ใบความรู้รายวิชาวิทยาศาสตร์

ใบความรู้ วิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 หน่วย งานและพลังงาน บท งาน ก าลัง และเครื่องกลอย่างง่าย เรื่อง งานและก าลัง งานและพลังงาน เป็นปริมาณสเกลาร์ที่มีความสัมพันธ์กันอย่างมาก อีกทั้งยังเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของ วัตถุ การเข้าใจถึงการเกิดงานและพลังงานจะช่วยให้อธิบายลักษณะของการเคลื่อนที่ของวัตถุได้ และสามารถนํา ความรู้เกี่ยวกับพลังงานต่าง ๆ มาใช้ประโยชน์ได้อย่างเหมาะสม งานและก าลัง งาน (Work; W) คือ ผลของแรงที่มากระทําต่อวัตถุแล้วทําให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับแรง ที่มากระทําหรือมีการกระจัดตามแนวแรงนั้น หากวัตถุไม่มีการเคลื่อนที่หรือเคลื่อนที่ในทิศทางตั้งฉากกับทิศทาง ของแรงที่กระทํา จะถือว่าแรงที่กระทําดังกล่าวไม่ก่อให้เกิดงาน งานที่เกิดจากแรงที่กระทําต่อวัตถุจะเท่ากับผลคูณระหว่างขนาดของแรงที่กระทําต่อวัตถุกับ ขนาด ของการกระจัดตามแนวแรง งานจึงเป็นปริมาณสเกลาร์สามารถเขียนแทนได้ด้วยสมการ W = Fs W คือ งาน มีหน่วยเป็น จูล (J) หรือ นิวตันเมตร (N m) F คือ ขนาดของแรงที่กระทําต่อวัตถุ มีหน่วยเป็น นิวตัน (N) S คือ ขนาดของการกระจัดตามแนวแรง มีหน่วยเป็น เมตร (m) ตัวอย่าง ชายคนหนึ่งออกแรงขนาด 300 นิวตัน ผลักโต๊ะให้เคลื่อนที่ไปยังมุมห้องได้ขนาดของการกระจัด 20 เมตร จง หางานที่เกิดขึ้นจากการออกแรงกระทําของชายคนนี้ วิธีท า จากสมการ W = Fs W = 300 N x 20 m W = 6,000 Nm หรือ 6,000 J ***ดังนั้น งานที่เกิดจากการออกแรงกระทําของชายคนนี้เท่ากับ 6,000 จูล

ปริมาณของงานขึ้นอยู่กับ 1. ขนาดของแรงที่ใช้ 2. ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของแนวแรง 3. ทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุตามแนวแรง ตัวอย่างเช่น การออกแรงยกกล่องให้สูงขึ้น ทิศทางการเคลื่อนที่ของ กล่องมีทิศทางเดียวกับแนวแรง การกระทําเช่นนี้เป็นการทําให้เกิดงาน ทางวิทยาศาสตร์ นอกจากจะหางานที่เกิดขึ้นในแนวระดับได้แล้ว ยังสามารถหางานที่เกิดขึ้นในแนวดิ่งได้อีกด้วย เนื่องจากการเคลื่อนที่ของวัตถุลงในแนวดิ่งหรือการตกแบบอิสระจะมีแรงโน้มถ่วงของโลกมากระทําต่อวัตถุที่มี มวล ทําให้เกิดเป็นงานเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกงานที่เกิดขึ้นในกรณีนี้จึงเท่ากับผลคูณระหว่างแรงเนื่องจาก แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทําต่อวัตถุกับความสูงที่วัตถุเคลื่อนที่ลงมาในแนวดิ่งเมื่อวัดจากตําแหน่งอ้างอิงสามารถ คํานวณได้จากสมการ W = mgh W คือ งานเนื่องจากแรงโน้มถ่วง มีหน่วยเป็น นิวตันเมตร (N m) หรือ จูล (J) m คือ มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg) g คือ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที2 (m/s2 ) h คือ ความสูงที่วัดจากตําแหน่งอ้างอิง มีหน่วยเป็น เมตร (m) ตัวอย่าง ลูกมะพร้าว 2 ลูก มีมวลลูกละ 2 และ 3 กิโลกรัม ตามลําดับ ตกแบบอิสระลงมาจากต้น ที่ระดับความสูง เดียวกันซึ่งสูงจากพื้น 15 เมตร อยากทราบว่างานเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้น มีขนาดเท่ากับกี่จูล (กําหนดให้ g = 10 m/s2 ) วิธีท า จากสมการ W = mgh มะพร้าวลูกที่ 1 ; W = 2 kg x 10 m/s x 15 m W = 300 J มะพร้าวลูกที่ 2; W = 3 kg x 10 m/s x 15 m W = 450 J ***ดังนั้น งานเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นกับมะพร้าวลูกที่ 1 และ 2 เท่ากับ 300 และ 450 จูล ตามลําดับ

ตัวอย่าง จงหางานที่เกิดขึ้นกับวัตถุที่มีมวล 5 กิโลกรัม เท่ากันสองชิ้น ซึ่งตกลงแบบอิสระมาจากที่สูงเมื่อวัดจากพื้น 5 เมตร และ 10 เมตร ตามลําดับ (กําหนดให้ g = 10 m/s2 ) วิธีท า จากสมการ W = mgh วัตถุชิ้นที่ 1; W = 5 kg x 10 m/s x 5 m W = 250 J วัตถุชิ้นที่ 2; W = 5 kg x 10 m/s x 10 m W = 500 J ***ดังนั้น งานที่เกิดขึ้นกับวัตถุมวล 5 กิโลกรัม ทั้งสองชิ้นที่ตกลงมาจากที่สูง 5 และ 10 เมตร เท่ากับ 250 และ 500 จูลตามลําดับ P = W/t P คือ กําลัง มีหน่วยเป็น จูลต่อวินาที (J/s) หรือ วัตต์ (W) W คือ งาน มีหน่วยเป็น จูล (J) t คือ เวลา มีหน่วยเป็น วินาที (s) ก าลัง (power; P) เป็นปริมาณที่ใช้บอกความสามารถในการทํางานได้ต่อหนึ่งหน่วยเวลา หรืองานที่ทําได้ ในหนึ่งหน่วยเวลา เป็นปริมาณสเกลาร์เช่นเดียวกับงาน สามารถเขียนอธิบายด้วย สมการได้ ดังนี้ ตัวอย่าง เด็กคนหนึ่งดึงถังน้ําหนัก 150 นิวตัน ขึ้นจากบ่อน้ําลึกลงไป 5 เมตร ด้วยอัตราเร็วคงตัวเป็นเวลา 6 วินาที จงหากําลังเฉลี่ยในการดึงถังน้ําของเด็กคนนี้ วิธีท า เด็กคนนี้ต้องออกแรงที่มีขนาดน้อยที่สุดเท่ากับน้ําหนักของถังน้ําแต่มีทิศทางตรงข้าม ถังน้ําจึงจะเคลื่อนที่ ด้วยอัตราเร็วคงตัว จากสมการ P = W/t P = Fs/t P = (150 N x 5 m)/6s = 125 W ***ดังนั้น เด็กคนนี้ดึงถังน้ําขึ้นจากบ่อน้ําด้วยกําลังเฉลี่ย 125 วัตต์

ใบความรู้ วิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 หน่วย งานและพลังงาน บท งาน ก าลัง และเครื่องกลอย่างง่าย เรื่อง เครื่องกลอย่างง่าย เครื่องกลอย่างง่าย (Simple Machine) เป็นเครื่องผ่อนแรงหรืออํานวยความสะดวกในการทํางานหรือ เป็นเครื่องผ่อนแรงและอํานวยความสะดวกในการทํางาน เครื่องกลอย่างง่ายที่ควรทราบมีดังนี้ 1. พื้นเอียง 2. ลิ่ม 3. สกรู 4. ล้อและเพลา 5. รอกเดียว 6. คาน แรงที่เกี่ยวข้องกับเครื่องกล แรงที่ใช้ในการพิจารณาการช่วยผ่อนแรงของเครื่องกล ได้แก่ 1. แรงพยายาม (Effort Force) คือ แรงที่ให้กับเครื่องกล สัญลักษณ์ คือ E 2. แรงต้านทาน (Resistance Force) คือ แรงที่เกิดจากน้ําหนักของวัตถุที่ต้องการทําให้เคลื่อนที่ไป ตามทิศทางที่ต้องการ สัญลักษณ์ คือ W การค านวณเกี่ยวกับเครื่องกลอย่าง่ายหรือเครื่องผ่อนแรง 1. ใช้หลักของงานโดยถือว่าเครื่องกลไม่มีความฝืด คือ งานที่ให้กับเครื่องกล = งานที่ได้รับจากเครื่องกล ได้แก่ เครื่องกลประเภทพื้นเอียง ลิ่ม สกรู ล้อและเพลา และรอกเดี่ยว 2. ใช้หลักของโมเมนต์ของแรง คือ โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา = โมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา ได้แก่ เครื่องกลประเภทคาน

การได้เปรียบเชิงกล การได้เปรียบเชิงกล (Mechanical Advantage หรือ M.A.) คือ อัตราส่วนระหว่างแรงต้านทานกับ แรงพยายาม ซึ่งเป็นตัวเลขที่แสดงว่าเครื่องกลนั้นผ่อนแรงได้มากหรือน้อยเพียงไร การได้เปรียบเชิงกล = แรงพยายาม/แรงต้านทาน หรือ M.A. = W/E เมื่อ W แทน แรงต้านทาน มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) E แทน แรงพยายาม มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) ถ้า M.A. = 1 แสดงว่า ไม่ผ่อนแรง เพราะว่า W = E ถ้า M.A. > 1 แสดงว่า ได้เปรียบเชิงกล เพราะว่า W > E หรือ E น้อยกว่า W ถ้า M.A. < 1 แสดงว่า เสียเปรียบเชิงกล เพราะว่า W < E เครื่องกลประเภทต่าง ๆ 1. พื้นเอียง (Inclined Plane) เป็นเครื่องกลที่ช่วยอํานวย ความสะดวกและช่วยผ่อนแรงในการเคลื่อน ย้ายวัตถุจากพื้น ขึ้นไปยังตําแหน่งที่สูงกว่า โดยการออกแรงดึงหรือผลักวัตถุไป ตามแนวขนานกับพื้นเอียง เมื่อออกแรงพยายาม E ดึงวัตถุ W ให้เคลื่อนที่ไปตามระยะทาง L จนถึงตําแหน่งบนสุด ซึ่งสูงจาก พื้นเท่ากับ H ระนาบเอียงไม่มีความผิด ดังนี้ L = ความยาวของระนาบเอียง มีหน่วยเป็นเมตร H = ความสูงของระนาบเอียง มีหน่วยเป็นเมตร งานที่ให้แก่เครื่องกล = งานที่ได้จากเครื่องกล หรือ E x L = W x H ตัวอย่าง พื้นเอียงยาว 5 เมตร สูง 4 เมตร ถ้าต้องการลากวัตถุหนัก 200 นิวตัน ขึ้นไปตามพื้นเอียง จะต้องออกแรง พยายามเท่าใด และถ้าพื้นเอียงยาว 8 เมตร จะต้องออกแรงเท่าใด วิธีท า

การคํานวณใช้หลักของงาน งานที่ให้แก่เครื่องกล = งานที่ได้รับจากเครื่องกล E x L = W x H จากรูป ก L = 5 m , H = 4 m , W = 200 N แทนค่า E1 x 5 = 200 x 4 E1 = (200 x 4)/5 ดังนั้น แรงพยายาม = 160 N จากรูป ข L = 8 m , H = 4 m , W = 200 N แทนค่า E2 × 8 = 200 x 4 E2 = (200 x 4)/8 ดังนั้น แรงพยายาม = 100 N จากตัวอย่างแสดงว่า พื้นเอียงที่มีความชันน้อยหรือระยะทางของพื้นเอียงมากจะออกแรงพยายามจะลดลง การหา ค่าของการได้เปรียบเชิงกล (M.A.) M.A. = W/E จากรูป ก M.A. = 200/160 = 1.25 จากรูป ข M.A. = 200/100 = 2 รูป ก และ ข ได้เปรียบเชิงกลทั้งคู่เนื่องจาก M.A. มากกว่า 1 แต่รูป ข พื้นเอียงมีระยะทางมากกว่า จึงได้เปรียบ เชิงกลมากกว่า 2. ลิ่ม (Wedge) เป็นเครื่องกลที่ช่วยผ่อนแรง มีลักษณะคล้ายขวาน คือ ส่วนบนหนาแล้วเรียวแหลม ลงด้านล่าง ใช้สําหรับตอกลงในเนื้อของวัตถุเพื่อให้ เนื้อ ของวัตถุแยกออกจากกัน การคํานวณเกี่ยวกับการใช้ลิ่ม ใช้หลักของงาน สูตร คือ E x H = W x L E = แรงพยายาม หรือแรงที่ใช้ตอกลิ่ม มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) H = ความลึกที่ลิ่มลงไปในเนื้อวัตถุ หรือระยะทางที่แรงพยายามเคลื่อนที่ มีหน่วยเป็นเมตร (m) หรือ เซนติเมตร (cm) W = แรงต้านของเนื้อวัตถุ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) L = ระยะทางที่แรงต้านทานเคลื่อนที่ หรือระยะทางที่เนื้อวัตถุแยกออกจากกัน มีหน่วยเป็นเมตร (m) หรือเซนติเมตร (cm)

3. สกรู (Screw) เป็นเครื่องกลที่ช่วยผ่อนแรงที่มีลักษณะคล้ายบันไดเวียนรอบแกนอันหนึ่ง ใช้สําหรับยกวัตถุขึ้นที่ สูง หรือทําให้ตัวสกรูฝังลงไปในเนื้อวัตถุ โดยการออกแรงพยายามเคลื่อนที่เป็นวงกลมขณะที่แรงต้านทานเคลื่อนที่ ขึ้นหรือเคลื่อนที่ลงในแนวดิ่ง E x 2πR = W x P E = แรงพยายามหรือแรงที่กระทําต่อสกรู มีหน่วยเป็นนิวตัน R = รัศมีของการหมุน ถ้าเป็นแม่แรง R คือ ความยาวของด้ามแม่แรง W = แรงต้านทาน หรือน้ําหนักของวัตถุ P = ระยะทาง 1 ช่วงเกลียว ***ดังนั้น ถ้าคํานวณหาค่า E จึงใช้สูตร E = (W x P)/2πR 4. ล้อและเพลา (Wheel and Axle) เป็นเครื่องกลที่ช่วยผ่อนแรง ประกอบด้วยวัตถุทรงกระบอก 2 อันติดกัน อันใหญ่ เรียกว่า ล้ออันเล็ก เรียกว่า เพลา ใช่เชือก 2 เส้น พันรอบล้อเส้นหนึ่ง อีกเส้นหนึ่งพันรอบเพลา โดยพันไปคนละทาง ปลายข้างหนึ่งของเชือกที่พันรอบเพลาผูกติดกับวัตถุ ปลายข้างหนึ่งของเชือกที่พันรอบล้อใช้สําหรับออกแรงดึง E X R = W x r เมื่อ E = แรงพยายามหรือแรงที่ใช้ดึง มีหน่วยเป็นนิวตัน (N) R = รัศมีล้อ (วัดจากจุดศูนย์กลางของเพลาถึงขอบล้อ) (เมตร) r = รัศมีของเพลา (วัดจากจุดศูนย์กลางของเพลาถึงขอบเพลา) (เมตร) W = แรงต้านทานหรือน้ําหนักของวัตถุ (นิวตัน) ข้อสังเกต R ซึ่งเป็นรัศมีล้อจะมากกว่า r ซึ่งเป็นรัศมีเพลาเสมอ จึงช่วยผ่อนแรง

