วันที่ 19 มกราคม เป็นวันคล้ายวันเกิดของ “เจมส์ วัตต์” James Watt (19 มกราคม 2279) นักฟิสิกส์ที่ได้ชื่อว่าหนึ่งใน “บิดาแห่งวิชาอุณหพลศาสตร์” ซึ่งมีนักฟิสิกส์อีกท่านหนึ่งที่อยู่ในช่วงเวลาที่ใกล้เคียงกันและมีความสำคัญกับทั้งโลกของฟิสิกส์และอุตสาหกรรม และยังมีชื่อเดียวกันจนมักเกิดความสับสนอยู่ในหลาย ๆ ครั้ง คือ James Joule (เจมส์ จูล) ซึ่งทั้งสองมีส่วนสำคัญมากกับศาสตร์งาน พลังงาน และเพื่อเป็นเกียรติแก่งานที่ทั้งสองท่านได้ศึกษาจึงกลายเป็นส่วนหนึ่งของระบบหน่วยที่เราใช้งานกันอยู่ทุกวันนี้คือ หน่วยวัดพลังงานที่เรียกว่า Joule และหน่วยวัดการส่งถ่ายพลังงานที่เรียกว่า Watt ด้วยเหตุนี้ Thai PBS Sci & Tech จึงขอนำประวัตินักฟิสิกส์ ทั้งสองท่านที่ได้ชื่อว่า “บิดาแห่งวิชาอุณหพลศาสตร์” มาให้ได้รู้จัก
James Joules กับ James Watt เคยพบเจอกันหรือไม่
อาจจะเป็นเรื่องที่น่าเสียใจหากคำตอบคือทั้งสองไม่เคยพบเจอกันเพราะในช่วงเวลาที่ Joule ยังเป็นทารก Watt ก็จากไปเสียแล้ว Watt จากไปในวัย 83 ปี ในปี 1819 ส่วน Joule เกิดในปี 1818 ซึ่งช่วงเวลาที่ Watt เสียนั้น Joule ยังอายุไม่ถึงขวบปีแรกเสียด้วยซ้ำ ดังนั้นทั้งสองจึงไม่เคยเจอกัน ถึงแม้ว่าช่วงเวลาที่ Watt จากไป เขาได้ทิ้งผลงานคือเครื่องจักรไอน้ำประสิทธิภาพสูงที่สามารถทำงานต่อเนื่องได้หลายรูปแบบ ซึ่งต่อมาผลงานนี้ทำให้เกิดนักฟิสิกส์อีกหลายต่อหลายคนที่มาสร้างความเข้าใจต่อหลักการทำงานและฟิสิกส์ของเครื่องจักรความร้อนจนกลายเป็นศาสตร์หนึ่งที่มีชื่อว่า “อุณหพลศาสตร์” (Thermodynamics)
James Watt กับเครื่องจักรไอน้ำที่ไม่ใช่เครื่องแรก
หลายครั้งที่ประวัติศาสตร์เกี่ยวกับการปฏิวัติอุตสาหกรรมจะมีชื่อของเครื่องจักรไอน้ำของ James Watt เสมอ ทำให้เกิดความเข้าใจผิดว่า Watt คือผู้สร้างเครื่องจักรไอน้ำคนแรกของโลก แต่แท้จริงแล้ว ผู้ที่คิดค้นเครื่องจักรไอน้ำคนแรกคือ Hero of Alexandria นักปรัชญาและวิศวกรชาวกรีกที่สร้างเครื่องจักรไอน้ำที่เรียกว่า Aeolipile ในช่วงปี ค.ศ. 1 แต่ถึงกระนั้นตัวเขาไม่เข้าใจว่าการที่เจ้าอุปกรณ์ชิ้นนี้ที่หมุนได้ด้วยแรงจากไอน้ำจะนำไปสร้างประโยชน์ได้อย่างไร กว่าที่มนุษย์จะสามารถใช้ประโยชน์จากไอน้ำเพื่อเป็นเครื่องทุ่นแรงได้ก็คือปีค.ศ. 1712 ที่ Thomas Newcomen สามารถสร้างเครื่องจักรไอน้ำเครื่องแรกที่สามารถใช้ประโยชน์มาใช้งานเป็นเครื่องสูบน้ำได้ครั้งแรกของโลก การใช้เครื่องจักรนี้เปิดโอกาสให้มนุษย์สร้างอุปกรณ์ที่สามารถทำงานได้ตามความต้องการและทดแทนแรงงานของมนุษย์ในการทำงานได้
แต่ถึงกระนั้นเครื่องจักรของ Newcomen ยังคงมีปัญหา เนื่องจากมันไม่สามารถทำงานต่อเนื่องได้ สาเหตุเพราะเครื่องจักรรุ่นดังกล่าวใช้แรงดันจากไอน้ำในการดันลูกสูบเพื่อสูบน้ำ และเพราะอุณหภูมิของลูกสูบนั้นเย็นกว่าไอน้ำ ผนวกกับแรงดันภายในลูกสูบที่สูง ไอน้ำบางส่วนภายในลูกสูบจึงควบแน่นเป็นหยดน้ำ สร้างปัญหาให้กับเครื่องจักร ทำให้ไม่สามารถทำงานต่อเนื่องได้ตามที่ต้องการ อีกทั้งประสิทธิภาพการทำงานยังต่ำอีกด้วย
