# Energy and the Confused Student IV: A Global Approach to Energy

ในบรรดาชุดบทความทั้ง 5 เรื่องเกี่ยวกับการสอนเรื่องงานและพลังงงาน ([Energy and the Confused Student](http://www.inquiringmind.in.th/forums/topic/energy-and-the-confused-student)) บทความที่ 4 น่าจะเป็นบทความที่สำคัญที่สุด เพราะเป็นการนำเสนอแนวทางการสอนแบบใหม่ ซึ่งผู้เขียนเรียกว่า “**A Global Approach to Energy**”

ในบทความนี้ ผู้เขียนเสนอว่า การสอนเรื่องงานและพลังงานควรเริ่มต้นจากสมการพื้นฐานเพียงสมการเดียว และหากมีสมการย่อยอื่นๆ สมการเหล่านั้นเป็นส่วนหนึ่ง ซึ่งถูกลดรูปมาจากสมการพื้นฐานนั้น โดยสมการพื้นฐานในเรื่องงานและพลังงานก็คือสมการที่แสดงถึง “กฎการอนุรักษ์พลังงาน” ของระบบใดๆ ภายในช่วงเวลาหนึ่งๆ (อาจารย์คงจำกันได้นะครับว่า “กฎการอนุรักษ์พลังงาน” เป็นหนึ่งใน [Big Ideas](http://www.inquiringmind.in.th/archives/391) ของการเรียนการสอนวิทยาศาสตร์)

สมการพื้นฐานเรื่องงานและพลังงานมีดังนี้ (หน้า 211)

ΔE<sub>system</sub> = ΣT

โดย ΔE<sub>system</sub> คือ ปริมาณพลังงานของระบบที่เปลี่ยนไปในช่วงเวลาหนึ่ง ส่วน ΣT คือ ผลรวมของปริมาณพลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในช่วงเวลาเดียวกัน

เราสามารถสรุปสมการพื้นฐานข้างต้นเป็นประโยคได้ว่า

> การเปลี่ยนแปลงพลังงานทั้งหมดของระบบในช่วงเวลาหนึ่งมีค่าเท่ากับปริมาณพลังงานทั้งหมดที่เข้าหรือออกจากระบบนั้นในช่วงเวลาเดียวกัน
> 
> … the total change in energy of the system during some time interval is exactly equal to the net amount of energy crossing the system boundary.

สิ่งสำคัญคือว่า เราต้องมีการกำหนด “ระบบ” ในการพิจารณางานและพลังงาน (ดังที่ผู้เขียนบทความได้กล่าวไปแล้วใน[บทความที่ 2](http://www.inquiringmind.in.th/archives/425)) ในขณะเดียวกัน เราต้องมีการกำหนด “ช่วงเวลา” ของการพิจารณางานและพลังงานของระบบด้วย

เราสามารถเขียนสมการพื้นฐานข้างต้นให้ละเอียดมากขึ้น ดังนี้

ΔK + ΔU + ΔE<sub>int</sub> = W + Q + T<sub>MT</sub> \+ T<sub>MW</sub> \+ T<sub>ER</sub> \+ T<sub>ET</sub>

โดย

ΔK คือ พลังงานจลน์ของระบบที่เปลี่ยนไป  
ΔU คือ พลังงานศักย์ของระบบที่เปลี่ยนไป  
ΔE<sub>int</sub> คือ พลังงานภายในของระบบที่เปลี่ยนไป  
W คือ งานที่เกิดขึ้นกับระบบ (ซึ่งอาจเป็นงานที่ระบบกระทำกับสิ่งแวดล้อม หรืออาจเป็นงานที่สิ่งแวดล้อมกระทำกับระบบ)  
Q คือ พลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในรูปแบบของความร้อน (เนื่องอุณหภูมิของระบบและของสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน)  
T<sub>MT</sub> คือ พลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในรูปแบบของปริมาณสสาร (นั่นคือ การเพิ่มหรือสูญเสียมวลของระบบ เช่น การเติมเชื้อเพลิง หรือ การปลดปล่อยเขม่าควันจากการเผาไหม้)  
T<sub>MW</sub> คือ พลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในรูปแบบของคลื่นกล (เช่น เสียง และ การสั่น)  
T<sub>ER</sub> คือ พลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น แสง และ คลื่นไมโครเวฟ)  
T<sub>ET</sub> คือ พลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในรูปแบบของพลังงานไฟฟ้า (นั่นคือ การถ่ายโอนประจุไฟฟ้า)

จากสมการข้างต้นนี้ เราสามารถพิจารณาว่า สถานการณ์ที่เราสนใจนั้นเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบแบบใดบ้าง (นั่นคือ ΔK + ΔU + ΔE<sub>int</sub>) และเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานเข้าและออกจากระบบในรูปแบบใดบ้าง (นั่นคือ W + Q + T<sub>MT</sub> \+ T<sub>MW</sub> \+ T<sub>ER</sub> \+ T<sub>ET</sub>) แล้วลดรูปสมการนั้นให้เหลือเพียงสิ่งที่เกี่ยวข้องกับสถานการณ์นั้น

ตัวอย่างเช่น ในสถานการณ์ที่เป็นระบบปิด (ซึ่งไม่มีการถ่ายโอนพลังงานใดๆ เลย–นั่นคือ ΣT = 0 และพลังงานภายในระบบมีค่าคงตัว–นั่นคือ ΔE<sub>int</sub> = 0) และไม่มีแรงภายนอกใดๆ มากระทำกับระบบ สมการข้างต้นจะถูกลดรูปให้เหลือเพียงแค่ ΔK + ΔU = 0 นั่นคือ กฎการอนุรักษ์พลังงานกล

อีกตัวอย่างหนึ่ง เช่น ระบบที่ประกอบด้วยแก๊สในอุดมคติอยู่ภายในลูกสูบ ซึ่งสามารถเคลื่อนที่เข้าหรือออกได้ (W ≠ 0) โดยท่อของลูกสูบสามารถนำความร้อนได้ (Q ≠ 0) และไม่มีการถ่ายโอนพลังงานหรือการเปลี่ยนรูปพลังงานใดๆ ดังนั้น จากสถานการณ์นี้ เราสามารถลดรูปสมการข้างต้นให้เหลือเพียง ΔE<sub>int</sub> = W + Q ซึ่งก็คือกฎเทอร์โมไดนามิกส์ข้อที่ 1 นั่นเอง

บทความนี้ยังมีตัวอย่างอื่นๆ อีกนะครับ อาจารย์ที่สนใจสามารถอ่านได้จาก[ต้นฉบับ](http://www.loreto.unican.es/Carpeta2012/TPTJewett%28IV%29.pdf)

ผู้เขียนสรุปในตอนท้ายของบทความว่า ผู้สอนควรใช้เวลาตั้งแต่ช่วงแรกๆ ของการสอนไปกับการนำเสนอและอภิปรายสมการพื้นฐานข้างต้น (กฎการอนุรักษ์พลังงานของระบบใดๆ ในช่วงเวลาหนึ่ง) ซึ่งสามารถใช้ได้ในทุกสถานการณ์ จากนั้น ผู้สอนค่อยนำเสนอว่า สมการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับพลังงานเป็นเพียงรูปแบบหนึ่งของสมการพื้นฐานนั้น ซึ่งถูกลดรูปให้เหมาะสมกับสถานการณ์เฉพาะใดๆ