ในบรรดาชุดบทความทั้ง 5 เรื่องเกี่ยวกับการสอนเรื่องงานและพลังงงาน (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 ของการเรียนการสอนวิทยาศาสตร์)
สมการพื้นฐานเรื่องงานและพลังงานมีดังนี้ (หน้า 211)
ΔEsystem = ΣT
โดย ΔEsystem 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 (ดังที่ผู้เขียนบทความได้กล่าวไปแล้วในบทความที่ 2) ในขณะเดียวกัน เราต้องมีการกำหนด “ช่วงเวลา” ของการพิจารณางานและพลังงานของระบบด้วย
เราสามารถเขียนสมการพื้นฐานข้างต้นให้ละเอียดมากขึ้น ดังนี้
ΔK + ΔU + ΔEint = W + Q + TMT + TMW + TER + TET
โดย
ΔK คือ พลังงานจลน์ของระบบที่เปลี่ยนไป
ΔU คือ พลังงานศักย์ของระบบที่เปลี่ยนไป
ΔEint คือ พลังงานภายในของระบบที่เปลี่ยนไป
W คือ งานที่เกิดขึ้นกับระบบ (ซึ่งอาจเป็นงานที่ระบบกระทำกับสิ่งแวดล้อม หรืออาจเป็นงานที่สิ่งแวดล้อมกระทำกับระบบ)
Q คือ พลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในรูปแบบของความร้อน (เนื่องอุณหภูมิของระบบและของสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน)
TMT คือ พลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในรูปแบบของปริมาณสสาร (นั่นคือ การเพิ่มหรือสูญเสียมวลของระบบ เช่น การเติมเชื้อเพลิง หรือ การปลดปล่อยเขม่าควันจากการเผาไหม้)
TMW คืิอ พลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในรูปแบบของคลื่นกล (เช่น เสียง และ การสั่น)
TER คืิอ พลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น แสง และ คลื่นไมโครเวฟ)
TET คืิอ พลังงานที่เข้าหรือออกจากระบบในรูปแบบของพลังงานไฟฟ้า (นั่นคือ การถ่ายโอนประจุไฟฟ้า)
จากสมการข้างต้นนี้ เราสามารถพิจารณาว่า สถานการณ์ที่เราสนใจนั้นเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบแบบใดบ้าง (นั่นคือ ΔK + ΔU + ΔEint) และเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานเข้าและออกจากระบบในรูปแบบใดบ้าง (นั่นคือ W + Q + TMT + TMW + TER + TET) แล้วลดรูปสมการนั้นให้เหลือเพียงสิ่งที่เกี่ยวข้องกับสถานการณ์นั้น
ตัวอย่างเช่น ในสถานการณ์ที่เป็นระบบปิด (ซึ่งไม่มีการถ่ายโอนพลังงานใดๆ เลย–นั่นคือ ΣT = 0 และพลังงานภายในระบบมีค่าคงตัว–นั่นคือ ΔEint = 0) และไม่มีแรงภายนอกใดๆ มากระทำกับระบบ สมการข้างต้นจะถูกลดรูปให้เหลือเพียงแค่ ΔK + ΔU = 0 นั่นคือ กฎการอนุรักษ์พลังงานกล
อีกตัวอย่างหนึ่ง เช่น ระบบที่ประกอบด้วยแก๊สในอุดมคติอยู่ภายในลูกสูบ ซึ่งสามารถเคลื่อนที่เข้าหรือออกได้ (W ≠ 0) โดยท่อของลูกสูบสามารถนำความร้อนได้ (Q ≠ 0) และไม่มีการถ่ายโอนพลังงานหรือการเปลี่ยนรูปพลังงานใดๆ ดังนั้น จากสถานการณ์นี้ เราสามารถลดรูปสมการข้างต้นให้เหลือเพียง ΔEint = W + Q ซึ่งก็คือกฎเทอร์โมไดนามิกส์ข้อที่ 1 นั่นเอง
บทความนี้ยังมีตัวอย่างอื่นๆ อีกนะครับ อาจารย์ที่สนใจสามารถอ่านได้จากต้นฉบับ
ผู้เขียนสรุปในตอนท้ายของบทความว่า ผู้สอนควรใช้เวลาตั้งแต่ช่วงแรกๆ ของการสอนไปกับการนำเสนอและอภิปรายสมการพื้นฐานข้างต้น (กฎการอนุรักษ์พลังงานของระบบใดๆ ในช่วงเวลาหนึ่ง) ซึ่งสามารถใช้ได้ในทุกสถานการณ์ จากนั้น ผู้สอนค่อยนำเสนอว่า สมการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับพลังงานเป็นเพียงรูปแบบหนึ่งของสมการพื้นฐานนั้น ซึ่งถูกลดรูปให้เหมาะสมกับสถานการณ์เฉพาะใดๆ
ผมขอไม่พูดถึงบทความที่ 5 ซึ่งเป็นบทความสุดท้ายแล้วนะครับ เดี๋ยวอาจารย์ที่ไม่ได้สอนวิชาฟิสิกส์จะเบื่อซะก่อน