ธรรมชาติของพลังงานและสิ่งแวดล้อม

1. พลังงานหมดเปลือง (non-renewable energy resources) หรือพลังงานที่ใช้แล้วหมดไป นำมาหมุนเวียนใช้ ใหม่อีกไม่ได้ เช่น พลังงานจากน้ำมัน ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ และแร่นิวเคลียร์

2. 1. พลังงานศักย์ (potential energy) เป็นพลังงานที่แฝงอยู่ในสสาร ซึ่งจะมีมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ สถานะทางกายภาพ ลักษณะโครงสร้างภายใน และตำแหน่งของสสาร

3. ประเด็นที่สอง “ไม่มีกระบวนการใดที่เกี่ยวข้องกับการไหลถ่ายเทพลังงานจะเกิดขึ้นได้ ยกเว้นแต่จะมีการเปลี่ยน รูปแบบพลังงานจากรูปแบบที่เข้มข้นไปสู่รูปแบบที่เจือจาง เนื่องจากต้องมีพลังงานบางส่วนเปลี่ยนไปอยู่ในรูปแบบของ พลังงานความร้อน จึงไม่มีกระบวนการใดที่เกิดขึ้นได้ด้วยตนเองแล้วจะมีประสิทธิภาพร้อยละ 100”

4. 2. พลังงานจลน์ (kinetic energy) เป็นพลังงานของการเคลื่อนที่ของสสาร เกิดขึ้นเมื่อวัตถุเคลื่อนที่

5. การจำแนกตามแหล่งที่มาของพลังงาน

5.1. พลังงานต้นกำเนิด (primary energy)

5.2. พลังงานแปรรูป (secondary energy)

6. 1.4 การเปลี่ยนรูปพลังงาน

6.1. กฎการอนุรักษ์พลังงาน หรือ กฎของอุณหพลศาสตร์ (thermodynamics)

6.1.1. ประเด็นแรก “พลังงานไม่สามารถถูกสร้างขึ้นหรือทำลายได้ แต่อาจเปลี่ยนรูปได้” ดังนั้น “ไม่มีใครหรือระบบใด สามารถได้อะไรมาโดยไม่ต้องลงทุนทำอะไรเลย”

6.2. การเปลี่ยนรูปพลังงานในสิ่งมีชีวิต มี 4 แบบ

6.2.1. โฟโตเคมิคัล (photochemical) คือ การเปลี่ยนรูปพลังงานรังสีเป็นพลังงานเคมี เช่น ในกระบวนการ สังเคราะห์ด้วยแสง

6.2.2. พลังงานนอกแบบ (non-conventional energy) มีลักษณะการผลิตที่ใช้เทคโนโลยีใหม่ที่อยู่ในระหว่างการทำ วิจัยและพัฒนา บางชนิดมีความเหมาะสมทางเทคนิคแล้วแต่ยังต้องปรับปรุงความเหมาะสมทางเศรษฐศาสตร์ ตัวอย่างของ พลังงานกลุ่มนี้ได้แก่ ก๊าซจากมวลชีวภาพ พลังงานความร้อนใต้พิภพ พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม

6.2.3. อิเล็กโทรเคมิคัล (electrochemical) คือ การถ่ายพลังงานเคมีจากสารชนิดหนึ่งไปให้สารอีกชนิดหนึ่งโดยการ ถ่ายอิเล็กตรอน เป็นการเปลี่ยนรูปพลังงานที่มีความสำคัญมากสำหรับมนุษย์ เรารู้จักปฏิกิริยาเคมีนี้กันดีในชื่อ “ออกซิเดชัน- รีดักชัน (oxidation-reduction) เช่น ที่เกิดขึ้นในกระบวนการหายใจระดับเซลล์ และกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ตามที่ ได้กล่าวถึงบ้างแล้ว นักศึกษาควรสืบค้นหารายละเอียดของกระบวนการทั้งสองนี้เพื่อให้เข้าใจชัดเจนขึ้น

6.2.4. เคมิคัล (chemical) คือ การเปลี่ยนแปลงทางเคมีโดยการเปลี่ยนองค์ประกอบของอะตอมในโมเลกุลขณะที่มี การเปลี่ยนแปลงทางเคมี

6.2.5. เมคานิคัล (mechanical) คือ การเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานกล เช่น การหดตัวของกล้ามเนื้อ