James Watt คือผู้ที่เข้ามาแก้ไขปัญหานี้ให้กับเครื่องจักรไอน้ำ เขาใช้แนวคิดที่ว่า เครื่องจักรควรจะสามารถทำงานต่อเนื่องได้ และหาวิธีในการป้องกันการควบแน่นของไอน้ำภายในกระบอกลูกสูบ เขาได้สร้างเครื่องจักรไอน้ำที่สามารถทำงานต่อเนื่องเป็นเวลานานได้เป็นครั้งแรก และการสร้างเครื่องจักรที่สามารถทำงานได้ต่อเนื่องตามความต้องการนั้นคือหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ทำให้ภาคธุรกิจเริ่มสนใจในระบบของเครื่องจักรไอน้ำเพื่อนำมาใช้งานทดแทนแรงงานของมนุษย์
การสร้างเครื่องจักรไอน้ำที่สามารถทำงานต่อเนื่องได้นาน และป้องกันการควบแน่นของไอน้ำภายในลูกสูบได้ของ Watt ได้จุดประกายแนวคิดเรื่องเครื่องจักรความร้อนต่าง ๆ อีกมากมาย
งานของ Joules ที่สร้างฐานการเปลี่ยนแปลงของระบบพลังงาน
งานของ Joules คือการทำความเข้าใจในระบบของการแปลงรูปของพลังงาน หนึ่งในการทดลองที่เป็นปัจจัยสำคัญต่อการเข้าใจหลักของธรรมชาติ การอนุรักษ์พลังงาน และอุณหพลศาสตร์คือ การทดลองแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานความร้อน การทดลองของเขาคือการติดตั้งระบบรอกถ่วงน้ำหนักเข้ากับใบพัดภายในถังกักเก็บอุณหภูมิ เขาได้ปล่อยให้ลูกตุ้มถ่วงน้ำหนักที่ติดตั้งบนรอกเคลื่อนที่ตกลงตามแรงโน้มถ่วงของโลก เมื่อรอกขยับ เชือกที่ผูกติดระหว่างรอกก็จะถูกดึงและหมุนใบพัดภายในถัง การหมุนของใบพัดภายในถังนั้นทำให้น้ำภายในถังมีอุณหภูมิที่สูงขึ้น Joule ได้พบเรื่องนี้เข้าและทำให้เขาเป็นผู้ที่เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างการแปลงรูปแบบของพลังงานซึ่งพัฒนาต่อมาเป็นกฎการอนุรักษ์พลังงานและอุณหพลศาสตร์ในเวลาต่อมา ซึ่งนอกจากการที่เขาสร้างระบบในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับพลังงานจลน์กับพลังงานความร้อนแล้ว เขายังศึกษาผลของพลังงานไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวต้านทานส่งผลให้ตัวต้านทานมีอุณหภูมิสูงขึ้น เป็นอีกหนึ่งงานที่เขาสนใจและทำการศึกษาต่อเนื่องจากกฎการอนุรักษ์พลังงาน
หน่วย Watts และ Joules
หน่วยทั้งสองถูกตั้งชื่อให้เป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองท่าน ซึ่งงานของทั้งสองนั้นมีความสำคัญอย่างมากกับศาสตร์ต่าง ๆ ของมนุษยชาติ ทั้งเครื่องใช้ไฟฟ้า พลังงานภายในอาหาร จนไปถึงอุตสาหกรรม ชื่อหน่วยเหล่านี้จึงให้เห็นกันอยู่บ่อยครั้ง หน่วย Joule ใช้สำหรับวัดพลังงานภายในระบบ การเทียบค่าของหน่วยนี้ คือ พลังงาน 1 Joule จะเท่ากับค่าพลังงานที่เกิดจากวัตถุหนึ่งชิ้น หนัก 1 กิโลกรัม เคลื่อนที่ตกอย่างอิสระตามแรงโน้มถ่วงของโลก จากความสูง 1 เมตร นับเป็นครั้งแรกที่เราได้เริ่มทำความเข้าใจถึงความสัมพันธ์ของพลังงานต่าง ๆ นั้นซึ่งเชื่อมโยงกันและสามารถเปลี่ยนแปลงรูปได้
ส่วนหน่วย Watts ที่เราเห็นกันบ่อยครั้งในอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นหน่วยที่กล่าวถึงการเปลี่ยนแปลงของพลังงานรูปหนึ่งไปเป็นพลังงานอีกรูปหนึ่งในหนึ่งช่วงเวลา เช่น หนึ่งวินาที หรือหนึ่งชั่วโมง 1 Watt จึงหมายถึงพลังงาน 1 Joule ที่เกิดขึ้น ส่งถ่าย และเปลี่ยนรูปทั้งหมดภายในระยะเวลา 1 วินาที เห็นได้หน่วยทั้งสองเชื่อมโยงถึงกันและเป็นรากฐานสำคัญของระบบงานและพลังงานที่มนุษย์ค้นพบ
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