ตัวอย่าง ป๋องใช้ล้อรัศมี 50 เซนติเมตร และเพลารัศมี 20 เซนติเมตร ตักน้ําขึ้นจากบ่อ ถ้าออกแรง 100 นิว ตัน น้ําที่ตักได้มีน้ําหนักเท่าใด วิธีท า วาดรูปล้อและเพลาได้ดังนี้ หลักของงาน E x R = W x r E = 100 N, R = 50 cm , r = 20 cm แทนค่าในสูตร 100 x 50 = w x 20 w = (100 x 50)/20 = 250 N ***ดังนั้น น้ําที่ตักขึ้นจากบ่อหนัก 250 นิวตัน 5. รอก (Pulley) เป็นเครื่องกลที่ช่วยอํานวยความสะดวกในการยกของขึ้นที่สูงหรือหย่อนของ กว่าระดับเดิม รอกมีลักษณะเป็นล้อหมุนได้รอบตัว ตรงกลางมีร่องสําหรับคล้องเชือก ปลายเชือกด้านหนึ่ง ซึ่งมีน้ําหนักเป็น แรงต้าน (W) ส่วนปลายเชือกอีกด้านหนึ่งใช้สําหรับดึงเส้นเชือกเป็นแรงพยายาม (E) ที่จะยกหา หย่อนวัตถุ วัตถุ จะเคลื่อนที่ไปตามแนวแรงพยายามแต่มีทิศทางตรงกันข้าม รอกมี 2 ประเภทดังนี้ 1. รอกเดี่ยว 2. รอกพวง แรงที่เกิดจากน้ําหนักของวัตถุที่จะใช้รอกยก เรียกว่า แรงต้านทาน ส่วนแรงที่กระทําต่อเชือกเพื่อดึง วัตถุให้ยกสูงขึ้น เรียกว่า แรงพยายาม ประโยชน์ของรอก 1. ใช้ในงานก่อสร้าง ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม เพื่อช่วยดึงวัตถุที่หนักจากข้างล่างขึ้นไปยังข้างบน 2. ใช้ลากรถ ในกรณีเกิดอุบัติเหตุรถชนกัน 3. ใช้ตักน้ําจากบ่อน้ําของคนในสมัยโบราณ 4. ใช้เป็นลูกรอกบนยอดเสาธง 5. ใช้ทําอุปกรณ์ของเบ็ดตกปลา

6. คาน (Lever) เป็นเครื่องกลชนิดหนึ่งที่ใช้ดีดงัดวัตถุ ให้เคลื่อนที่รอบจุดหมด (fulcrum) มีลักษณะเป็นแท่ง ยาว หลักการทํางานของคานใช้หลักของโมเมนต์ ส่วนประกอบของคาน ส่วนประกอบที่สําคัญในการทํางานของคานมี 3 ส่วน คือ 1. จุดหมุนหรือจุดฟัลกรัม (Fulcrum) F 2. แรงความต้านทาน (W) หรือน้ําหนักของวัตถุ 3. แรงความพยายาม (E) หรือแรงที่กระทําต่อคาน การจ าแนกคาน คานจําแนกได้ 3 ประเภทหรือ 3 อันดับดังนี้ 1. คานอันดับที่ 1 เป็นคานที่มีจุด (F) อยู่ระหว่างแรงความพยายาม (E) และแรงความต้านทาน (W) เช่น กรรไกร ตัดผ้า กรรไกรตัดเล็บ คีมตัดลวด เรือแจว ไม้กระดก เป็นต้น 2. คานอันดับ 2 เป็นคานที่มีแรงความต้านทาน (W) อยู่ระหว่างแรงความพยายาม (E) และจุดหมุน (F) เช่น ที่เปิดขวดน้ําอัดลม รถเข็นทราย ที่ตัดกระดาษ เป็นต้น

3. คานอันดับที่ 3 เป็นคานที่มีแรงความพยายาม (E) อยู่ระหว่างแรงความต้านทาน (W) และจุดหมุน (F) เช่น ตะเกียบ คีมคีบถ่าน แหนบ เป็นต้น การผ่อนแรงของคาน จะมีค่ามากหรือน้อยโดยดูจากระยะ E ถึง F และ W ว่าถ้าระยะ EF ยาวหรือสั้นกว่าระยะ WF ถ้าในกรณีที่ยาวกว่าก็จะช่วยผ่อนแรง ถ้าสั้นกว่าก็จะไม่ผ่อนแรง หลักการค านวณเรื่องคาน มีดังนี้ 1. ถ้าโจทย์ไม่บอกน้ําหนักของคานมาให้ เราไม่ต้องคิดน้ําหนักของคาน ถือว่าคานนั้นเบามาก 2. ในการคํานวณให้ถือว่า คานมีขนาดสม่ําเสมอกันตลอด 3. ถ้าโจทย์บอกน้ําหนักคานมาให้ต้องคิดน้ําหนักคานด้วย โดยถือว่าน้ําหนักของคานจะอยู่จุดกึ่งกลางคานเสมอ 4. เมื่อคานอยู่ในสภาวะสมดุล โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกาเท่ากับโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา 5. โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา หรือโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกามีค่าเท่ากับ ผลบวกของโมเมนต์ย่อยแต่ละชนิด 6. เมื่อมีแรงมากระทําที่จุดหมุน ค่าของโมเมนต์มีค่าเท่ากับศูนย์เพราะระยะทางเป็นศูนย์ ดังนี้ โมเมนต์ = แรง x ระยะทางตั้งฉากจากจุดหมุนถึงแนวแรง = แรง x 0 โมเมนต์ = 0 หลักการพิจารณาว่าเครื่องกลประเภทคานช่วยผ่อนแรงหรือไม่ มีดังนี้ 1. ถ้าคานอยู่ในสมดุล หลักการของโมเมนต์ คือ โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา = โมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา หรือ โมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา = โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา 2. โมเมนต์ของแรง = แรง x ระยะทางตั้งฉากจากแนวแรงถึงจุดหมุน = F x S 3. พิจารณาจุดหมุน ทิศทางการเคลื่อนที่ของแรงพยายาม และระยะทางจากแรงพยายามถึงจุดหมุน ถ้า ระยะทางของแรงพยายามถึงจุดหมุนมากกว่าระยะทางของแรงต้านทานถึงจุดหมุนจะช่วยผ่อนแรง

ตัวอย่าง คานอันหนึ่งเบามากมีน้ําหนัก 30 นิวตันแขวนที่ปลายคานข้างหนึ่ง และอยู่ห่างจุดหมุน 2 เมตร จงหา ว่าจะต้องแขวนน้ําหนัก 15 นิวตัน ทางด้านตรงกันข้ามที่ใดคานจึงจะสมดุล วิธีท า สมมุติให้แขวนน้ําหนัก 15 นิวตัน ห่างจากจุดหมุน x เมตร คิดโมเมนต์ที่จุด F โมเมนต์ตาม = โมเมนต์ทวน 15 X x = 2 x 30 x = (2 x 30)/15 = 4 ***ดังนั้น ต้องแขวนน้ําหนัก 15 นิวตัน ห่างจากจุดหมุน 4 เมตร ตัวอย่าง คานยาว 10 เมตรงัดวัตถุหนัก 100 นิวตัน โดยวางให้จุดหมุนอยู่ห่างจากวัตถุ 1 เมตร จงหาว่า จะต้องออกแรงที่ปลายคานอีกข้างหนึ่งเท่าไร วิธีท า คิดโมเมนต์ที่จุด F โมเมนต์ตาม = โมเมนต์ทวน 9 X E = 100 x 1 E = (100 x 1)/9 = 11.11 ***ดังนั้น ต้องออกแรงพยายาม = 11.11 นิวตัน

ใบความรู้ วิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 หน่วย งานและพลังงาน บท พลังงานกลและกฎการอนุรักษ์พลังงาน เรื่อง พลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์ พลังงาน (energy) ในทางฟิสิกส์ เป็นความสามารถที่ อยู่ในตัวของวัตถุ ส่งผลให้วัตถุมีการเปลี่ยนแปลง เกิดขึ้น เช่น เปลี่ยนสถานะ หรือเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ พลังงานไม่ สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ แต่สามารถเปลี่ยนรูปแบบเป็นแบบอื่นได้ ประเภทของพลังงานกล พลังงานกลแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ดังนี้ 1. พลังงานจลน์ (kinetic energy; Ek) เป็นพลังงานที่ถูก ครอบครองโดยวัตถุที่เคลื่อนที่ เช่น รถกําลังแล่น ก้อนหินที่ตก จากที่สูง พลังงานจลน์จะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับมวลและ อัตราเร็วของวัตถุ กล่าวคือ ในกรณีที่วัตถุมีมวลเท่ากัน วัตถุที่ เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วสูงจะมีพลังงานจลน์มากกว่าวัตถุที่เคลื่อนที่ ด้วยอัตราเร็วต่ํา แต่ในกรณีที่วัตถุเคลื่อนที่ ด้วยอัตราเร็วเท่ากัน วัตถุที่มีมวลมากจะมีพลังงานจลน์มากกว่าวัตถุที่มีมวลน้อย พลังงานจลน์ เป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุจากอัตราเร็วของวัตถุขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของวัตถุ ใช้ สัญลักษณ์ (Ek) หาพลังงานจลน์ได้จากปริมาณงานที่ทําได้ทั้งหมด ของวัตถุที่กําลังเคลื่อนที่ไปทํางานอย่างหนึ่ง จนกระทั่งวัตถุหยุดนิ่ง ปัจจัยที่มีผลต่อพลังงานจลน์ คือ มวลและความเร็ว ค่าพลังงานจลน์ ค านวณได้จากสูตร Ek = mv2 เมื่อ E = พลังงานจลน์ มีหน่วยเป็นจุล (J) m = มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg) v = ความเร็วของวัตถุ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s) ความเร็ว = (ระยะทาง(m))/(เวลา(s))

ตัวอย่าง รถยนต์คันหนึ่งมวล 1,500 กิโลกรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 20 m/s จงหาพลังงานจลน์ของ รถยนต์ วิธีท า จากสูตร Ek = mv2 = x 1500 x (20 x 20) = 300 KJ ***ดังนั้น พลังงานจลน์ของรถยนต์มีค่า 300 กิโลจูล ตัวอย่าง นักวิ่งคนหนึ่งมีมวล 80 kg วิ่งด้วยอัตราเร็ว 10 m/s นักวิ่งคนนี้มีพลังงานจลน์เท่าใด วิธีท า จากสูตร Ek = mv2 = x 80 x (10 x 10) = 4,000 จูล ***ดังนั้น นักวิ่งคนนี้มีพลังงานจลน์ 4,000 จูล 2. พลังงานศักย์ (potential energy; Ep) เป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุ แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ดังนี้ 1) พลังงานศักย์โน้มถ่วง (gravitational potential energy) เป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุที่เกี่ยวข้อง กับ ตําแหน่งของวัตถุเมื่อเปรียบเทียบกับตําแหน่งอ้างอิงในสนามโน้มถ่วง เช่น นกบินอยู่บนท้องฟ้า หรือก้อนหินบน ภูเขา ซึ่งพลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่ามากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับมวลและตําแหน่งของวัตถุจากระดับอ้างอิง กล่าวคือ ถ้าวัตถุที่มีมวลต่างกันอยู่ในระดับความสูงเหนือตําแหน่งอ้างอิงเท่ากัน วัตถุที่มีมวลมากกว่าจะมีพลังงาน ศักย์โน้ม ถ่วงสะสมอยู่มากกว่าวัตถุที่มีมวลน้อยกว่า เราสามารถหาค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงได้จากงานที่วัตถุ ทําได้ในการเปลี่ยนตําแหน่งจากที่อยู่เดิม มายังตําแหน่งอ้างอิง โดย ใช้สูตรต่อไปนี้

สูตร Ep = mgh เมื่อ Ep = พลังงานศักย์โน้มถ่วง มีหน่วยเป็นจุล (J) m = มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg) g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกมีค่าเท่ากับ 9.8 เมตรต่อวินาที (m/s2 ) h = ระดับความสูงของวัตถุที่อยู่เหนือตําแหน่งอ้างอิง มีหน่วยเป็นเมตร (m) ตัวอย่าง ก้อนหินก้อนหนึ่งมีมวล 200 กิโลกรัม วางอยู่บนหน้าผาสูง 50 เมตร จงหาพลังงานศักย์โน้มถ่วงของก้อน หินก้อนนี้ วิธีท า จากสูตร Ep = mgh = 200 x 9.8 x 50 = 98,000 จูล ***ดังนั้น พลังงานศักย์โน้มถ่วงของก้อนหินก้อนนี้เท่ากับ 98,000 จูล 2) พลังงานศักย์ยืดหยุ่น (elastic potential energy) เป็นพลังงานศักย์รูปแบบหนึ่งที่สะสมอยู่ในวัตถุที่ ยืดหยุ่นได้ เมื่อมีแรงมากระทําต่อวัตถุทําให้วัตถุยืดออกหรือหดสั้นไปจากสภาพเดิม จากนั้นวัตถุจะกลับสู่สภาพ เดิมได้ เช่น สปริง หนังยาง สายธนู สามารถหาค่าพลังงานศักย์ยืดหยุ่น ได้จากสูตร E p = ks2 เมื่อ k = ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดึงกับระยะยืดของสปริง S = ระยะยืดหดของสปริง