7. พลังงานนอกพาณิชย์ (non-commercial energy) เป็นพลังงานที่ซื้อขายกันในวงแคบ ผลิตในลักษณะ กิจกรรมในครัวเรือน ใช้มากในชนบท เช่น ฟืน แกลบ ถ่านจากเศษวัสดุ

8. 1.2 แหล่งกำเนิดพลังงานตามธรรมชาติ ดวงอาทิตย์ เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานตามธรรมชาติที่ใหญ่ที่สุด เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานทั้งทางตรง และทางอ้อมคือทำให้เกิด พลังงานคลื่น พลังงานลม พลังงานชีวมวล พลังงานฟอสซิล และไฟฟ้าพลังน้ำ ส่วนดวงจันทร์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานน้ำขึ้นน้ำลง และโลกของเราก็เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานความร้อนใต้พิภพ

9. 1.พลังงาน (energy)

9.1. 1.1 ความหมาย พลังต่าง ๆ ที่นำมาใช้ให้เกิดเป็นงาน ส่วนในทางวิทยาศาสตร์หมายถึง ความสามารถที่มีอยู่ในตัวของสิ่งต่าง ๆ ที่ให้แรงงานได้

9.2. 1.3 การจำแนกประเภทของพลังงาน

9.2.1. การจำแนกตามลักษณะการทำงาน

9.2.2. การจำแนกตามรูปแบบของพลังงาน

9.2.2.1. พลังงานรังสี (radiant energy)

9.2.2.2. พลังงานเคมี (chemical energy

9.2.2.3. พลังงานไฟฟ้า (electrical energy)

9.2.2.4. พลังงานกล (mechanical energy)

9.2.2.5. พลังงานปรมาณู (atomic energy)

9.2.3. การจำแนกตามลักษณะการใช้ประโยชน์

9.2.3.1. พลังงานหมุนเวียน (renewable energy resources) สามารถนำมาหมุนเวียนใช้ได้เป็นประจำ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานน้ำ

9.2.4. การจำแนกตามลักษณะการผลิต

9.2.4.1. พลังงานตามแบบ (conventional energy) มีลักษณะการผลิตเป็นระบบศูนย์กลาง ขนาดใหญ่ ใช้เทคโนโลยีที่ พัฒนามาจนอิ่มตัว เป็นพลังงานที่ใช้กันอยู่ทั่วไป เช่น พลังงานน้ำ ปิโตรเลียม ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ

9.2.5. การจำแนกตามลักษณะทางการค้า

9.2.5.1. พลังงานทางพาณิชย์ (commercial energy) เป็นพลังงานที่ซื้อขายกันในวงกว้าง ผลิตในลักษณะ อุตสาหกรรม เช่น ไฟฟ้า น้ำมันปิโตรเลียม ก๊าซธรรมชาติ

9.3. เราต้องยอมรับว่าประเทศของเรากำลังประสบปัญหาด้านพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้องการใช้พลังงาน ไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วแต่ศักยภาพในการผลิตไม่สมดุลกับความต้องการ แม้จะมีความพยายามใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์ และพลังงานลมสำหรับการผลิตไฟฟ้า ซึ่งเป็นแนวทางที่เหมาะสมในระยะยาว แต่ก็ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น ก้าวหน้าช้า

10. 4. มนุษย์ พลังงาน และสิ่งแวดล้อม

10.1. มนุษย์เป็นสิ่งมีชีวิตกลุ่มที่ไม่สามารถสร้างอาหารได้เอง หรือเรียกว่าผู้บริโภค กล่าวได้ว่าสิ่งแวดล้อมเป็น แหล่งของปัจจัยในการดำรงชีวิตทั้งมวลของมนุษย์ ใช้พลังงานและทรัพยากรธรรมชาติ ความต้องการสร้างและความต้องการใช้สิ่งใหม่ ๆ เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นมนุษย์จึงต้องเข้าใจธรรมชาติและกลไก ของสิ่งต่าง ๆ ในสิ่งแวดล้อมให้ชัดเจน และสามารถทำนายแนวโน้มและทิศทางของการเปลี่ยนแปลงของสิ่งต่าง ๆ ใน สิ่งแวดล้อมให้ได้ก่อนจะสร้างและใช้ เพื่อป้องกันการทำลายล้างเผ่าพันธุ์ตนเองเพราะรู้ไม่เท่าทัน

