการอนุรักษ์พลังงานเป็นกฎข้อที่ 1 ของวิชาเทอร์โมไดนามิกส์

          ในวิชาเทอร์โมไดนามิกส์นั้นจะมีกฎทั้งหมด 4 ข้อ (ตั้งแต่ข้อที่ศูนย์จนถึงข้อที่สี่) ซึ่งกฎการอนุรักษ์พลังงานนี้เป็นกฎของที่ 1 จากทั้งหมดสี่ข้อดังกล่าว

          ในการศึกษาวิชาเทอร์โมไดนามิกส์นั้นเราจำเป็นต้องสร้างระบบมาก่อน

ภาพที่ 2 ไดอะแกรมของระบบเทอร์โมไดนามิกส์
ที่มา ดัดแปลงจาก https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/the-laws-of-thermodynamics/

         ทุกสิ่งที่ไม่ได้อยู่ในระบบถือเป็นสภาพแวดล้อม ระบบ (System) และ สภาพแวดล้อม (Surroundings) จะถูกแบ่งออกจากกันอย่างชัดเจนด้วยขอบเขต (Boundary) ตัวอย่างเช่นถ้ามีน้ำอยู่ในขวดแก้วปิดทุกทิศทาง ขอบเขตก็คือผนังขวดแก้วด้านในและทุกอย่างภายนอกนั้นคือสิ่งแวดล้อมรวมถึงขวดแก้วด้วย (ระบบจะเป็นอะไรก็ได้ เช่น เครื่องยนต์, ปฏิกิริยาเคมี, เซลล์ของสิ่งมีชีวิต)

         เมื่อเรารู้จักกับระบบแล้วเราลองมาตอบคำถามในตอนต้นบทความกัน

         “ทำไมพลังงานเป็นสิ่งที่ไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ทั้ง ๆ ที่เราก็มีการสร้างพลังงานไฟฟ้าใช้กันอยู่ทุกวัน”

          เพราะจริง ๆ แล้วการผลิตไฟฟ้า (ในที่นี้ขอยกตัวอย่างการผลิตไฟฟ้าโดยอาศัยพลังน้ำในเขื่อน) เป็นการเปลี่ยนรูปแบบของพลังงานจากพลังงานกลของน้ำที่กักเก็บน้ำไว้ในที่สูง โดยใช้ไดนาโมเป็นตัวเปลี่ยนโดยจะเกิดการเหนี่ยวนำขึ้นในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator) ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า

          ส่วนคำถามที่สอง “ทำไมพลังงานไม่สามารถทำให้สูญหายหรือทำลายได้ ทั้ง ๆ ที่เราก็ใช้งานสมาร์ตโฟนจนแบตหมดกันอยู่ทุกวัน”

          เพราะพลังงานไฟฟ้าหรือประจุที่ถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ (สมาร์ตโฟนส่วนใหญ่จะเป็นแบบลิเทียมไอออนที่สามารถชาร์จไฟได้หลายครั้ง) นั้นถูกปล่อยเข้าสู่วงจรของเครื่องเพื่อให้หน้าจอเกิดแสงสว่าง พลังงานไฟฟ้าถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานแสงและความร้อน ถูกปล่อยเข้าสู่ Chipset ของเครื่อง (ซึ่งทำหน้าที่เป็นผู้จัดการของซีพียูและเป็นหัวใจในการควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ทั้งหมดบน Mainboard) และถูกปล่อยเข้าสู่อุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในเครื่อง ซึ่งผู้ใช้งานอย่างเราก็จะสังเกตได้หลายครั้งว่าเมื่อเราใช้งานสมาร์ตโฟนไปสักพักมันจะเกิดความร้อนขึ้น นั้นเป็นหลักฐานยืนยันการเปลี่ยนรูปของพลังงานไฟฟ้ามาเป็นพลังงานความร้อนนั่นเอง

          จริง ๆ แล้วเรื่องราวเกี่ยวกับพลังงานยังมีอะไรให้ศึกษาอีกมาก เพราะเป็นเรื่องที่ส่งผลกระทบทั้งด้านวิทยาศาสตร์ เศรษฐศาสตร์ การเมือง สงครามการค้า และอื่น ๆ อีกหลายด้าน ซึ่งผู้เขียนก็จะมาเล่าให้ฟังอีกในโอกาสต่อไป

แหล่งที่มา

Clara Moskowitz . (August 5, 2014). Fact or Fiction?: Energy Can Neither Be Created Nor Destroyed.  Retrieved May 31, 2020 from https://www.scientificamerican.com/article/energy-can-neither-be-created-nor-destroyed/

Khan Academy . (Unknown). What is conservation of energy?.  Retrieved May 31, 2020 from https://www.khanacademy.org/science/physics/work-and-energy/work-and-energy-tutorial/a/what-is-conservation-of-energy

Kathleen Martell. (Unknown). There are many forms of energy: like solar, wind, wave and thermal to name a few, but the 6 Forms of Energy we study in Needham are: Sound, Chemical, Radiant, Electric, Atomic and Mechanical.  Retrieved May 31, 2020 from http://www2.needham.k12.ma.us/eliot/technology/lessons/energy/6_forms.html