ใบความรู้ วิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 หน่วย งานและพลังงาน บท พลังงานกลและกฎการอนุรักษ์พลังงาน เรื่อง กฎการอนุรักษ์พลังงาน กฎการอนุรักษ์พลังงาน (law of conservation of energy) กล่าวว่า “พลังงานเป็นสิ่งที่ไม่สามารถ สร้างขึ้น และไม่สามารถทําให้สูญหายหรือทําลายได้ แต่จะเกิดการเปลี่ยนรูปพลังงานจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูป หนึ่ง” (1) เมื่อวัตถุอยู่นิ่งและอยู่ในตําแหน่งที่สูงสุด พลังงานจลน์มีค่าเป็น ศูนย์ ส่วนพลังงานศักย์โน้มถ่วง จะมีค่ามากที่สุด (2) เมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่าลดลง เนื่องจาก พลังงานศักย์โน้มถ่วงเปลี่ยนแปลงไปเป็นพลังงานจลน์ (3) ขณะที่วัตถุเคลื่อนที่มาอยู่ในตําแหน่งต่ําที่สุด เมื่อเทียบกับ ตําแหน่งอ้างอิง จะเป็นจุดที่พลังงานจลน์มีค่าสูงที่สุด ส่วนพลังงาน ศักย์โน้มถ่วงจะมีค่าน้อยที่สุดและจะเป็นศูนย์ เมื่อวัตถุอยู่ที่ระดับ เดียวกับตําแหน่งอ้างอิง กฎการอนุรักษ์พลังงาน (law of conservation of energy) กล่าวว่า พลังงานเป็นสิ่งที่ไม่สามารถสร้าง ขึ้นใหม่ แต่สามารถเปลี่ยนรูปจากพลังงานรูปหนึ่งไปเป็นพลังงานรูปอื่น ๆ ได้โดยไม่มีการสูญหายไป ดังสมการ E1 คือ ปริมาณพลังงานก่อนการเปลี่ยนรูป E2 คือ ปริมาณพลังงานหลังการเปลี่ยนรูป การเคลื่อนที่แบบเสรีของวัตถุภายใต้สนามโน้มถ่วง ของโลกโดยไม่มีแรงภายนอกมากระทํา พลังงานกลของวัตถุ ณ ตําแหน่งใดก็ตาม ย่อมมีค่าคงเดิมเสมอ เมื่อวัตถุตกลง พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะลดลง ค่าที่ลดลงจะเปลี่ยนไปเป็น พลังงานจลน์ที่เพิ่มขึ้นทุกขณะ E1 = E2

ถ้าเราขว้างวัตถุไปจากพื้นดินเป็นโพรเจกไทล์ ทุก ๆ ช่วงที่วัตถุเคลื่อนที่ทั้งขาขึ้นและขาลง จะมีพลังงานกล คือ พลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์รวมกันทุกขณะจะคงตัวตลอดการเคลื่อนที่ ทั้งนี้การเคลื่อนที่ดังกล่าว เป็นการเคลื่อนที่ในสนามแรงโน้มถ่วงของโลกและในการเคลื่อนที่นี้แรงของสนามทํางานตลอดเวลาแต่ไม่ทําให้ พลังงานกลเปลี่ยนสนาม เช่น สนามโน้มถ่วงนี้นับเป็นสนามอนุรักษ์ หรือแรงโน้มถ่วงนับเป็น แรงอนุรักษ์ คือ เป็น สนามที่ทําให้พลังงานกลรวมอนุรักษ์ ต่อไปจะพบว่า สนามไฟฟ้าก็เป็นสนามอนุรักษ์เช่นกัน แรงของสปริง โดยเฉพาะสปริงที่มีคุณภาพ เมื่อยืดหรือหดใน ขอบเขตของการยืดหยุ่นจะมีการสูญเสียพลังงานที่มีในตัวน้อย มาก จึงประมาณว่าแรงของสปริงเป็นแรงอนุรักษ์ได้ และ สามารถมีพลังงานศักย์ได้ ตามปกติงานที่ไม่อนุรักษ์จะไม่ สามารถคิดพลังงานศักย์ได้ ในกรณีของสปริงนั้น ถ้าสปริงถูกกดให้หดสั้น พลังงานกลของสปริงขณะนั้นมีค่าเท่ากับพลังงานศักย์ ยืดหยุ่นเพราะพลังงานจลน์ขณะนั้นมีค่าเป็นศูนย์ เมื่อปล่อยมือ สปริงจะดีดตัวกลับโดยพลังงานศักย์ยืดหยุ่นจะ ลดลงเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ และเมื่อสปริงเคลื่อนที่กลับมาสู่ตําแหน่งสมดุล พลังงานจลน์จะมีค่ามากที่สุดใน ขณะที่พลังงานศักย์ยืดหยุ่นลดลงเป็นศูนย์ (ดังนั้นทุกขณะของการเคลื่อนที่พลังงานกลรวมจะมีค่าคงตัว) ผลรวมของพลังงานกล = พลังงานศักย์ + พลังงานจลน์ หรือ ∑E = Ek + Ep ∑E = ผลรวมของพลังงานกล (ผลรวมของพลังงานศักย์กับพลังงานจลน์) Ep = พลังงานศักย์ Ek = พลังงานจลน์ จากกฎการอนุรักษ์พลังงาน จะได้ พลังงานศักย์โน้มถ่วงที่ตําแหน่งปล่อยวัตถุ = พลังงานจลน์ของวัตถุที่ตําแหน่งกระทบพื้น พลังงานกลประกอบด้วยพลังงานจลน์กับพลังงานศักย์โน้มถ่วง ซึ่งเปลี่ยนรูปกลับไปมาระหว่างกัน ทําให้ เกิดการสมดุลของพลังงานดังนี้ พลังงานจลน์ + พลังงานศักย์โน้มถ่วง = ค่าคงที่ พลังงานกล = พลังงานจลน์ + พลังงานศักย์โน้มถ่วง ค่าพลังงานจลน์แปรผกผันกับพลังงานศักย์ - ค่าพลังงานจลน์มากพลังงานศักย์น้อย - ค่าพลังงานจลน์น้อยพลังงานศักย์มาก

ในการนําพลังงานไปใช้ประโยชน์จึงต้องคํานึงถึงหลักการเปลี่ยนรูปของพลังงานอย่างคุ้มค่า การเปลี่ยนรูป พลังงาน เช่นการเปลี่ยนรูปของพลังงานจากแสงอาทิตย์ แสงอาทิตย์เป็นต้นกําเนิดของพลังงานในโลก โดยเปลี่ยน พลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมี แล้วเก็บสะสมไว้ในรูปเชื้อเพลิง เช่น ฟืน ถ่าน น้ํามัน ก๊าซธรรมชาติ เมื่อนํา เชื้อเพลิงเหล่านี้ไปเผาไหม้ พลังงานเคมีจะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานแสงต่อไป พลังงานแสงยังเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ โดยอาศัยอุปกรณ์ที่ เรียกว่า เซลล์สุริยะ (solar cell) การเปลี่ยนรูปพลังงานไฟฟ้า พลังงานจลน์จากน้ํา สามารถนําไปใช้ ในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้ โดยอาศัยอุปกรณ์ที่เรียกว่าไดนาโมเมื่อนํา กระแสไฟฟ้าไปใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ พลังงานไฟฟ้าก็จะเปลี่ยนเป็น พลังงานรูปอื่น ๆ ดังนี้

พลังงานนอกจากจะอยู่ในรูปแบบพลังงานศักย์ พลังงานจลน์ หรือพลังงานกลแล้วในชีวิตประจําวันเรายังพบ พลังงานในรูปแบบต่าง ๆ ดังนี้ 1. พลังงานเคมี เป็นพลังงานที่แฝงอยู่ในโครงสร้างของสาร เช่น พลังงานเคมีที่อยู่ในน้ํามันเชื้อเพลิง พลังงานเคมี ที่อยู่ในอาหาร พลังงานเคมีที่มีอยู่ในแบตเตอรี่หรือถ่านไฟฉาย ถ้านํามาใช้จะปล่อยพลังงานเคมีออกมาใช้ทํา ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ พลังงานเคมีนี้อาจเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “พลังงานสะสม” 2. พลังงานไฟฟ้า เป็นพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหรือประจุไฟฟ้าในช่วงเวลาหนึ่ง โดยผ่าน เครื่องกําเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า เช่น ไดนาโม เซลล์สุริยะ เป็นต้น 3. พลังงานคลื่น เป็นพลังงานที่ส่งมาในรูปของคลื่น เช่น คลื่นแสง เสียง คลื่นวิทยุ ซึ่งมนุษย์นํามาใช้ประโยชน์ ต่าง ๆ มากมาย เช่น ใช้ในการพยากรณ์อากาศ การสื่อสาร โดยจะใช้พลังงานที่อยู่ในรูปของคลื่นในการรับส่ง ข้อมูล 4. พลังงานนิวเคลียร์ เป็นพลังงานที่ถูกปล่อยออกมาในรูปของสารกัมมันตรังสีซึ่งมีอยู่ตามธรรมชาติ หรือสาร กัมมันตรังสีในระเบิดนิวเคลียร์ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์จะใช้พลังงานนิวเคลียร์จากเตา ปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในรูปของพลังงานความร้อนในการผลิตกระแสไฟฟ้า

การถ่ายโอนพลังงานความร้อน การถ่ายโอนพลังงานความร้อน เป็นการถ่ายเทพลังงานความร้อนระหว่างที่สองแห่งที่มีอุณหภูมิแตกต่าง กัน วิธีการถ่ายโอนพลังงานความร้อนแบ่งได้เป็น 3 วิธี ดังนี้ 1. การถ่ายโอนความร้อนโดยการน าความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยความร้อนจะเคลื่อนที่ไปตามเนื้อ ของวัตถุจากตําแหน่งที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่ตําแหน่งที่มีอุณหภูมิต่ํากว่า โดยที่วัตถุที่เป็นตัวกลางในการถ่ายโอนความ ร้อนไม่ได้เคลื่อนที่ เช่น การนําแผ่นอะลูมิเนียมมาเผาไฟ โมเลกุลของแผ่นอะลูมิเนียมที่อยู่ใกล้เปลวไฟจะร้อนก่อน โมเลกุลที่อยู่ไกลออก ไป เมื่อได้รับความร้อนจะสั่นมากขึ้นจึงชนกับโมเลกุลที่อยู่ติดกัน และทําให้โมเลกุลที่อยู่ ติดกันสั่นต่อเนื่องกันไป ความร้อนจึงถูกถ่ายโอนไปโดยการสั่นของโมเลกุลของแผ่นอะลูมิเนียม โลหะต่าง ๆ เช่น เงิน ทอง อะลูมิเนียม เหล็ก เป็นวัตถุที่นําความ ร้อนได้ดี จึงถูกนํามาทําภาชนะในการหุงต้มอาหาร วัตถุที่นําความ ร้อนไม่ดีจะถูกนํามาทําฉนวนกันความร้อน เช่น ไม้ พลาสติก แก้ว กระเบื้อง เป็นต้น 2. การถ่ายโอนความร้อนโดยการพาความร้อน เป็นการถ่าย โอนความร้อนโดยวัตถุที่เป็นตัวกลางในการพาความร้อนจะ เคลื่อนที่ ไปพร้อมกับความร้อนที่พาไป ตัวกลางในการพาความ ร้อน จึงเป็นสารที่โมเลกุลเคลื่อนที่ได้ง่าย ได้แก่ ของเหลวและ แก๊ส ลมบกลมทะเลเป็นการเคลื่อนที่ของอากาศที่พาความร้อน จากบริเวณหนึ่งไปยัง อีกบริเวณหนึ่ง การต้ม การนึ่ง และการ ทอดอาหารเป็นการทําให้อาหารสุกโดยการพาความร้อน 3. การถ่ายโอนความร้อนโดยการแผ่รังสีความร้อน เป็นการ ถ่ายโอนความร้อนโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง เช่น การแผ่รังสี ความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก การแผ่รังสีความร้อนจาก เตาไฟ ไปยังอาหารที่ปิ้งย่างบนเตาไฟ เป็นต้น

กฎการอนุรักษ์พลังงานกับการน าไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจ าวัน 1. การคมนาคมทางอากาศ การเคลื่อนที่และการ ขึ้นลงของเครื่องบิน จะเกี่ยวข้องกับการลดระดับ หรือเพิ่มระดับความสูงของเครื่องบิน 2. ระบบการจ่ายน้ าประปาไปตามบ้านเรือน จะ ปล่อยน้ําจากถังพักน้ํา ซึ่งตั้งอยู่ในระดับสูงให้ไหลจาก ที่สูงลงสู่ที่ต่ํากว่าตามแรงโน้มถ่วงของโลก 3. การเก็บกักน้ าในอ่างเก็บน้ า เพื่อระบายน้ําไปสู่ ท้องที่ที่ทําการเกษตรในยามขาดแคลนน้ํา 4. การท างานของลิฟต์ ที่ใช้ขนลําเลียงคนและสิ่งของขึ้นลง ในตึกสูง ๆ 5. กระเช้าไฟฟ้า ซึ่งใช้ข้ามแม่น้ํา ใช้เดินทางระหว่าง อาคาร หรือนั่งพักผ่อนชมทิวทัศน์ในสวนสนุก 6. การท างานของเครื่องเล่นต่าง ๆ ในสวนสนุก เช่น เรือ ไวกิ้ง ชิงช้าสวรรค์ เป็นต้น 7. การใช้พลังงานน้ าจากเขื่อนกักเก็บน้ าในการผลิต กระแสไฟฟ้า โดยนําพลังงานน้ําหมุนไดนาโม เพื่อผลิต กระแสไฟฟ้าส่งไปใช้ตามบ้านเรือน เช่น เขื่อนภูมิพล จังหวัด ตาก เป็นต้น

ใบความรู้ วิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 หน่วย การแยกสาร บท การแยกสารและการน าไปใช้ เรื่อง วิธีการแยกสาร 1. การระเหยแห้ง การระเหยแห้ง (dry evaporation) การแยกสารด้วย วิธีนี้เหมาะสําหรับใช้แยกสารผสมที่เป็นของเหลวและมีของแข็ง ละลายในของเหลวนี้ จนทําให้สารผสมมีลักษณะเป็นของเหลวใส ซึ่งเราเรียกสารผสมนี้ว่า สารละลาย เช่น น้ําทะเล น้ําเชื่อม น้ําเกลือ เป็นต้น การแยกสารโดยวิธีการระเหยแห้งนิยมใช้ในการ แยกเกลือออกจากน้ําทะเลมีการนําเกลือเพื่อแยกน้ําทะเลให้ได้ เกลือสมุทรโดยวิธีการระเหยแห้ง วิธีการแยกสาร การระเหยแห้งมีหลักการ คือ สารที่มีจุดเดือด ต่ํากว่าจะระเหยกลายเป็นไอได้ดีกว่าสารที่มีจุดเดือดสูง กว่า ดังนั้น สารที่ระเหยออกมาก่อนจึงเป็นของเหลว ส่วนสารที่เหลืออยู่จะเป็นของแข็ง เช่น เมื่อให้ความร้อน แก่สารละลาย โดยการต้มของเหลวที่มีจุดเดือดต่ําจะ ระเหยกลายเป็นไอ ส่วนของแข็งซึ่งมีจุดเดือดสูงกว่าจะ เหลืออยู่ในภาชนะ ***การระเหย (evaporation) หมายถึง การเปลี่ยนสถานะ ของสารจากของเหลวกลายเป็นไออย่างช้า ๆ ซึ่งจะเกิดขึ้น เฉพาะ ผิวหน้าของของเหลวเท่านั้น โดยการระเหยสามารถ เกิดขึ้นได้ทุกอุณหภูมิที่ยังมีของเหลวอยู่ เช่น น้ําสามารถ ระเหยได้ที่อุณหภูมิ ตั้งแต่ 0-100 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 1 บรรยากาศ

