หน่วยที่ 2: พลังงานและการอนุรักษ์พลังงาน (Energy and Conservation of Energy)

2.4 STEM: การประยุกต์ใช้พลังงานในเครื่องยนต์, เครื่องจักร, และอุปกรณ์พลังงานทดแทน

พลังงานมีบทบาทสำคัญในการขับเคลื่อนเครื่องจักรและอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่เราใช้อยู่ทุกวัน ไม่ว่าจะเป็นเครื่องยนต์ในรถยนต์ เครื่องจักรในโรงงาน หรืออุปกรณ์พลังงานทดแทน เช่น แผงโซลาร์เซลล์และกังหันลม ในหัวข้อนี้ เราจะมาดูตัวอย่างการประยุกต์ใช้พลังงานในด้านต่าง ๆ โดยอาศัยแนวคิดจากวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์ (STEM)

1. พลังงานในเครื่องยนต์

เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal Combustion Engine) เป็นหนึ่งในตัวอย่างที่ชัดเจนของการใช้พลังงานเชื้อเพลิง เช่น น้ำมันเบนซินหรือดีเซล เพื่อเปลี่ยนเป็นพลังงานกลในการขับเคลื่อนรถยนต์หรือยานพาหนะอื่น ๆ เมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ พลังงานเคมีจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน จากนั้นพลังงานความร้อนจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกลเพื่อขับเคลื่อนลูกสูบของเครื่องยนต์

นอกจากนี้ การประยุกต์ใช้แนวคิดวิศวกรรมยังรวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ การลดการสูญเสียพลังงานความร้อน และการปรับปรุงการออกแบบเพื่อให้ได้ผลผลิตพลังงานสูงสุดจากเชื้อเพลิง

2. พลังงานในเครื่องจักร

ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เครื่องจักรถูกออกแบบมาเพื่อแปลงพลังงานจากแหล่งต่าง ๆ เช่น ไฟฟ้า หรือพลังงานน้ำ ให้กลายเป็นพลังงานกลเพื่อใช้ในการผลิตสินค้า ตัวอย่างเช่น โรงงานผลิตกระแสไฟฟ้าจากน้ำ (Hydroelectric Power Plant) จะใช้พลังงานจากการตกของน้ำเพื่อหมุนกังหัน ซึ่งจะเปลี่ยนพลังงานศักย์ของน้ำเป็นพลังงานกล จากนั้นพลังงานกลจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่อใช้ในการผลิต

แนวคิดทางวิศวกรรมในเครื่องจักรนี้รวมถึงการออกแบบให้มีประสิทธิภาพสูงสุด การลดการสูญเสียพลังงานในระหว่างกระบวนการทำงาน และการประหยัดพลังงานในการใช้งานเครื่องจักร

3. พลังงานทดแทนในอุปกรณ์พลังงานทดแทน

พลังงานทดแทน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม มีบทบาทสำคัญในการลดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม แผงโซลาร์เซลล์ (Solar Panel) เป็นตัวอย่างของอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยอิเล็กตรอนในเซลล์โซลาร์เซลล์จะได้รับพลังงานจากแสงแดดและสร้างกระแสไฟฟ้าที่สามารถนำไปใช้ในบ้านเรือนหรือโรงงานได้

กังหันลม (Wind Turbine) เป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานจลน์จากลมเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยใช้ใบพัดขนาดใหญ่ที่หมุนตามการเคลื่อนที่ของลม ซึ่งจะหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและผลิตกระแสไฟฟ้า

ในทั้งสองกรณีนี้ แนวคิดทางวิศวกรรมและเทคโนโลยีถูกนำมาใช้ในการออกแบบระบบที่สามารถเปลี่ยนพลังงานทดแทนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพและยั่งยืน

การประยุกต์ใช้ STEM

การประยุกต์ใช้แนวคิด STEM ในการพัฒนาเครื่องยนต์ เครื่องจักร และอุปกรณ์พลังงานทดแทน เป็นกระบวนการที่ต้องการการบูรณาการระหว่างวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์เพื่อออกแบบระบบที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืน การประยุกต์ใช้หลักการฟิสิกส์และเคมีในการแปลงพลังงาน และการใช้คณิตศาสตร์ในการคำนวณและวิเคราะห์ระบบเหล่านี้ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดในการใช้พลังงาน

สรุป:

• เครื่องยนต์สันดาปภายในใช้พลังงานเชื้อเพลิงเปลี่ยนเป็นพลังงานกลในการขับเคลื่อนยานพาหนะ
• เครื่องจักรในอุตสาหกรรมใช้พลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานน้ำเพื่อสร้างพลังงานกลในการผลิตสินค้า
• อุปกรณ์พลังงานทดแทน เช่น แผงโซลาร์เซลล์และกังหันลม ใช้พลังงานธรรมชาติเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าอย่างยั่งยืน
• การประยุกต์ใช้ STEM ช่วยให้การออกแบบระบบพลังงานมีประสิทธิภาพและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม