เรื่องของพลังงาน

 


ตอน พลังงานมาจากไหน

     

นับจากนี้เป็นต้นไป พื้นที่อันมีค่าตรงนี้จะถูกใช้เพื่อเป็นการนำคุณผู้อ่านไปตาม "เส้นทางสู่พลังงานสีเขียว" เราจึงอยากจะขอชักชวนคุณติดตามการเดินทางครั้งนี้ที่มีจุดมุ่งหมาย... ในการนำไปพบกับเรื่องราวอันเป็นสาระน่ารู้ด้าน "พลังงานสะอาด" พลังงานที่กำลังได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก และหากเรามาร่วมใจกันให้ความสำคัญ ไม่มองเห็นเป็นเรื่องไกลตัว ก็คงจะเป็นข่าวดีสำหรับประเทศไทยที่จะได้มีแหล่งพลังงานใหม่ๆ จากธรรมชาติ ซึ่งสะอาด ปราศจากมลพิษใดๆ รวมถึงไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม

พลังงานมาจากไหน

การที่จะไปค้นหาคำตอบให้ได้นั้น ต้องมาทำความเข้าใจในคำว่า "พลังงาน" เสียก่อน เพื่อจะได้ไม่สับสนในที่มาที่ไปของพลังงาน ซึ่งในตอนต่อๆ ไปจะได้รู้ว่า มีพลังงานอีกมากมายหลายประเภทด้วยกัน ให้คุณลองสังเกตสิ่งต่างๆ ที่เกิดขึ้นรอบตัว เช่น รถยนต์ที่ขับเคลื่อนบนท้องถนน สามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยน้ำมันเชื้อเพลิง ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน อาหารที่รับประทานทุกวันก็เป็นแหล่งพลังงาน โดยเมื่อรับประทานเข้าไปร่างกายจะแปลงเป็นพลังงานให้เรานำไปใช้ยามทำกิจกรรมต่างๆ จากตัวอย่างเหล่านี้ พอจะนิยามได้ว่า พลังงาน คือ ความสามารถในการทำงาน (the ability or capacity to do work)1 นั่นเอง

พลังงาน มีหลายรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็น พลังงานความร้อน, พลังงานแสง, พลังงานไฟฟ้า และพลังงานเคมี เป็นต้น โดยสามารถจัดได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ คือ พลังงานศักย์2และพลังงานจลน์3
พลังงานไม่มีการสูญหายไปไหน แต่มีการเปลี่ยนรูปได้ โดยจะเปลี่ยนรูปจากพลังงานรูปแบบหนึ่งไปเป็นรูปแบบอื่น ตัวอย่างของการเปลี่ยนรูปพลังงาน เช่น รถยนต์ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงที่อยู่ในรูปของพลังงานเคมี จากนั้นเครื่องยนต์จะเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานจลน์ เพื่อให้พลังงานแก่รถยนต์ อาหารสะสมพลังงานไว้ในรูปของพลังงานเคมีซึ่งเป็นพลังงานศักย์ เมื่อรับประทานเข้าไปจะเก็บสะสมพลังงานไว้จนกระทั่งมีการทำกิจกรรม พลังงานจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ในที่สุด

 



บน: เครื่องยนต์เปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานความร้อนและพลังงานจลน์
ล่าง: ร่างกายเปลี่ยนพลังงานเคมีในอาหารให้เป็นพลังงานที่ร่างกายต้องการ
พลังงานก็มีหน่วยวัดเช่นเดียวกัน พลังงานชนิดต่างๆ มีหน่วยวัดที่แตกต่างกันออกไป เช่น บาร์เรล (barrels) หรือแกลลอน (gallons) เป็นหน่วยของน้ำมันเชื้อเพลิง, พลังงานไฟฟ้ามีหน่วยเป็น กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kilowatt-hours) และหน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน ได้แก่ บีทียู4 (Btu) เป็นระบบอังกฤษ, จูล5 (Joules;J) เป็นระบบเอสไอ และแคลอรี่6 (Cal) เป็นระบบเมตริก
ความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน เป็นดังนี้ 1 Btu = 252 Cal และ 1 Cal = 4.2 J


ความสำคัญของดวงอาทิตย์ ไม่เพียงแต่เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยจักรวาล ดวงอาทิตย์ยังเป็นแหล่งพลังงานสำคัญของโลกอีกด้วย เป็นต้นกำเนิดพลังอันมหาศาล ดวงอาทิตย์ที่มีลักษณะคล้ายลูกบอลกลมๆ ใหญ่ๆ เกิดพลังงานได้อย่างไร?
ภายในดวงอาทิตย์ประกอบด้วยก๊าซ 2 ชั้น คือ ก๊าซไฮโดรเจนอยู่ชั้นในแกนกลาง มีถึง 71% และชั้นนอกเป็นก๊าซฮีเลียม 27% เป็นเวลานานหลายล้านปีมาแล้วที่แกนกลางซึ่งมีก๊าซไฮโดรเจนเกิดการเคลื่อนตัวอย่างรวดเร็วของอะตอม วิ่งชนกันบ้าง รวมตัวกันบ้างจนเกิดเป็นก๊าซฮีเลียมอยู่ชั้นนอก กระบวนการนี้เรียกว่า Nuclear fusion ในขณะที่มีการรวมตัวเข้าด้วยกัน จะมีมวลบางส่วนหายไป และได้เปลี่ยนเป็นพลังงานอันมหาศาล