2. การตกผลึก การตกผลึก (crystallization) เป็นการแยกตัวละลายที่เป็น ของแข็งออกจากตัวท าละลายที่เป็นของเหลวในสภาพของ สารละลายอิ่มตัว โดยอาศัยความสามารถในการละลายในตัวทํา ละลายของสารที่ต้องการให้ตกผลึก ซึ่งสารที่ต้องการตกผลึกจะละลาย ได้น้อยในตัวทําละลายที่อุณหภูมิปกติแต่จะละลายได้ดีที่อุณหภูมิสูง การตกผลึก สามารถใช้แยกสารที่มีสิ่งเจือปนให้บริสุทธิ์ได้ โดยนําสารประกอบที่อยู่ในสถานะของแข็งมา ละลายในตัวทําละลายจนกลายเป็นสารละลายอิ่มตัวที่อณหภูมิสูง แล้วกรองสารละลายอิ่มตัวในขณะที่ยังร้อน เพื่อกําจัดสิ่งเจือปนที่ไม่ละลายออกจากนั้นเมื่อสารละลายอิ่มตัวเย็นลง หรือมีอุณหภูมิลดลง ตัวละลายที่เป็น ของแข็งจะตกผลึกแยกออกจากสารละลาย ทําให้สามารถแยกตัวละลายออกจากสารละลายอิ่มตัวได้ โดยกระบวนการดังกล่าว อาจเกิดขึ้นเองในธรรมชาติหรือเกิดขึ้นจากการทดลองในห้องปฏิบัติการตัวอย่าง การเกิดผลึกในธรรมชาติ เช่น ผลึกน้ําแข็ง (ice crystals) หิมะ (snow) เป็นต้น ผลึกของสารอินทรีย์เช่น อินซูลิน และน้ําตาล ผลึกของธาตุเช่น แกลเลียม และซิลิกอน ซึ่งสามารถเกิดในธรรมชาติและถูกสังเคราะห์ การเลือกตัวท าละลายที่เหมาะสมต่อการตกผลึก มีหลักในการเลือกดังนี้ 1. ละลายสารที่ต้องการตกผลึกในขณะร้อนได้ดี และละลายได้น้อยหรือไม่ละลายเลยที่อุณหภูมิต่ํา (ขณะเย็น) 2. ไม่ละลายสารปนเปื้อนขณะร้อนหรือละลายได้น้อยขณะร้อน แต่ละลายได้ดีขณะเย็น 3. ควรมีจุดเดือดต่ํา เพื่อสามารถกําจัดออกจากผลึกได้ง่าย 4. ไม่ทําปฏิกิริยากับสารที่ต้องการตกผลึก 5. ควรทําให้สารที่ที่ต้องการทําให้บริสุทธิ์เกิดเป็นผลึกที่มีรูปร่างชัดเจน 6. ไม่เป็นพิษ 7. หาง่าย และราคาถูก

ขั้นตอนในการตกผลึก 1. เลือกตัวทําละลายที่เหมาะสม 2. บดสารที่ต้องการตกผลึกให้ละเอียด ใส่ในภาชนะที่มีตัวทําละลายอยู่เล็กน้อย 3. อุ่นสารให้มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นช้า ๆ พร้อมกับเติมตัวทําละลายลงไปจนมีปริมาณพอสมควร ทําให้ สารละลายที่ได้เป็นสารละลายอิ่มตัว แล้วอุ่นสารละลายต่อไปจนอุณหภูมิใกล้เคียงกับจุดเดือดของตัวทําละลาย เพื่อให้ผลึกที่บดละเอียดละลายหมด 4. กรองในขณะที่สารละลายยังร้อน 5. ปล่อยให้สารละลายที่ได้จากการกรองเย็นลงช้า ๆ อย่าให้ถูกกระทบกระเทือนหรือเคลื่อนไหว เพื่อให้ได้ รูปผลึกที่สวยงาม 6. ผลึกที่ตกครั้งแรกอาจไม่บริสุทธิ์เพียงพอ ต้องตกผลึกใหม่อีกครั้งเพื่อให้มีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น ประโยชน์ของการตกผลึกในชีวิตประจ าวัน 1. การทํานาเกลือ 2. การทําน้ําตาลทราย เกิดเป็นผลึก (crystal) ซึ่งประกอบด้วย 2 ขั้นตอนหลัก คือ การเกิดนิวเคลียสผลึก (nucleation) และการขยายขนาดของผลึก (crystal growth) กระบวนการแปรรูปอาหารที่มีการตกผลึก 1. การตกผลึกในกระบวนการผลิตน้ําตาล เช่น น้ําตาลซูโครส (sucrose), dextrose monohydrate 2. การตกผลึกในการแยกส่วน (fractionation) ตามจุดหลอมเหลว ของไขมันและน้ํามัน 3. การตกผลึกน้ําตาลแล็กโทส (lactose) ออกจากโปรตีนเวย์ (whey) 4. การตกผลึกในกระบวนการผลิตลูกกวาด (candy)

3. การกลั่น การกลั่น (distillation) เป็นการแยกสารละลายที่ประกอบด้วยของเหลว 2 ชนิด หรือมากกว่า 2 ชนิด ที่มีจุดเดือดแตกต่างกันออกจากกันโดยการใช้ความร้อน การกลั่น มีหลักการ คือ เป็นการแยกสารละสายที่ เป็นของเหลวออกจากของผสม โดยอาศัยหลักการระเหย กลายเป็นไปและควบแน่น โดยที่สารบริสุทธิ์แต่ละชนิดเปลี่ยน สถานะได้ที่อุณหภูมิจําเพาะ สารที่มีจุดเดือดต่ําจะเดือดเป็นไอ ออกมาก่อน เมื่อทําให้ไอของสารมีอุณหภูมิต่ําลงจะควบแน่น กลับมาเป็นของเหลวอีกครั้ง นอกจากนั้น การกลั่นยังสามารถใช้แยกสารผสมที่มีของแข็งละลายอยู่ในของเหลว โดยการแยกของเหลวที่ มีจุดเดือดต่ํากว่าให้ระเหยกลายเป็นไอออกมาก่อน ส่วนของแข็งที่มีจุดเดือดสูงกว่าจะเหลืออยู่ในขวดกลั่น การกลั่น การกลั่นแบบธรรมดา การกลั่นแบบไอน้ํา การกลั่นลําดับส่วน 3.1 การกลั่นแบบธรรมดาหรือการกลั่นอย่างง่าย (simple distillation) เป็นวิธีการที่ใช้กลั่นแยกสารที่ระเหยง่าย ซึ่งปนอยู่กับสารที่ระเหยยาก การกลั่นธรรมดานี้จะใช้แยกสารออกเป็นสารบริสุทธิ์เพียงครั้งเดียวได้สารที่มีจุดเดือด ต่างกัน ตั้งแต่ 80 องศาเซลเซียส ขึ้นไป ตัวอย่าง เช่น การกลั่นน้ําเกลือ ซึ่งน้ําเป็นตัวทําละลาย มีจุดเดือด 100 องศาเซลเซียส และเกลือเป็นตัวละลาย มีจุด เดือด 1,413 องศาเซลเซียส เมื่อน้ําเกลือได้รับความร้อนจะมีแต่น้ําบริสุทธิ์ที่กลายเป็นไอออกมา และควบแน่นกลับ เป็นของเหลวอีกครั้ง ในขณะที่เกลือยังคงอยู่ภายในขวดกลั่น จึงทําให้สามารถแยกน้ําและเกลือออกจากกันได้

3.2 การกลั่นแบบไอน้ า (steam distillation) เป็นวิธีการสกัดสารออกจากของผสมโดยใช้ไอน้ํา เป็นตัวทําละลาย วิธีนี้ใช้สําหรับแยกสารที่ละเหย ง่าย ไม่ละลายน้ํา และไม่ทําปฏิกิริยากับน้ํา ออก จากสารที่ระเหยยาก ได้แก่ การแยกน้ ามันหอม ระเหยออกจากส่วนต่าง ๆ ของพืช เช่น - แยกน้ํามันยูคาลิปตัสออกจากใบยูคาลิปตัส - การแยกน้ํามันมะกรูดออกจากผิวมะกรูด ในการกลั่นนี้ ไอน้ําจะไปทําให้น้ํามันหอม ระเหยกลายเป็นไอแยกออกมาพร้อมกับไอน้ําเมื่อทํา ให้ไอของของผสมควบแน่นโดยผ่านเครื่องควบแน่น ก็จะได้น้ําและน้ํามันหอมระเหยปนกันแต่แยกชั้นกัน อยู่ทําให้สามารถแยกเอาน้ํามันหอมระเหยออกจาก น้ําได้ง่าย ตัวอย่าง การกลั่นน้ํามันหอมระเหยจากเปลือกส้ม เมื่อให้ ความร้อนกับน้ําจนระเหยกลายเป็นไอจะผ่านไปยังเปลือกส้ม และสกัดน้ํามันหอมระเหยที่ต้องการออกมา ซึ่งของเหลวจะ แบ่งเป็น 2 ชั้น โดยชั้นล่างจะเป็นน้ํา ส่วนชั้นบนเป็นน้ํามัน หอมระเหย 3.3 การกลั่นล าดับส่วน (fraction distillation) เป็นวิธีการแยกของเหลวที่สามารถระเหยได้ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป มี หลักการเช่นเดียวกันกับการกลั่นแบบธรรมดา คือ เพื่อต้องการแยกองค์ประกอบในสารละลายให้ออกจากกัน แต่ก็จะ มีส่วนที่แตกต่างจากการกลั่นแบบธรรมดา คือ การกลั่นแบบกลั่นลําดับส่วนเหมาะสําหรับใช้กลั่นของเหลวที่เป็น องค์ประกอบของสารละลายที่จุดเดือดต่างกันน้อย ๆ ในขั้นตอนของกระบวนการกลั่นลําดับส่วน จะเป็นการนําไอ ของแต่ละส่วนไปควบแน่น แล้วนําไปกลั่นซ้ําและควบแน่นไอเรื่อย ๆ ซึ่งเทียบได้กับเป็นการการกลั่นแบบธรรมดา หลาย ๆ ครั้งนั่นเอง ตัวอย่าง การแยกเอทิลแอลกอฮอล์ออกจากน้ํา ซึ่งเป็นสารที่มีจุดเดือดใกล้เคียงกัน โดยน้ํามีจุดเดือด 100 องศา เซลเซียส ส่วนเอทิลแอลกอฮอล์มีจุดเดือด 78 องศาเซลเซียส จึงต้องผ่านการกลั่นซ้ําหลาย ๆ ครั้งในหอกลั่นเพื่อให้ สามารถแยกเอทิลแอลกอฮอล์ที่บริสุทธิ์ออกมาได้ ความแตกต่างของการกลั่นลําดับส่วนกับ การกลั่นแบบธรรมดา จะอยู่ที่คอลัมน์ โดย คอลัมน์ของการกลั่นลําดับส่วนจะมีลักษณะ เป็นชั้นซับซ้อน เป็นชั้น ๆ ในขณะที่คอลัมน์ แบบธรรมดาจะเป็นคอลัมน์ธรรมดา ไม่มี ความซับซ้อนของคอลัมน์

4. โครมาโทกราฟีแบบกระดาษ โครมาโทกราฟีแบบกระดาษ (paper chromatography) เป็นการแยกสารละลายที่ประกอบด้วยสาร มากกว่า 1 ชนิด ออกจากกัน โดยอาศัยความสามารถในการ ละลายของสารในตัวทําละลาย และการถูกดูดซับบนตัวดูดซับที่ แตกต่างกัน เนื่องจากสารแต่ละชนิดมีความสามารถในการละลาย และเคลื่อนที่บนตัวดูดซับได้แตกต่างกัน โครมาโทกราฟีแบบกระดาษ ประกอบด้วยส่วนประกอบสําคัญ 2 ส่วน ดังนี้ - ตัวท าละลาย ทําหน้าที่ละลายและพาสารให้เคลื่อนที่ โดยสารที่ละลายในตัวทําละลายได้ดีกว่าจะเคลื่อนที่ แยกออกมาก่อน ส่วนสารที่ละลายในตัวทําละลายได้น้อยกว่าจะแยกตัวออกมาทีหลัง ตัวทําละลายที่นิยมใช้ มักเป็นของเหลวใส เช่น น้ํา แอลกอฮอล์ เฮกเซน อีเทอร์ สารละลายโซเดียมคลอไรด์ เป็นต้น - ตัวดูดซับ ทําหน้าที่ดูดซับสารและเป็นตัวกลางให้สารเคลื่อนที่ผ่าน โดยสารที่ถูกดูดซับด้วยตัวดูดซับ ได้ดีจะ เคลื่อนที่ช้า ส่วนสารที่ถูกดูดซับด้วยตัวดูดซับได้ไม่ดีจะเคลื่อนที่ได้เร็วตัวดูดซับที่นิยมใช้ เช่น กระดาษโคร มาโทกราฟี กระดาษกรอง เป็นต้น หลักการของโครมาโทกราฟี โครมาโทกราฟีอาศัยหลักการละลายของสารในตัวทํา ละลาย และการถูกดูดซับโดยตัวดูดซับ โดยสารที่ต้องการ นํามาแยกโดยวิธีนี้จะมีสมบัติการละลายในตัวทําละลายได้ไม่ เท่ากัน และตัวถูกดูดซับโดยตัวดูดซับได้ไม่เท่ากัน ทําให้สาร เคลื่อนที่ได้ไม่เท่ากัน วิธีการท าโครมาโทกราฟี นําสารที่ต้องการแยกมาละลายในตัวทําละลายที่เหมาะสมแล้วให้เคลื่อนที่ไปบนตัวดูดซับ การเคลื่อนที่ ของสารบนตัวดูดซับขึ้นอยู่กับความสามารถในการละลายของสารแต่ละชนิดในตัวทําละลาย และความสามารถ ในการดูดซับที่มีต่อสารนั้น กล่าวคือ สารที่ละลายในตัวทําละลายได้ดี และถูกดูดซับน้อยจะถูกเคลื่อนที่ออกมา ก่อน ส่วนสารที่ละลายได้น้อยและถูกดูดซับได้ดี จะเคลื่อนที่ออกมาทีหลัง ถ้าใช้ตัวดูดซับมาก ๆ จะสามารถแยก สารออกจากกันได้