11. 5. แหล่งพลังงานและความต้องการพลังงาน

12. 6. ความเชื่อมโยงระหว่างพลังงานกับปัญหาสิ่งแวดล้อม

12.1. ปัญหาสิ่งแวดล้อม

12.1.1. ปัญหาที่เกิดจากการใช้ทรัพยากรธรรมชาติอย่างผิดหลักการอนุรักษ์ ส่งผลกระทบต่อ มนุษย์เอง สิ่งมีชีวิตอื่นที่เป็นแหล่งอาหารของมนุษย์ทั้งทางตรงและทางอ้อม ระดับของปัญหาสิ่งแวดล้อม มี 3 ระดับ

12.1.1.1. 1. ระดับท้องถิ่นหรือระดับชุมชน มีขนาดความรุนแรงไม่มากนัก วิธีการแก้ไขไม่ยุ่งยาก มีผลกระทบในวงแคบ

12.1.1.2. 2. ระดับประเทศหรือระดับภูมิภาค มีขนาดความรุนแรงและความซับซ้อนค่อนข้างมาก จึงต้องใช้วิธีการแก้ไขที่ ซับซ้อนกว่า และมีผลกระทบในวงกว้างกว่าปัญหาระดับท้องถิ่น เช่น ปัญหาเกี่ยวกับน้ำ ได้แก่ ขาดน้ำ และ น้ำท่วม ปัญหาการ เสพและค้ายาเสพติด

12.1.1.3. 3.ระดับโลก เป็นปัญหาที่มีสาเหตุเริ่มต้นจากปัญหาระดับภูมิภาค สะสมและรวมกันเป็นเวลานาน เช่น การเกิด ภาวะโลกร้อน การสูญเสียชั้นโอโซน (Ozone) และการสูญเสียความหลากหลายทางชีวภาพ เป็นต้น มนุษย์ทุกคนมีหน้าที่รักษาสภาพแวดล้อมไว้ให้เหมาะสมต่อการดำรงชีวิตที่ยาวนาน และแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมที่ เกิดขึ้นในทุกระดับ ไม่มีใครสามารถแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมได้เพียงลำพังแม้จะมีปัญญาและความมั่งคั่งมากมายเพียงใดก็ตาม

13. 2. สิ่งแวดล้อม (Environment)

13.1. 2.1 ความหมาย สิ่งแวดล้อม หมายถึง สถานะและปัจจัยที่อยู่ล้อมรอบสิ่งมีชีวิต และมีความสัมพันธ์แนบแน่นต่อการดำรงความเป็น สิ่งมีชีวิต โดยเป็นแหล่งที่ให้ รองรับ ถ่ายทอดสสาร พลังงาน และข้อมูลแก่สิ่งมีชีวิต

13.2. 2.2 ลักษณะของสิ่งมีชีวิต

13.2.1. มีโครงสร้างที่มีระบบระเบียบและซับซ้อนทั้งในระดับโมเลกุลที่เรียกว่า “ชีวโมเลกุล” และระดับที่ใหญ่ขึ้นกว่า โมเลกุล ได้แก่ ออร์แกเนลล์ (organelle) เซลล์ (cell) เนื้อเยื่อ (tissue) อวัยวะ (organ) และร่างกาย (body) ตามลำดับ ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าสิ่งมีชีวิตที่มีโครงสร้างระดับเล็กที่สุด คือ ระดับเซลล์ เช่น พารามีเซีย 1ชีวิตมี1 เซลล์

13.2.2. มีกลไกสำหรับรักษาความเป็นปกติของความเป็นสิ่งมีชีวิต (metabolism) ได้ด้วยตนเอง

13.2.3. เติบโตและมีพัฒนาการตามระบบระเบียบที่พันธุกรรมของเผ่าพันธุ์กำหนด

13.2.3.1. แม้แต่ในสิ่งมีชีวิตด้วยกันเองก็มีระบบของความสัมพันธ์เช่นเดียวกัน มนุษย์เป็นผู้กำหนดชื่อหน่วยของความสัมพันธ์ ของสิ่งมีชีวิตด้วยกันในพื้นที่หนึ่งในช่วงเวลาหนึ่ง จากหน่วยย่อยไปหาหน่วยใหญ่ ไว้ดังนี้

13.2.3.1.1. ประชากร (population) หมายถึง กลุ่มของสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันในพื้นที่หนึ่งในช่วงเวลาหนึ่ง

13.2.3.1.2. สังคมชีวิต (community) หมายถึง กลุ่มของสิ่งมีชีวิตหลาย ๆ ชนิดในพื้นที่หนึ่งในช่วงเวลาหนึ่ง

13.2.3.1.3. ชีวนิเวศ (biome) หมายถึง สังคมชีวิตหลาย ๆ สังคมที่สัมพันธ์กัน อาศัยอยู่บนพื้นผิวโลกส่วนที่มีลักษณะของ สภาวะภูมิอากาศแบบเดียวกัน เนื่องจากมีการกระจายความร้อนจากดวงอาทิตย์ การเกิดฤดูกาล การไหลเวียนของอากาศและ ลมมรสุม และสภาพทางภูมิศาสตร์

13.2.4. มีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมอย่างมีประสิทธิภาพ ปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อม

13.2.5. ตอบสนองต่อสิ่งเร้าทั้งจากภายในและภายนอก

13.3. 2.3 ความสัมพันธ์ของกลุ่มสิ่งมีชีวิตในสิ่งแวดล้อม

13.4. 2.4 ระบบนิเวศ (Ecosystem)

13.4.1. สืบทอดดำรงเผ่าพันธุ์ของตนเองได้ด้วยระบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรม

13.4.2. ระบบนิเวศ หมายถึง ความสัมพันธ์ในด้านการถ่ายทอดพลังงานและ การหมุนเวียนของแร่ธาตุต่างๆระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิตในพื้นที่ใดพื้นที่หนึ่ง

13.4.2.1. สิ่งแวดล้อมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ

13.4.2.1.1. สภาพแวดล้อมทางกายภาพ

13.4.2.1.2. สภาพแวดล้อมทางชีวภาพ

13.4.2.2. สิ่งแวดล้อมที่มนุษย์สร้างขึ้น

13.4.2.2.1. สิ่งแวดล้อมทางวัตถุ เช่น อาคาร ถนน และสิ่งแวดล้อมทางสังคม ได้แก่ ศาสนา ความเชื่อ ประเพณี

14. 3. ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับสิ่งแวดล้อม

14.1. 3.1 กระบวนการถ่ายทอดพลังงาน

14.1.1. การที่สิ่งมีชีวิตจะรักษาความเป็นชีวิตอยู่ได้ต้องได้รับและใช้สสารและพลังงานจาก สิ่งแวดล้อม เมื่อใช้แล้วก็ต้องถ่ายเทสสารและพลังงานที่เสื่อมคุณภาพและไม่ต้องการออกสู่สิ่งแวดล้อมอยู่ตลอดเวลา พืชใช้ พลังงานแสงจากดวงอาทิตย์มาใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานเคมีเก็บไว้ในสารอาหาร สำหรับสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในที่แสงอาทิตย์ส่องไม่ถึง เช่น ก้นมหาสมุทร จะใช้สารเคมีในบริเวณที่อาศัยเป็นแหล่งพลังงานสร้าง อาหารด้วยการสังเคราะห์ทางเคมี

14.2. กฎของการทนทาน (Law of Tolerance)

14.2.1. สิ่งมีชีวิตสามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ดี หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่ากระบวนการ ทำงานของร่ายกายเกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด เมื่อสิ่งแวดล้อมมีปริมาณสสารแต่ละชนิดในความเข้มข้นในช่วงที่ เหมาะสมที่สุด ถ้ามีมากหรือน้อยกว่าช่วงนี้เล็กน้อยจะทำให้กระบวนการทำงานของร่างกายเกิดความเครียดแต่ยังพอมีชีวิตอยู่ ได้ จัดเป็นช่วงที่สามารถทนทานได้ แต่ถ้ามากหรือน้อยเกินไปกว่าช่วงสามารถทนทานได้หรือขีดจำกัดนี้สิ่งมีชีวิตก็ไม่สามารถ ดำรงชีวิตอยู่ได้ นอกจากปัจจัยทางด้านสสารแล้วกฎของการทนทานยังอธิบายปัจจัยทางกายภาพอื่นได้ด้วย เช่น อุณหภูมิ ความชื้น เป็นต้น ความสามารถในการทนทานมีผลโดยตรงต่อการกระจายพันธุ์ของสิ่งมีชีวิต

14.3. 3.2 กระบวนการหมุนเวียนของสสาร

14.3.1. กฎน้อยที่สุด (Law of Minimum)

14.3.1.1. สิ่งมีชีวิตจะดำรงความมีชีวิตอยู่ได้เมื่อได้รับสสารที่จำเป็นครบทุกชนิดใน ปริมาณที่เหมาะสม แม้จะมีสสารชนิดอื่นอยู่มากแต่ถ้าสสารที่จำเป็นที่ร่างกายต้องการน้อยขาดไปก็ไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ใน สิ่งแวดล้อมนั้นได้

14.3.2. กฎการอนุรักษ์สสาร (Law of Conservation of Matter)

14.3.3. กฎการอนุรักษ์สสาร (Law of Conservation of Matter) มีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบของสสารสลับไปมาระหว่าง การเป็นอินทรียสาร กับอนินทรียสารจำแนกสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติออกได้เป็น 3 กลุ่ม

14.3.3.1. กลุ่มที่สามารถเปลี่ยนรูปอนินทรียสารในสิ่งแวดล้อมให้เป็นอินทรียสารในร่างกายได้ หรือเรียกว่ากลุ่มที่ สามารถสร้างอาหารได้เอง หรือผู้ผลิต เพราะสารอินทรีย์ที่ร่างกายสร้างขึ้นได้นี้จะนำไปใช้ในกระบวนการดำรงชีวิตของตนเอง และถ่ายทอดไปยังสิ่งมีชีวิตอื่นด้วย

14.3.3.2. กลุ่มที่ไม่สามารถสร้างอาหารได้เอง หรือเรียกว่าผู้บริโภคต้องใช้สารอินทรีย์จากผู้ผลิตในการดำรงชีวิต และส่งต่อสารเหล่านี้ไปยังผู้บริโภคอื่น ๆ ด้วย ตัวอย่างสิ่งมีชีวิตกลุ่มนี้คือ สัตว์

14.3.3.3. กลุ่มที่เปลี่ยนอินทรียสารให้กลับกลายเป็นอนินทรียสาร แล้วส่งกลับสู่สิ่งแวดล้อมต่อไป เรียกว่า ผู้ย่อยสลาย ตัวอย่างสิ่งมีชีวิตกลุ่มนี้คือ จุลินทรีย์

14.4. กลุ่มที่สามารถเปลี่ยนรูปอนินทรียสารในสิ่งแวดล้อมให้เป็นอินทรียสารในร่างกายได้ หรือเรียกว่ากลุ่มที่ สามารถสร้างอาหารได้เอง หรือผู้ผลิต เพราะสารอินทรีย์ที่ร่างกายสร้างขึ้นได้นี้จะนำไปใช้ในกระบวนการดำรงชีวิตของตนเอง และถ่ายทอดไปยังสิ่งมีชีวิตอื่นด้วย ตัวอย่างสิ่งมีชีวิตกลุ่มนี้คือ พืช ซึ่งสร้างสารอินทรีย์จากสารอนินทรีย์ในสิ่งแวดล้อมโดยใช้ กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง

14.5. 3.3 กระบวนการถ่ายทอดข้อมูล

14.5.1. ดังที่กล่าวแล้วว่าสิ่งมีชีวิตมีลักษณะสำคัญหลายประการ ประการหนึ่งคือ “มีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมอย่างมีประสิทธิภาพ ปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อม” นั่นหมายความว่าสิ่งมีชีวิตต้องรับรู้และตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมมาตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบันรวมถึงอนาคตด้วย สิ่งมีชีวิตรับรู้ ตอบสนอง บันทึกข้อมูลไว้ใน หน่วยทางพันธุกรรม และถ่ายทอดข้อมูลจากรุ่นสู่รุ่นด้วยการถ่ายทอดทางพันธุกรรมโดยผ่านยีน ผลของการปรับตัวทำ ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ เช่น เปลี่ยนรูปร่างหน้าตา เปลี่ยนกระบวนการทำงานในร่างกาย เปลี่ยนพฤติกรรมในการดำเนินชีวิต