ดวงอาทิตย์สามารถผลิตพลังงานได้ถึง 3.8 x 1023 กิโลวัตต์ แพร่กระจายออกมายังอวกาศในทุกทิศทางในรูปของรังสีดวงอาทิตย์ (Solar radiation) ระยะห่างของโลกกับดวงอาทิตย์มากถึง 1.5 x 108 กิโลเมตร แต่พลังงานเดินทางมาด้วยเวลาเพียง 8 นาทีเท่านั้น พลังงานจากดวงอาทิตย์ส่งมายังโลกประมาณ 1.8 x 1014 กิโลวัตต์ (1.4 กิโลวัตต์/ตารางเมตร) และดูดซับโดยพื้นผิวโลกประมาณ 0.85 x 1014 กิโลวัตต์หรือ 47% พื้นที่ต่างๆ ทั่วโลกจะได้รับรังสีดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับองศาจากเส้นศูนย์สูตร, ระดับความสูง และฤดูกาลของพื้นที่นั้นๆ เป็นที่เชื่อกันว่า ดวงอาทิตย์ได้ทำการผลิตพลังงานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาถึง 5 ล้านล้านปีแล้ว แต่ทว่าปริมาณพลังงานที่ผลิตได้นั้นไม่คงที่เสมอไปเนื่องด้วยปัจจัยต่างๆ


พลังงานจากดวงอาทิตย์มายังโลก 100%, ดูดซับโดยพื้นผิวโลก 47%, สะท้อนกลับชั้นบรรยากาศ 30% และ 23% ดูดซับเกิดเป็นวัฏจักรน้ำ, ทะเล และลม

พลังงานความร้อนและแสงสว่างถูกปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์มายังพื้นผิวโลกในรูปของคลื่นต่างๆ7 เมื่อโลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ จะแผ่รังสีสะท้อนกลับสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งเรียกว่า รังสีโลก (Terrestrial radiation) แบ่งออกเป็น ขณะอยู่ในชั้นบรรยากาศของโลก จะสะท้อนกลับไปโดยกลุ่มเมฆและไอน้ำ และขณะตกกระทบพื้นผิวโลกที่มีหลายลักษณะ (เช่น หิน ดิน ทรายและแม่น้ำ ฯลฯ) จึงมีผลให้ความสามารถในการดูดซับและสะท้อนพลังงานจากดวงอาทิตย์แตกต่างกันด้วย นอกจากนี้ ผลกระทบจากพลังงานจากดวงอาทิตย์และชั้นบรรยากาศของโลกก็เป็นตัวกำหนดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น สภาพอากาศ, อุณหภูมิ, วัฏจักรของน้ำ (Water cycle) เมื่อน้ำดูดซับรังสีจากดวงอาทิตย์ จะระเหยกลายเป็นไอ และตกลงมาเป็นฝนและหิมะ, ลม ซึ่งเกิดจากรังสีดวงอาทิตย์ที่ทำให้พื้นผิวโลกร้อนขึ้นและแผ่ปกคลุมอากาศโดยรอบ กระแสลมร้อนจะลอยตัวขึ้นไปด้านบน และอากาศเย็นจะเคลื่อนต่ำลงเข้ามาแทนที่ ทำให้เกิดลม, พืชสีเขียวและสัตว์เซลล์เดียวบางชนิด อาศัยแสงอาทิตย์ในกระบวนการสังเคราะห์แสง (Photosynthesis) รวมถึงการเอียงของโลกเข้าหาดวงอาทิตย์ด้วยองศาที่ต่างกัน ส่งผลให้เกิดฤดูกาลที่แตกต่างกันไป

พลังงานจากดวงอาทิตย์ถือเป็นรากฐานของพลังงานทั้งมวลในโลก ซึ่งมีความจำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก อาจกล่าวได้ว่า "ดวงอาทิตย์เป็นบ่อเกิดของทุกการเคลื่อนไหวของสิ่งมีชีวิตบนโลก" ตอนหน้ามาติดตามกันต่อไป... พลังงานเกิดขึ้นได้อย่างไร? จะเกี่ยวข้องกับกระบวนการ Nuclear fusion หรือไม่?

 
1 ที่มา: www.encyclopedia.com
2 พลังงานศักย์ (Potential energy) ได้แก่ พลังงานที่มีสะสมอยู่ในตัว อันเนื่องมาจากตำแหน่งหรือสภาวะของวัตถุ เช่น พลังงานเคมีและพลังงานนิวเคลียร์ ฯลฯ
3 พลังงานจลน์ (Kinetic energy) ได้แก่ พลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ เช่น พลังงานไฟฟ้าและพลังงานความร้อน ฯลฯ
4 Btu คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำมวล 1 ปอนด์มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 °F
5 Joules คือ ปริมาณความร้อนที่มีขนาดเท่ากับงานที่เกิดจากแรง 1 นิวตัน กระทำต่อวัตถุ แล้วมีผลให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของแรงกระทำเป็นระยะทาง 1 เมตร
6 Cal คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำมวล 1 กรัมมีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 °C
7 คลื่นต่างๆ ได้แก่ รังสีคอสมิก (Cosmic ray), รังสีแกมมา (Gamma ray), รังสีเอ็กซ์ (X-Ray), คลื่นวิทยุ (Radio wave), รังสีอินฟราเรด (Infrared), รังสีอัลตร้าไวโอเลต (Ultraviolet) และรังสีที่มองเห็นได้ (Visible rays)

 
 กลับเรื่องของพลังงาน