การเลือกตัวท าละลายและตัวดูดซับ 1. ตัวทําละลายและสารที่ต้องการแยกจะต้องมีการละลายไม่เท่ากัน 2. ควรเลือกตัวดูดซับที่มีการดูดซับสารได้ไม่เท่ากัน 3. ถ้าต้องการแยกสารที่ผสมกันหลายชนิด อาจต้องใช้ตัวทําละลายหลายชนิดหรือใช้ตัวทําละลายผสม 4. ตัวทําละลายที่นิยมใช้ ได้แก่ เฮกเซน ไซโคลเฮกเซน เบนซีน อะซีโตน คลอไรฟอร์ม เอธานอล 5. ตัวดูดซับที่นิยมใช้ ได้แก่ อะลูมินาเจค (Al2O3 ) ซิลิกาเจล (SiO2 ) วิธีการของโครมาโทกราฟี คือ แต้มสารเป็นจุดซึ่งมักจะมีสีบน ตัวดูดซับเพื่อสังเกตง่ายแล้วนําตัวดูดซับไปแช่ในตัวทําละลาย โดยให้จุดสีของสารอยู่สูงกว่าระดับตัวทําละลายเล็กน้อย หลังจากนั้นตัวทําละลายจะซึมขึ้นมาถึงจุดสีของสารแล้ว ละลายสารองค์ประกอบ และพาสารองค์ประกอบเคลื่อนที่ไป บนตัวดูดซับปรากฏเป็นแถบสีบนตัวดูดซับ ซึ่งสีแต่ละสีจะ เคลื่อนที่ได้ระยะทางต่างกัน ระยะทางที่สารแต่ละชนิดเคลื่อนที่จะแตกต่างกัน ซึ่งสามารถนําระยะทางที่สารเคลื่อนที่มาคํานวณหาอัตรา การเคลื่อนที่ของสาร (retention factor, Rf) ซึ่งเป็นค่าเฉพาะตัวของสารแต่ละชนิด โดยขึ้นอยู่กับความสามารถ ในการละลายของสารในตัวทําละลาย และการถูกดูดซับด้วยตัวดูดซับของสารนั้น ๆ โดยมีสูตร ดังนี้ Rf = ระยะทางที่สารเคลื่อนที่ () ระยะทางที่ตัวทําละลายเคลื่อนที่ ()

การเลือกตัวท าละลายและตัวดูดซับ 1. ตัวทําละลายและสารที่ต้องการแยกจะต้องมีการละลายไม่เท่ากัน 2. ควรเลือกตัวดูดซับที่มีการดูดซับสารได้ไม่เท่ากัน 3. ถ้าต้องการแยกสารที่ผสมกันหลายชนิด อาจต้องใช้ตัวทําละลายหลายชนิดหรือใช้ตัวทําละลายผสม 4. ตัวทําละลายที่นิยมใช้ ได้แก่ เฮกเซน ไซโคลเฮกเซน เบนซีน อะซีโตน คลอไรฟอร์ม เอธานอล 5. ตัวดูดซับที่นิยมใช้ ได้แก่ อะลูมินาเจค (Al2O3 ) ซิลิกาเจล (SiO2 ) วิธีการของโครมาโทกราฟี คือ แต้มสารเป็นจุดซึ่งมักจะมีสีบน ตัวดูดซับเพื่อสังเกตง่ายแล้วนําตัวดูดซับไปแช่ในตัวทําละลาย โดยให้จุดสีของสารอยู่สูงกว่าระดับตัวทําละลายเล็กน้อย หลังจากนั้นตัวทําละลายจะซึมขึ้นมาถึงจุดสีของสารแล้ว ละลายสารองค์ประกอบ และพาสารองค์ประกอบเคลื่อนที่ไป บนตัวดูดซับปรากฏเป็นแถบสีบนตัวดูดซับ ซึ่งสีแต่ละสีจะ เคลื่อนที่ได้ระยะทางต่างกัน ระยะทางที่สารแต่ละชนิดเคลื่อนที่จะแตกต่างกัน ซึ่งสามารถนําระยะทางที่สารเคลื่อนที่มาคํานวณหาอัตรา การเคลื่อนที่ของสาร (retention factor, Rf) ซึ่งเป็นค่าเฉพาะตัวของสารแต่ละชนิด โดยขึ้นอยู่กับความสามารถ ในการละลายของสารในตัวทําละลาย และการถูกดูดซับด้วยตัวดูดซับของสารนั้น ๆ โดยมีสูตร ดังนี้ Rf = ระยะทางที่สารเคลื่อนที่ () ระยะทางที่ตัวทําละลายเคลื่อนที่ ()

ตัวอย่าง จากรูปจะเห็นว่าสารผสมตัวอย่าง สารเป็นองค์ประกอบอย่างน้อย 2 สาร (สมมติเป็นสาร A และ B) เคลื่อนที่ได้ระยะทาง เท่ากับ 2.9 cm และ 8.3 cm (วัดระยะทางจากจุดเริ่มต้น) และตัวทําละลายเคลื่อนที่ ได้ระยะทาง เท่ากับ 12 cm (วัดระยะทางจากจุดเริ่มต้น) ดังนั้นค่า Rf เท่ากับ 0.24 และ 0.69 ตามลําดับ วิธีท า จากสูตร Rf = ระยะทางที่สารเคลื่อนที่ () ระยะทางที่ตัวทําละลายเคลื่อนที่ () Rf ของสาร A = 2.9 12 = 0.24 Rf ของสาร B = 8.3 12 = 0.69 สารต่างชนิดกันจะมีอัตราการเคลื่อนที่ของสารแตกต่างกัน โดยสารที่มีความสามารถในการละลายสูง และถูกดูดซับจากตัวดูดซับน้อยจะมีค่าอัตราการเคลื่อนที่ของสารสูง ข้อดีของโครมาโทกราฟี 1. สามารถแยกสารที่มีปริมาณน้อยได้ 2. สามารถแยกได้ทั้งสารที่มีสี และไม่มีสี 3. สามารถใช้ได้ทั้งปริมาณวิเคราะห์ (บอกได้ว่าสารที่แยกออกมา มีปริมาณเท่าใด) และคุณภาพวิเคราะห์ (บอกได้ว่าสารนั้นเป็นสารชนิดใด) 4. สามารถแยกสารผสมออกจากกันได้ 5. สามารถแยกสารออกจากกระดาษกรองหรือตัวดูดซับโดยสกัดด้วยตัวทําละลาย

5. การสกัดด้วยตัวท าละลาย การสกัดด้วยตัวท าละลาย (solvent extraction) เป็นวิธีการแยกสารออกจากสารผสม ทั้งสารที่เป็น ของเหลวปนกับของเหลวหรือของแข็งปนกับของแข็ง โดยอาศัยสมบัติการละลายของสารในตัวทําละลาย ซึ่งสาร แต่ละชนิดจะสามารถละลายในตัวทําละลายแต่ละชนิดได้แตกต่างกัน และละลายได้ในปริมาณที่ต่างกัน การสกัดด้วยตัวท าละลายมีหลักการ คือ เลือกตัวทําละลายที่เหมาะสม ในการสกัดสารที่ต้องการแยก ออกมาให้ได้ปริมาณมากที่สุด หลักในการเลือกตัวทาละลายที่เหมาะสม มีดังนี้ 1. ต้องละลายสารที่ต้องการสกัดได้ดี 2. ไม่ละลายสารอื่นๆ ที่ไม่ต้องการหรือละลายได้น้อยมาก 3. ไม่ทําปฏิกิริยากับสารที่ต้องการจะแยก 4. ควรแยกออกจากสารละลายได้ง่ายและทาให้บริสุทธิ์ได้ง่าย เพื่อจะได้นากลับมาใช้ใหม่ได้อีก 5. ควรมีราคาถูกและหาได้ง่าย 6. ไม่มีพิษ มีจุดเดือดต่ํา ตัวทําละลายที่นิยมใช้ในการสกัดสารมีหลายชนิด เช่น น้ํา เบน ซีน เอทิลแอลกอฮอล์ อีเทอร์ โทลูอีน เฮกเซน เป็นต้น ในแต่ละท้องถิ่นอาจมีการสกัดสารด้วยตัวทําละลายจากพืชต่าง ๆ เช่น ชนิดของพืช ตัวท ำละลำย ใบเตย ดอกมะลิ ตะไคร้หอม ดอกกระเจี๊ยบ กระชายดํา ข่า ขิง แก่นขนุน ใบหูกวาง ใบสะระแหน่ ไพล พริก น้ํา สกัดสีจากใบเตย กลิ่นหอมจากดอกมะลิ สีจากดอกอัญชัน น้ําเย็น สีจากดอกกระเจี๊ยบ กลิ่นหอมจากตะไคร้หอม สีจากแก่นขนุน ใบหูกวาง น้ําร้อน ยาดองเหล้าสมุนไพร ไวน์กระชายดํา เอทานอล การใช้ประโยชน์จากสารที่สกัดได้ เช่น นําสีที่สกัดได้จากแก่นขนุนมาย้อมเส้นใย หรือผ้าฝ้ายให้เป็น ลวดลาย ใช้ตกแต่งอุปกรณ์ เครื่องใช้ นําสีและกลิ่นหอมที่สกัดได้จากใบเตย ดอกมะลิ ดอกอัญชัน ดอกกระเจี๊ยบ ดอกกระดังงา ใช้ผสมทําอาหารคาวหวาน นําน้ํามันหอมระเหยที่สกัดได้จาก ขิง ข่า ไพล พริก ใบสะระแหน่ มา ทํายาหม่องยาดม นําสารที่มีสรรพคุณในการรักษาโรคที่สกัดได้จากส่วนต่าง ๆ ของพืช มาทํายาลูกกลอน หรือ ระเหยแห้งแล้วบรรจุแคปซูลอาจนําความรู้เกี่ยวกับการสกัดสารไปใช้ประโยชน์ เช่น นําสีไปย้อมเส้นใยฝ้าย ผักตบชวา ผสมในแชมพู สบู่อาหาร นําน้ํามันหอมระเหยไปผสมในยาหม่อง ยาดม ลูกอมสมุนไพร และจัด แสดงผลงาน

การสกัดด้วยซอกห์เลต การสกัดด้วยตัวทําละลายอาจสกัดด้วยเครื่องมือ ที่เรียกว่า ซอกห์ เลต (Soxhlet) ซึ่งเป็นเครื่องมือสกัดที่ใช้ตัวทําละลายปริมาณน้อย เนื่องจากตัวทําละลายจะหมุนเวียนผ่านสารที่ต้องการสกัดหลาย ๆ ครั้ง ต่อเนื่องกันจนกระทั้งสกัดสารออกมาได้ในปริมาณที่เพียงพอ การสกัดสารด้วยตัวทําละลายโดยใช้ซอกห์เลตจะใส่ตัวทําละลายไว้ ในขวดก้นกลมด้านล่าง และมีการให้ความร้อนกับตัวทําละลาย ซึ่งตัวทํา ละลายจะแทรกเข้าไปสกัดสารที่ต้องการแยกออกมา และไหลกลับมารวม ด้านล่างกับตัวทําละลาย จากนั้นจึงนําสารสกัดไปแยกสารที่ต้องการออกจาก ตัวทําละลายโดยการกลั่น

ใบความรู้ วิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 หน่วย การแยกสาร บท การแยกสารและการน าไปใช้ เรื่อง การน าความรู้เรื่องการแยกสารไปใช้ประโยชน์ การแยกสารผสมหนึ่ง ๆ เพื่อให้ได้สารที่ต้องการและมี สารเจือปนอยู่น้อยอาจทําได้หลายวิธี เช่น การแยกเกลือแกะ จากน้ าทะเล 1 ลิตร ถ้าใช้วิธีระเหยแห้ง จะได้เกลือแกง ประมาณ 40 กรัม เกลือแกงที่ได้จะมีลักษณะเป็นผงสีขาวขุ่น อาจมีฝุ่นผงเจือปนเล็กน้อย แต่ถ้าใช้วิธีการตกผลึก จะได้เกลือ แกงประมาณ 20-30 กรัม มีลักษณะเป็นผลึกสีขาว ดังนั้นการ แยกเกลือแกงแต่ละวิธีจะได้สารที่มีลักษณะและปริมาณ แตกต่างกัน โดยทั่วไปการเลือกใช้วิธีการแยกสารขึ้นอยู่กับ วัตถุประสงค์ปริมาณ และคุณภาพของสารที่ต้องการ นอกจากนี้การออกแบบวิธีการแยกสารยังต้องคํานึงถึงอุปกรณ์ ที่หาได้ง่าย ปลอดภัย และราคาไม่แพง ความรู้เกี่ยวกับการแยกสารสามารถนําไปใช้แก้ปัญหาในชีวิตประจําวันได้ โดยออกแบบวิธีการแก้ปัญหาที่ เหมาะสมกับสถานการณ์และเงื่อนไขที่กําหนด เช่น การออกแบบวิธีการสกัดสารจากขิงให้ได้สารที่มีกลิ่นฉุนและ ใส ไม่มีสี ย่อมต่างจากการสกัดน้ ามันหอมระเหยจากดอกกุหลาบที่มีกลิ่นหอมและมีสีต่าง ๆ นอกจากนี้ การแยกสารบางชนิดอาจต้องใช้หลายวิธีประกอบกัน เช่น การแยกสารสีจากใบไม้ ใช้การ สกัดด้วยสารละลายเอทานอลเป็นตัวทําละลาย ประกอบกับการกรองด้วยผ้าขาวบางหรือกระดาษกรองเพื่อแยก กาก แล้วจึงใช้วิธีระเหยหรือระเหยแห้งเพื่อให้ได้สารสกัดที่เข้มข้นขึ้น หลังจากนั้นใช้วิธีโครมาโทกราฟีแบบ กระดาษ เพื่อวิเคราะห์จํานวนและชนิดขององค์ประกอบที่สกัดได้

ประสิทธิภาพของวิธีการแยกสาร นอกจากจะพิจารณาจากความบริสุทธิ์ของสารที่แยกได้แล้ว ยังพิจารณา ได้จากปริมาณของสารที่ใช้เปรียบเทียบกับปริมาณสารที่แยกได้ การนําวิธีการแยกสารไปใช้แก้ปัญหาในชีวิตประจําวัน นอกจากจะ ใช้ความรู้ด้านวิทยาศาสตร์ ควรเชื่อมโยงกับเทคโนโลยี และกระบวนการ ออกแบบเชิงวิศวกรรม เพื่อให้ได้วิธีแก้ปัญหาที่เป็นกับสถานการณ์ สารผสมที่พบในชีวิตประจําวันบางชนิดต้องผ่านกระบวนการแยก สารเพื่อให้ได้สารที่บริสุทธิ์มากขึ้น หรือมีสารเจือปนน้อยลง โดยผ่านวิธีแยก สารต่าง ๆ เช่น การระเหยแห้ง การกลั่น การตกผลึก โครมาโทกราฟีแบบ กระดาษ หรือการสกัดด้วยตัวทําละลาย ในการตัดสินใจเลือกใช้วิธีการแยก สารควรพิจารณาสมบัติของสารเป็นปัจจัยหลัก

ใบความรู้ วิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 หน่วย โลกและการเปลี่ยนแปลง บท โครงสร้างภายในโลกและการเปลี่ยนแปลงบนผิวโลก เรื่อง โครงสร้างภายในโลก โลกก่อกําเนิดจากการรวมตัวของอนุภาคจํานวนมากภายใต้แรงโน้มถ่วงมหาศาลจากอนุภาคเล็ก ๆ เป็น มวลขนาดใหญ่ขึ้นจนกลายเป็นดาวเคราะห์ในที่สุด โลกมีลักษณะเป็นทรงกลมรี โดยมีส่วนบนและส่วนล่างที่เป็นขั้ว โลกเหนือและขั้วโลกใต้แบนลงเล็กน้อย มีเส้นผ่านศูนย์กลางจากขั้วโลกเหนือถึงขั้วโลกใต้ยาวประมาณ 12,711 กิโลเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลางในแนวเส้นศูนย์สูตร ประมาณ 12,755 กิโลเมตร ขณะที่โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์นั้นแกนของโลกจะเอียงทํามุม 23 องศา นักวิทยาศาสตร์ได้ทําการศึกษา โครงสร้างภายในของโลกจากคลื่นแผ่นดินไหว และทดลองปล่อยคลื่นความถี่ต่าง ๆ ลงไปใต้ผิวโลกและจับ ระยะเวลาที่คลื่นสะท้อนกลับ แล้วได้ข้อสรุป ว่าโครงสร้างภายในของโลกแบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ เปลือกโลก เนื้อโลก และแก่นโลก

โครงสร้างโลก แบ่งเป็น 3 ส่วน ดังนี้ 1. เปลือกโลก (Crust) เป็นผิวโลกชั้นนอก มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นซิลิกาไดออกไซด์ และอะลูมิเนียม ออกไซด์ ประกอบด้วยเปลือกโลกทวีปและเปลือกโลกมหาสมุทร 1.1 เปลือกโลกทวีป (Continental Crust) ส่วนใหญ่เป็นหินแกรนิต มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็น ซิลิกอน อะลูมิเนียม และออกซิเจน มีความหนาเฉลี่ย 35 กิโลเมตร ความหนาแน่น 2.7 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร เปลือกโลกส่วนนี้ถูกเรียกว่า ไซอัล (SIAL) โดยมาจากอักษรสองตัวแรกของธาตุซิลิกอน (Silicon) กับ อะลูมิเนียม (Aluminium) 1.2 เปลือกโลกมหาสมุทร (Oceanic Crust) ส่วนใหญ่เป็นหินบะซอลต์มี องค์ประกอบส่วนใหญ่เป็น มีเหล็ก แมกนีเซียม ซิลิกอน และออกซิเจน ความหนาเฉลี่ย 5 กิโลเมตร ความหนาแน่น 3 กรัม/ลูกบาศก์ เซนติเมตร มากกว่าเปลือกทวีป ดังนั้นเมื่อ เปลือกโลกทั้งสองชนกัน เปลือกโลกทวีปจะถูก ยกตัวขึ้น ส่วนเปลือกโลกมหาสมุทรจะจมลง และหลอมละลายเป็นแมกมาอีกครั้ง เปลือก โลกส่วนนี้จึงถูกเรียกว่า ไซมา (SIMA) โดยมา จากอักษรสองตัวแรกของธาตุซิลิกอน (Silicon) กับแมกนีเซียม (Magnesium) 2. เนื้อโลก (Mental) คือส่วนซึ่งอยู่อยู่ใต้เปลือกโลกลงไปจนถึงระดับความลึก 2,900 กิโลเมตร มีองค์ประกอบ หลักเป็นซิลิคอนออกไซด์ แมกนีเซียมออกไซด์ และเหล็กออกไซด์ แบ่งแยกออกจากแก่นโลกชั้นนอกด้วยชั้นความ ไม่ต่อเนื่องวิเชิร์ตกูเทนเบิร์ก (Wiechert-Gutenberg Discontinuity) หรือชั้นความไม่ต่อเนื่องโอล์แดม (Oldham Discontinuity) มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นแร่ซิลิเกต ทั้งนี้ ระหว่างเนื้อโลกมีชั้นทรานซิชัน (Transition Zone) แทรกอยู่ ซึ่งทําให้เราแบ่งเนื้อโลก ออกเป็น 3 ชั้น ได้แก่

2.1 เนื้อโลกตอนบนสุด (Uppermost sphere) มีสถานะเป็นของแข็ง เป็นฐานรองรับเปลือกโลกทวีป และ เปลือกโลกมหาสมุทร เป็นหินอัคนีที่หลอมเหลว เป็นหินหนืดหรือแมกมา (Magma) อยู่ใต้แนวแบ่งเขตโมโฮโรวิชิก เรียกโดยรวมว่า ธรณีภาค (Lithosphere) มีความหนาโดยรวมประมาณ 30 - 100 กิโลเมตร 2.2 เนื้อโลกตอนบน (Upper mantle) หรือบางครั้งเรียกว่า ฐานธรณีภาค (Asthenosphere) อยู่ที่ระดับ ลึก 100 - 700 กิโลเมตร มีลักษณะเป็นของแข็งเนื้ออ่อน อุณหภูมิที่สูงมากทําให้แร่บางส่วนหลอมละลายเป็นหิน หนืด (Magma) เคลื่อนที่หมุนวนด้วยการพาความร้อน (Convection) 2.3 เนื้อโลกตอนล่าง (Lower mantle) มีสถานะเป็นของแข็งที่ระดับลึก 700 - 2,900 กิโลเมตร มีองค์ประกอบ ส่วนใหญ่เป็นเหล็ก แมกนีเซียม และซิลิเกท 3. แก่นโลก (Core) หนาประมาณ 3,486 กิโลเมตร มีธาตุเหล็กและนิกเกิล แบ่งเป็น 2 ชั้น 3.1 แก่นโลกชั้นนอก (Outer Core) เป็นเหล็กใน สถานะของเหลว เคลื่อนที่หมุนวนด้วยการพาความร้อน (Convection) ที่ระดับลึก 2,900 – 5,150 กิโลเมตร เหล็กร้อนเบื้องล่างบริเวณที่ติดกับแก่นโลกชั้นในลอยตัว สูงขึ้น เมื่อปะทะกับแมนเทิลตอนล่างที่อุณหภูมิต่ํากว่าจึง จมตัวลง การเเคลื่อนที่หมุนวนเช่นนี้เหนี่ยวนําให้เกิด สนามแม่เหล็กโลก 3.2 แก่นโลกชั้นใน (Inner Core) ที่ระดับลึก 5,150 กิโลเมตร จนถึงใจกลางโลกที่ระดับลึก 6,370 กิโลเมตร ความดันมหาศาลกดทับทําให้เหล็กมี สถานะเป็นของแข็ง เมื่อพิจารณาองค์ประกอบทางเคมีในแต่ ละชั้นภายในของโลก ดังภาพ แล้วจะพบว่า ธาตุที่ หมายเลขอะตอมมาก หรือมีความถ่วงจําเพาะสูง เช่น เหล็ก (atomic no: 26) จมลงสู่แก่นกลางของ โลก ธาตุที่มีหมายเลขอะตอมน้อย หรือมีความ ถ่วงจําเพาะต่ํากว่า เช่น ออกซิเจน อะลูมิเนียม และซิลิกอน (atomic no: 8, 13, 14) ลอยตัวขึ้น เป็นองค์ประกอบหลักของเปลือกโลก

ใบความรู้ วิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 หน่วย โลกและการเปลี่ยนแปลง บท โครงสร้างภายในโลกและการเปลี่ยนแปลงบนผิวโลก เรื่อง กระบวนการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาบนผิวโลก เปลือกโลกหรือผิวโลกมีรูปร่างลักษณะต่าง ๆ เช่น ภูเขา ที่ราบสูง ถ้ํา ทะเล ลักษณะรูปร่างของพื้นผิวโลก ที่เกิดขึ้นตั้งแต่เริ่มกําเนิด แล้วมีการเปลี่ยนแปลงจากกระบวนการทางธรณีวิทยาจนมีลักษณะรูปร่างอย่าที่เห็นใน ปัจจุบัน เรียกว่า ภูมิลักษณ์ หรือ ธรณีสัณฐาน กระบวนการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาต่าง ๆ ได้แก่ การผุพังอยู่กับที่ (Weathering) การกร่อน (Erosion) การ พัดพา (Transportation) และการสะสมตัวของตะกอน (Deposition) กระบวนการที่กล่าวมานี้เป็นต้นเหตุที่ทําให้ เกิดภูมิลักษณ์ต่าง ๆ บนพื้นโลกของเรา กระบวนการ เปลี่ยนแปลงทางธรณีบางกระบวนการ เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจน สังเกตเห็นได้ทันที แต่บางกระบวนการเกิดขึ้นอย่างช้า ๆ จึง ต้องใช้เวลานับพันปีหรือนับล้านปีจึงสามารถสังเกตเห็นได้ ปัจจัยส าคัญที่ท าให้เกิดกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาต่าง ๆ 1. ประเภทและชนิดของหิน 2. ลักษณะโครงสร้างทางธรณีวิทยา 3. การกระทําของน้ํา ลม ธาร น้ําแข็ง และสิ่งมีชีวิต 4. แรงโน้มถ่วงของโลก 5. การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอากาศ 6. ปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ

การเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก การเปลี่ยนแปลง ของโลกเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก ซึ่งแบ่ง ออกเป็น 2 แบบ ดังนี้ 1. การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นแบบฉับพลัน เช่น การเกิดแผ่นดินไหวอย่างรุนแรง เปลือกโลกบางส่วน แยกตัวออก ทําให้ผิวโลกบางส่วนถล่มทลาย หรือ ยุบตัว หรือภูเขาไฟระเบิดซึ่งมีผลต่ออาคาร บ้านเรือน ต้นไม้ และสิ่งก่อสร้าง นอกจากนี้ยังทําให้ มนุษย์และสิ่งมีชีวิตได้รับอันตราย 2. การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นอย่างช้า ๆ เช่น การเคลื่อนที่ของเปลือกโลก การกร่อน การผุ พังของหิน ทําให้พื้นที่บางส่วนหายไป กระบวนการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาบนผิวโลก ได้แก่ 1. การผุพังอยู่กับที่ (weathering) คือ การที่หินซึ่งเป็นส่วนประกอบของโลกผุพังทลายลงด้วยการกระทําของ น้ํา ลม ธารน้ําแข็ง แรงโน้มถ่วงของโลก สิ่งมีชีวิตและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอากาศ ตลอดจนการแตกตัวทาง กลศาสตร์ การผุพังอยู่กับที่ แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ การผุพังทางกายภาพ และการผุพังทางเคมี 1.1 การผุพังทางกายภาพ (Mechanical Weathering) เป็นกระบวนการผุพังของหินที่ทําให้หินมีการ เปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่าง ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงเฉพาะภายนอก ไม่มีการเปลี่ยนแปลงภายในเนื้อหิน เกิดจากน้ําที่แทรกตัวเข้าไปอยู่ในชั้นหินที่มีรอยแยกหรือรอยแตกเมื่อุณหภูมิมีการเปลี่ยนแปลง เช่น ในเวลา กลางคืนอากาศเย็นจัด น้ําจะกลายเป็นน้ําแข็งมีปริมาณเพิ่มขึ้น ดันรอยแยกให้ขยายตัวมากขึ้น ทําให้ชั้นหินที่อยู่ ด้านล่างแตก และเมื่อถึงตอนกลางวันน้ําแข็งละลาย น้ําจะแทรกไปตามรอยแตกใหม่ จะเกิดเป็นวัฏจักรอย่างนี้ไป เรื่อย ๆ จนในที่สุดเกิดการผุพังเกิดขึ้น

ปัจจัยที่ท าให้เกิดการผุพังอยู่กับที่ทางกายภาพ - ประเภทและชนิดของหิน หินที่มีแร่ธาตุที่ ละลายน้ํายากเป็นองค์ประกอบจะผุพังช้ากว่าหิน ที่มีแร่ธาตุที่ละลายน้ําง่ายเป็นองค์ประกอบ เช่น หินชนวนจะทนทานต่อการผุพังได้ดีกว่าหินอ่อน - ลักษณะโครงสร้างทางธรณีวิทยา เช่น ภูเขาหินที่มีรอย แตกเป็นแนวตั้งแต่เริ่มกําเนิดเป็นภูเขา เมื่อเวลาผ่านไปแนว แตกเหล่านี้จะทําให้หินผุพังแตกออกจากกันได้ - สิ่งมีชีวิต ได้แก่ พืช สัตว์ และมนุษย์ 1) การกระท าของพืช การเจริญเติบโตของพืชบนหินที่มีรอยแตกเป็นสาเหตุหนึ่ง ที่ทําให้หินเกิดการผุพังสลายตัวเป็นเศษหินเนื่องจากรากที่ชอนไชลงไปตามรอย แตกของหินเป็นเวลานาน จํานวนรากที่เพิ่มขึ้นและขนาดของรากที่เพิ่มขึ้นทําให้ รอยแตกของหินมีจํานวนเพิ่มขึ้นและมีขนาดกว้างขึ้นจนทําให้หินแตกออกจากกัน 2) การกระท าของสัตว์ สัตว์มีการเจาะเนื้อหินจนทําให้หินเกิดเป็นรูจํานวนมาก 3) การกระท าของมนุษย์ มนุษย์ระเบิดภูเขาเพื่อนําหินมาสร้างถนน สร้างเขื่อน การเจาะอุโมงค์ใต้ดิน การทําเหมืองแร่หรือเหมืองหินต่าง ๆ 4) ลม ธารน้ าแข็ง และแรงโน้มถ่วงของโลก กระแสลมและแรงโน้มถ่วง ของโลกทําให้น้ํา น้ําแข็ง เคลื่อนที่สู่บริเวณที่ต่ํากว่า ขณะเคลื่อนที่จะเกิด การเสียดสีระหว่างหินกับทรายและเศษหินเล็ก ๆ ที่มากับกระแสน้ํา ธาร น้ําแข็ง และลม ทําให้หินถูกเสียดสีเกิดการผุพังและแตกออกจากกัน 5) การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอากาศ ความร้อนและความเย็นโดย ความร้อนจากดวงอาทิตย์ในเวลากลางวันทําให้ด้านนอกของหินร้อน กว่าด้านในของหิน ช่วงเวลากลางคืนอุณหภูมิอากาศลดลงทําให้หินที่ ร้อนจะเย็นตัวย่างรวดเร็ว การเพิ่มขึ้นหรือลดลงของอุณหภูมิอากาศ สลับกันเป็นเวลานานส่งผลทําให้หินเกิดการแตกร้าวและผุพังขึ้นได้ การเปลี่ยนแปลงลักษณะเช่นนี้ ส่วนใหญ่เกิดขึ้นบริเวณพื้นที่สูงและมี อุณหภูมิอากาศในช่วงเวลากลางวันและกลางคืนแตกต่างกันมาก

6) การเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ า ตามธรรมชาติของน้ํา เมื่ออากาศมี อุณหภูมิต่ําลงจนทําให้น้ําเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็ง เมื่อ น้ําเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็ง น้ําขังที่อยู่ตามรอยแตกของหินนั้น เมื่อถึงฤดูหนาวอุณหภูมิของอากาศจะต่ําลง จนทําให้น้ําเปลี่ยนสถานะ จากของเหลวเป็นของแข็ง เมื่อน้ําเป็นน้ําแข็ง จะมีปริมาตรเพิ่มขึ้น แรงดันของน้ําแข็งที่เกิดขึ้นจะดันรอยแตกของหิน ให้มีขนาดกว้างขึ้น การเปลี่ยนแปลงนี้จะเกิดซ้ํากันอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานานทําให้หินแตกร้าวหรือหลุดออกจากกัน 1.2 การผุพังทางเคมี (Chemical Weathering) เป็นกระบวนการที่ ทําให้หินแตกสลายออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ปัจจัยสําคัญที่ทําให้เกิดการผุพังทางเคมี ได้แก่ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ในบรรยากาศ แก๊สนี้จะละลายน้ําฝนทําให้ฝนมีสมบัติเป็นกรดคาร์บอนิก กรดจะทําปฏิกิริยาเคมีกับหินปูนและหินอ่อน ซึ่งเป็นสารประกอบ แคลเซียมคาร์บอเนต ทําให้หินกร่อนลง จะมีลักษณะเว้าแหว่งหรือมี ลักษะตะปุ่มตะป ่า เรียกภูมิลักษณ์ที่มีลักษณะนี้ว่า คาสต์ (Karst) และถ้าน้ําที่มีสภาพเป็นกรดคาร์บอนิกไหลซึมลงสู่ใต้ดินจะทําปฏิกิริยากับหินที่มีสารประกอบแคลเซียม คาร์บอเนตเป็นองค์ประกอบ ทําให้หินดังกล่าวผุกร่อนจนทําให้เกิดเป็นโพรงหรือถ้ําใต้ดิน และถ้าพื้นที่ด้านบน ของโพรงหรือถ้ําใต้ดินเกิดการยุบตัวลงหรือเกิดการพังทลายลงจะเกิดเป็นหลุมยุบขึ้นนั่นเอง ในบรรยากาศประกอบด้วยแก๊สต่าง ๆ ที่ลอยปะปนอยู่ในอากาศ ได้แก่ แก๊สออกซิเจน แก๊สคาร์บอน ออกไซด์ ซึ่งสามารถทําให้หินเกิดการผพังทางเคมีได้ ดังนี้ หินบางชนิดที่มีธาตุเหล็กเป็นองค์ประกอบ เช่น หินแกรนิต หินบะซอลต์จะทําปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจนที่ละลาย อยู่ในน้ํา เกิดสนิมเหล็กซึ่งมีสีน้ําตาล ส่งผลให้หินอ่อนตัวลงและผุ พังในเวลา 2. การกร่อน (erosion) เป็นกระบวนการที่ทําให้สารที่เป็นองค์ประกอบของเปลือกโลกหลุดออกหรือสลายตัวไป จากผิวโลก เช่น กระแสน้ํากัดเซาะเปลือกโลกให้พังทลายเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย พัดพาให้เคลื่อนไปตามแนวทางน้ําไหล เมื่อฝนตกน้ําไหลบ่าลงสู่ที่ต่ําตามแรงโน้มถ่วงของโลกเกิดการกัดเซาะผิวหน้าดิน แล้วพัดพาไปทับถมภูมิประเทศที่มี พื้นที่ต่ํากว่า สาเหตุที่ทําให้เกิดการกัดกร่อนมีดังนี้

2.1 การกร่อนของเปลือกโลกเนื่องจากกระแสน้ า เกิดจากการกัด เซาะของกระแสน้ํา โดยจะเกิดบริเวณริมฝั งแม่น้ํา ลําคลอง ลําธาร โดยการเปลี่ยนแปลงจะเป็นไปอย่างช้า ๆ ซึ่งมีผลทําให้เปลือกโลก เกิดการเปลี่ยนแปลง การกัดกร่อน การพัดพา และการทับถมของ ตะกอน เนื่องจากกระแสน้ํา 2.2 การกร่อนของเปลือกโลกเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก ในธรรมชาติแรงโน้มถ่วงของโลกจะพยายามดึงดูดวัตถุนั้นให้ ตกลงสู่พื้นผิวโลก และดึงดูดวัตถุให้เกิดการเคลื่อนที่จากที่สูง ลงสู่ที่ต่ํากว่า เรียกว่า “ธารน้ าแข็ง” ขณะเคลื่อนที่ก้อน น้ําแข็งที่มีขนาดใหญ่และมีมวลมากจะกระแทกและขัดสีกับ ก้อนหินในลําธาร ทําให้เปลือกโลกเกิดการกัดกร่อนได้ 2.3 การกร่อนของเปลือกโลกเนื่องจากปฏิกิริยาเคมี เกิดขึ้นจากน้ําฝนละลายแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ ทําให้น้ําฝนมีสภาพเป็นสารละลายกรดคาร์บอนิก ซึ่ง เรียกว่า ‘ฝนกรด’ เมื่อฝนกรดซึมไปตามหินปูนซึ่งจะ มีแร่ แคลไซต์หรือแคลเซียมคาร์บอเนตเป็นองค์ประกอบจน กลายเป็นสารละลายแคลเซียมไฮโดรเจนคาร์บอเนต ซึ่งจะไหลไปตามเพดานถ้ําหรือพื้นถ้ําเมื่อน้ําระเหยออกไปสารละลายแคลเซียมไฮโดรเจนคาร์บอเนตจะ กลายเป็นของแข็งสะสมตัวอย่างช้า ๆ หากสะสมตัวอยู่ บนเพดานถ้ําเป็นลักษณะกรวยแหลมย้อยลงมา เรียกว่า “หินย้อย” แต่ถ้าสะสมตัวอยู่บนพื้นถ้ํา เป็นลักษณะกรวยพุ่งสูงขึ้นสู่เพดานถ้ํา เรียกว่า “หินงอก” 2.4 การกัดกร่อนเปลือกโลกเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ทําให้เกิดการกัดกร่อนของเปลือกโลกได้ เนื่องจากอุณหภูมิของอากาศ ทําให้เปลือกโลกเกิดการขยายตัวและหดตัว ถ้าการขยายตัวของหิน ชั้นในกับหินชั้นนอกไม่เท่ากันอาจทําให้หินเกิดการแตกร้าวได้ และใน บางครั้งน้ําในโพรงก้อนหินกลายเป็นน้ําแข็ง อาจทําให้เกิดการขยายตัว ดันให้ก้อนหินแตกเป็นชิ้นเล็ก ๆ ได้ 2.5 การกัดกร่อนเนื่องจากกระแสลม เช่น บริเวณที่ราบสูง ทะเลทราย ภูเขาสูงซึ่งได้รับอิทธิพลจากกระแสลมเป็นประจํา กระแสลมจะทําให้เปลือกโลกเกิดการกัดกร่อนได้เช่นกัน

3. การพัดพา (Transportation) หมายถึง การเคลื่อนที่ของมวล หิน ดิน ทราย โดยกระแสน้ํา กระแสลม หรือธารน้ําแข็ง ภายใต้แรง ดึงดูดของโลก อนุภาคขนาดเล็กจะถูกพัดพาให้เคลื่อนที่ไปได้ไกล กว่าอนุภาคขนาดใหญ่ 4. การสะสมตัวของตะกอน (deposition) หมายถึง การรวมกันของดินและหินที่เกิดจากการกร่อนกลายเป็น ตะกอน ที่ถูกพัดพามาสะสมกัน ตะกอนที่เกิดจากการสึกกร่อน ผุพัง ด้วยอิทธิพลของกระแสน้ํา ปฏิกิริยาเคมี ความร้อน และกระแสลม จะถูกพัดพาไปด้วยความแรงของกระแสน้ําหรือกระแสลม เมื่อความแรงลดลงจะเกิดการทับถมของตะกอนที่พัด พามา การเกิดการทับถมของตะกอน ตะกอนจะทับถมกันเป็นชั้น ๆ ตะกอนที่มีขนาดใหญ่จะถูกพัดพาไปตกที่ใกล้ ส่วนตะกอนที่มีขนาดเล็กจะถูกพัดพาไปตกที่ไกล การทับถมของตะกอนมีลักษณะแตกต่างกันไปตามลักษณะของ ภูมิประเทศและกระแสน้ําที่พัดผ่าน ดังนี้ 1. การทับถมของตะกอนรูปพัด เกิดจากกระแสน้ํา ไหลจากภูเขาตกลงสู่ที่ราบต่ํากว่า มีร่องน้ํา ขนาด ใหญ่กว่าร่องน้ําเดิมมาก ทําให้เกิดการทับถมของ ตะกอนรูปพัด 2. การทับถมของตะกอนรูปดินดอนสามเหลี่ยม เกิด จากการทับถมของตะกอนที่บริเวณปากแม่น้ํา เป็นรูป สามเหลี่ยม เนื่องจากกระแสน้ําบริเวณปากแม่น้ํา เคลื่อนที่ช้าลง จึงเกิดการทับถมของตะกอนอยู่ ตลอดเวลา สาเหตุการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากการพัดพามี 2 สาเหตุใหญ่ คือ เกิดจากกระแสลม ส่วนมากจะเกิดบริเวณที่ ราบสูง บนภูเขาในทะเลสูง เช่น การเกิดเป็นเนินทราย ส่วนอีกสาเหตุหนึ่งเกิดจากน้ า เมื่อดินหินถูกกัดกร่อนจะถูก น้ําพัดพาไปสู่ที่ต่ํากว่า เกิดการทับถมเป็นลักษณะต่าง ๆ เช่น แม่น้ําที่พาตะกอนไปทับถมที่ปากแม่น้ําเกิดเป็นดินดอน ปากแม่น้ํา ได้แก่ แม่น้ําเจ้าพระยา

ใบความรู้ วิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 หน่วย โลกและการเปลี่ยนแปลง บท ดินและน้ า เรื่อง ดิน ชั้นดินและชั้นหน้าตัดดิน ดิน เป็นทรัพยากรธรรมชาติที่มีประโยชน์และมีความสําคัญต่อสิ่งมีชีวิตอย่างมาก มนุษย์อาศัยดินในการ สร้างที่อยู่อาศัย เพาะปลูกพืช ทางเกษตรกรรม นอกจากนี้ ดินยังเป็นแหล่งในการดํารงชีวิตของสัตว์บางชนิด ดิน (Soil) คือ วัตถุธรรมชาติที่ปกคลุมผิวโลกอยู่บาง ๆ เกิดขึ้นจากผลของการแปรสภาพหรือผุพังของหินและแร่ และอินทรียวัตถุผสมคลุกเคล้ากัน โดยมีส่วนประกอบดังนี้ อนินทรียวัตถุ (Mineral matter) ได้แก่ส่วนของแร่ ต่างๆ ภายในหินซึ่งผุพังสึกกร่อนเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย โดยทางเคมี ฟิสิกส์ และชีวเคมี อินทรียวัตถุ (Organic matter) ได้แก่ส่วนที่เกิด จากการเน่าเปื อยผุพังหรือสลายตัวของซากพืชซาก สัตว์ที่ทับถมกัน มีอยู่ประมาณ น้ํา ในสารละลายซึ่งพบอยู่ในช่องระหว่างเม็ดดิน (Aggregate) หรืออนุภาคดิน (Particle) อากาศ อยู่ในที่ว่างระหว่างเม็ดดินหรืออนุภาคดิน แก๊สส่วนใหญ่ที่พบทั่วไปในดิน ได้แก่ ไนโตรเจน ออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ ปริมาตรของแต่ละส่วนประกอบของดินที่เหมาะสมแก่การเพาะปลูก โดยทั่วไปจะมีแร่ 45% อินทรียวัตถุ 5% น้ํา 25% และอากาศ 25%

กระบวนการเกิดดิน ดินเกิดจากหินที่ผุพังตามธรรมชาติผสมคลุกเคล้ากับอินทรียวัตถุที่ได้จากการเน่าเปื อยของซากพืชซากสัตว์ ทับถมเป็นชั้น ๆ บนผิวโลก ซึ่งการเปลี่ยนแปลงและสลายตัวของสสารต้นกําเนิดดินมีลําดับขั้นตอน ดังนี้ ๏ ขั้นที่ 1 การผุพังอยู่กับที่เป็นสาเหตุให้หินแตกออกมีขนาดต่าง ๆ เมื่อถูกแสงแดดและฝน หินก็จะแตกหักและผุ พังทลายลงมากขึ้น กลายเป็นหินที่มีขนาดเล็กลง ๏ ขั้นที่ 2 พืชจะเจริญงอกงามตามบริเวณรอยแตกของหิน แมลง และสัตว์อื่นจะเข้ามาอาศัยตามบริเวณรอยแตก เมื่อพืชและสัตว์ตายลง จะสลายตัวกลายเป็น ฮิวมัส (humus) ๏ ขั้นที่ 3 สัตว์ที่อยู่ภายในดินจะช่วยทําให้ฮิวมัสผสมกับเศษหินและแร่กลายเป็นดินที่อุดมสมบูรณ์ เรียกว่า ‘ดินชั้นบน’ ดิน มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา คุณสมบัติบางประการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เช่น อุณหภูมิ และ ปริมาณน้ํา (ทุกนาที) ในขณะที่คุณสมบัติบางประการเปลี่ยนแปลงช้ามาก เช่น ชนิดของแร่ (อาจต้องใช้เวลาเป็น ร้อยหรือพันปี) สมบัติของดินจะเป็นอย่างไรนั้น ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักสําคัญ 5 ประการ ดังนี้ วัตถุต้นก าเนิดดิน ดินจะเป็นอย่างไรขึ้นกับวัตถุต้นกําเนิด ดิน ได้แก่ หินพื้น (Parent rock) อินทรียวัตถุ ผิวดินดั้งเดิม หรือ ชั้นหินตะกอนที่เกิดจากการพัดพาของน้ํา ลม ธารน้ําแข็ง ภูเขาไฟ หรือวัตถุที่เคลี่อนที่ลงมาจากพื้นที่ลาดชัน สภาพภูมิอากาศ ความร้อน ฝน น้ําแข็ง หิมะ ลม แสงแดด และแรง กระทบจากสิ่งแวดล้อมอื่น ๆ ซึ่งทําให้วัตถุต้นกําเนิดผุพัง แตกหัก และมีผลต่อ กระบวนการเกิดดินว่าจะเกิดเร็วหรือช้า เวลา ปัจจัยข้างต้นทั้งหมดเกี่ยวข้องกับเวลา เนื่องจากเมื่อเวลา ผ่านไปการพัฒนาของชั้นดินจะเพิ่มขึ้น

สิ่งมีชีวิต พืชและสัตว์ทั้งหมดที่อาศัยอยู่ในดินหรือบนดิน (รวมถึง จุลินทรีย์ และมนุษย์) ปริมาณน้ําและธาตุอาหารที่พืชต้องการมีผลต่อการ เกิดดิน สัตว์ที่อาศัยอยู่ในดินจะช่วยย่อยสลายของเสียและช่วยเคลื่อนย้าย วัตถุต่าง ๆ ไปตามหน้าตัดดิน ซากพืชและสัตว์ที่ตายแล้วจะกลายเป็น อินทรียวัตถุ ซึ่งทําให้ดินสมบูรณ์ขึ้น การใช้ที่ดินของมนุษย์ก็มีผลต่อการ สร้างดินด้วยเช่นกัน ภูมิประเทศ สภาพภูมิอากาศจะมีผลต่อดินอย่างไรนั้น ขึ้นอยู่กับตําแหน่งของดินตามลักษณะภูมิประเทศ เช่น ดินที่เชิง เขาจะมีความชื้นมากกว่าดินในบริเวณพื้นที่ลาด และพื้นที่ที่ได้รับ แสงอาทิตย์โดยตรงจะทําให้ดินแห้งเร็วขึ้น ลักษณะเนื้อดิน เนื้อดิน (Soil texture) หมายถึง องค์ประกอบเชิงกายภาพของดิน เราจะสังเกตได้ว่า ดินในแต่ละสถานที่มีลักษณะแตกต่างกัน เนื่องจากดิน ประกอบขึ้นจากของอนุภาคตะกอนหลายขนาด อนุภาคที่ใหญ่ที่สุดคือ อนุภาคทราย (Sand) อนุภาคขนาดรองลงมาคืออนุภาคทรายแป้ง (Silt) และ อนุภาคที่มีขนาดเล็กที่สุดคืออนุภาคดินเหนียว (Clay) ดินมีหลายชนิด เช่น ดินทราย ดินร่วน ดินเหนียว ขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคของตะกอนที่ผสมกันเป็นดิน เช่น – ดินทราย มีเนื้อหยาบ เนื่องจากประกอบด้วยอนุภาคขนาดใหญ่เช่นเม็ดทรายซึ่งมีขนาดใหญ่ จึงมีช่องว่างให้ น้ําซึมผ่านอย่างรวดเร็ว - ดินเหนียว มีเนื้อละเอียดมาก เนื่องจากประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กมาก จึงไม่มีน้ําช่องว่างให้น้ําซึมผ่าน - ดินร่วน มีส่วนผสมเป็นอนุภาคขนาดปานกลางเช่น ทรายแป้งเป็นส่วนใหญ่ จึงมีความเหมาะสมในการปลูกพืช ส่วนใหญ่ เนื่องจากน้ําซึมผ่านได้ไม่รวดเร็วจนเกินไปจึงสามารถเก็บกับความชื้นได้ดี

นักปฐพีวิทยาแบ่งดินออกเป็น 12 ชนิด โดยการศึกษาสัดส่วนการกระจายอนุภาคของดิน ดังนี้ ดินทรายร่วน ประกอบด้วยอนุภาคทราย 80%, อนุภาคทรายแป้ง 10%, อนุภาคดินเหนียว 10% ดินร่วน ประกอบด้วยอนุภาคทราย 40%, อนุภาคทรายแป้ง 40%, อนุภาคดินเหนียว 20% ดินเหนียว ประกอบด้วยอนุภาคทราย 20%, อนุภาคทรายแป้ง 20%, อนุภาคดินเหนียว 60% การจําแนกดินช่วยให้เราเข้าใจถึงคุณสมบัติของดินประเภทต่าง ๆ ได้แก่ ความสามารถในการกักเก็บน้ํา และการถ่ายเทพลังงานความร้อน ซึ่งสามารถนําไปใช้ประโยชน์ในทางเกษตรกรรมและวิศวกรรม เป็นต้น ลักษณะเนื้อดิน การรวมตัวกันของอนุภาคของดินทั้ง 3 ประเภท ในอัตราส่วนต่าง ๆ ทําให้เกิดเป็นดินที่มีของเนื้อดินที่ แตกต่างกัน ซึ่งสามารถแบ่งกลุ่มของดินจากลักษณะของเนื้อดินออกเป็น 3 กลุ่ม ได้แก่ ดินร่วน ดินทราย และดิน เหนียว ดินร่วน ดินที่มีเนื้อดินปานกลาง ประกอบด้วย อนุภาคทราย อนุภาคทรายแป้ง และอนุภาคดิน เหนียวในปริมาณเท่า ๆ กัน ซึ่งดินร่วนเป็นดินที่มี ความเหมาะสมสําหรับการเพาะปลูก เพราะเป็นดิน ที่ไถพรวน ได้ง่าย มีการระบายน้ําและถ่ายเทอากาศ ดี จึงเป็นดินที่มีความอุดมสมบูรณ์สูง ดินทราย ดินที่มีเนื้อดินหยาบ ประกอบด้วยอนุภาค ทรายเป็นส่วนมาก โดยอนุภาคจะเกาะตัวกันหลวม ๆ มีลักษณะเป็นเม็ดเดียว ๆ ดินทรายมี ความสามารถในการระบายน้ําและอากาศดีมาก ความสามารถในการอุ้มน้ําต่ํา น้ําซึมผ่านได้อย่าง รวดเร็วความอุดมสมบูรณ์ต่ํา เพราะยึดจับธาตุ อาหารพืชได้น้อย

ดินเหนียว ดินที่มีเนื้อดินละเอียด ประกอบด้วยอนุภาคดินเหนียว เป็นส่วนมากในสภาพดินแห้งจะเกาะตัวกันเป็นก้อนแข็งแต่เมื่อเปียกน้ํา จะมีความยืดหยุ่นดินเหนียวมีความสามารถในการระบายน้ําและอากาศ ได้น้อย แต่อุ้มน้ําได้ดีและสามารถดูดซึมธาตุอาหารพืชได้สูง ชั้นดินและขั้นหน้าติดดิน ดินในธรรมชาติถ้าขุดลงไปจะพบว่าจะมีส่วนประกอบเป็นชั้น ๆ แต่ละชั้นมีส่วนประกอบต่างกัน ข้อมูล ทางธรณีวิทยาพบว่า ชั้นหน้าตัดดิน (Soil Profile) จากผิวดินลงไปด้านล่างจนถึงชั้นหินต้นกําเนิดจะแบ่งเป็น 5 ชั้น แต่ละชั้นมีส่วนประกอบต่างกันดังนี้ ชั้นโอ (O Horizon) เป็นดินชั้นบนสุดมักมีสีคล้ําเนื่องจาก ประกอบด้วยอินทรียวัตถุ (Organic) หรือ ฮิวมัส ซึ่งเป็นซาก พืชซากสัตว์ทําให้เกิดความเป็นกรด ดินชั้นโอส่วนใหญ่จะพบ ในพื้นที่ป่า ส่วนในพื้นที่การเกษตรจะไม่มีชั้นโอในหน้าตัดดิน เนื่องจากถูกไถพรวนไปหมด ชั้นเอ (A Horizon) เป็นดินชั้นบน (Top soil) เป็นส่วนที่มี น้ําซึมผ่าน ดินชั้น A ส่วนใหญ่ประกอบด้วยหินแร่และ อินทรียวัตถุที่ย่อยสลายสมบูรณ์แล้วอยู่ด้วย ทําให้ดินมีสีเข้ม ในพื้นที่เกษตรกรรมดินชั้นเอจะถูกไถพรวน ชั้นบี (B Horizon) เป็นชั้นดินล่าง (subsoil) เนื้อดินและ โครงสร้างเป็นแบบก้อนเหลี่ยมหรือแท่งผลึก เกิดจากการชะ ล้างแร่ธาตุต่าง ๆ ของสารละลายต่าง ๆ เคลื่อนตัวผ่านชั้นเอ ลงมามาสะสมในชั้นบี ในเขตภูมิอากาศชื้น ดินในชั้นบีส่วน ใหญ่จะมีสีน้ําตาลปนแดง เนื่องจากการสะสมตัวของเหล็ก ออกไซด์ ชั้นซี (C Horizon) เกิดจากการผุพังของหินกําเนิดดิน (Parent rock) ไม่มีการตกตะกอนของวัสดุดินจากการชะล้าง และไม่มีการสะสมของอินทรียวัตถุ ชั้นอาร์ (R Horizon) เป็นชั้นของวัตถุต้นกําเนิดดินหรือหิน พื้น (Bedrock) }O }A }B }C }R

โครงสร้างดิน (Soil structure) หมายถึง รูปแบบของการยึดและการเรียงตัวของอนุภาคเดี่ยวของดิน เป็นเม็ดดินในหน้าตัดดิน เม็ดดินแต่ละชนิดมีความแตกต่างกันทั้งด้านขนาดและรูปร่าง แบบก้อนกลม (Granular) มีรูปร่างคล้ายทรง กลม เม็ดดินมีขนาดเล็กประมาณ 1 - 10 มิลลิเมตร มักพบในดินชั้น A มีรากพืชปนอยู่มาก เนื้อดินมีความพรุนมาก จึงระบายน้ําและอากาศ ได้ดี แบบก้อนเหลี่ยม (Blocky) มีรูปร่างคล้ายกล่อง เม็ดดินมีขนาดประมาณ 1 - 5 เซนติเมตร มักพบ ในดินชั้น B มีการกระจายของรากพืชปานกลาง น้ําและอากาศซึมผ่านได้ แบบแผ่น (Platy) ก้อนดินแบนวางตัวในแนวราบ และซ้อนเหลื่อมกันเป็นชั้น ขัดขวากรากพืช น้ํา และอากาศซึมผ่านได้ยาก มักเป็นดินชั้น A ที่ถูก บีบอัดจากการบดไถของเครื่องจักรกลการเกษตร แบบก้อนทึบ (Massive) เป็นดินเนื้อละเอียดยึด ตัวติดกันเป็นก้อนใหญ่ขนาดประมาณ 30 เซนติเมตร ดินไม่แตกตัวเป็นเม็ด จึงทําให้น้ําและ อากาศซึมผ่านได้ยาก แบบแท่งหัวมน (Columnar) มีการจับตัว คล้ายคลึงกับแบบแท่งหัวเหลี่ยม แต่ส่วนบนของ ปลายแท่งมีลักษณะกลมมน ปกคลุมด้วยเกลือ เม็ดดินมีขนาด 1 - 10 เซนติเมตร มักพบในดินชั้น B และเกิดในเขตแห้งแล้ง น้ําและอากาศซึมผ่าน ได้น้อย และมีการสะสมของโซเดียมสูง แบบอนุภาคเดี่ยว (Single Grained) ไม่มีการยึด ตัวติดกันเป็นก้อน มักพบในดินทราย ซึ่งน้ําและ อากาศซึมผ่านได้ดี

ปัญหาที่เกิดกับดินและการปรับปรุงคุณภาพดิน เมื่อดินสูญเสียความอุดมสมบูรณ์ทําให้เราใช้ประโยชน์จากดินไม่ได้เต็มประสิทธิภาพ อาจเกิดจากดิน พังทลาย น้ําและลมจะกัดเซาะผิวดิน ทําให้บริเวณผิวดินเป็นร่อง การทําลายป่าทําให้หน้าดินที่สมบูรณ์ถูกชะล้าง ไป การทําเกษตรกรรมที่ไม่ถูกวิธี เช่น การปลูกพืชบางชนิด การไถพรวนขณะดินแห้ง หรือการเผาป่าไม้ ปัญหาที่เกิดกับดินมีหลายลักษณะ ได้แก่ 1. ดินเค็ม คือดินที่มีปริมาณเกลือที่ละลายอยู่ในดิน ปริมาณมาก ทําให้พืชขาดน้ํา และเกิดความไม่สมดุล ของธาตุอาหารพืช ซึ่งอาจเกิดได้หลายสาเหตุ เช่น ดินมีแหล่งกําเนิดจากแร่หรือหินที่มีเกลืออยู่ ดินแช่ น้ําทะเลเป็นระยะเวลานาน หรือการทํานาเกลือ แนวทางการแก้ไข ทําได้โดยปลูกพืชที่สามารถดูดเกลือ เข้าไปสะสมได้ดี ปลูกไม้ยืนต้นที่มีรากลึก เพื่อลดความ เค็มของดินในที่ลุ่มที่เป็นพื้นที่ให้น้ํา การชะล้างดินเค็ม ด้วยการขังน้ําจืดไว้หน้าผิวดิน หรืออาจปลูกพืช เศรษฐกิจที่ทนเค็มได้ 2. ดินด่าง คือดินที่มีค่า pH มากกว่า 7 มักพบบริเวณ พื้นที่แถบภูเขาหินปูน หรือการใส่ปุ๋ยเคมีเป็นเวลานาน 3. ดินจืด คือดินที่ขาดธาตุอาหารสําคัญของพืชได้ หมด เช่น เมื่อปลูกมันสําปะหลังไปนาน ๆ ดินบริเวณ นั้นก็ปลูกพืชชนิดอื่นไม่ได้อีก แนวทางการแก้ไข ปัญหาดินจืดต้องลงทุนมาก และ ใช้ระยะเวลา ดังนั้นควรรีบแก้ไข นั่นก็คือการปลูกพืช สลับอย่างพืชตระกูลถั่ว หรือใส่ปุ๋ยอินทรีย์ใน อัตราส่วนที่เหมาะสม แนวทางการแก้ไข คือ ปรับสภาพดินด้วยการเติม กํามะถันผงลงไป