Въведение в енергията

Нека поговорим за една от най-фундаменталните идеи в науката – идеята за енергията. Когато говорим за енергия в ежедневието, обикновено си представяме неща, които се движат или са горещи и ярки, но в това видео ще разгледаме една по-формална, по-научна дефиниция. Най-разпространеното обяснение е способността за извършване на работа. Но аз ще сложа "работа" в кавички, защо идеята за работа тук не е същата като тази в ежедневието, когато ходиш на работа от 9:00 до 5:00 и получаваш заплата. В контекста на физиката работата не е съвсем различна от тази идея за работа в ежедневието ни, но ще ти дам пример, за да ти стане по-ясно. Да речем, че има някакъв обект ето тук и прилагаш сила в тази посока. И да кажем, че тази сила е с големина 10 нютона. Ако единицата нютон и понятието сила не са ти много познати, не се тревожи, можеш да си ги припомниш от съответните видеа в Кан Академия. И така, прилагаш сила надясно от обекта и по този начин можеш да преместиш обекта, да промениш местоположението му в същата посока на силата. Да речем, че го преместваш с 10 метра. Като приключиш, обектът е вече ето тук. И така чрез прилагането на сила караш обекта да се премести в пространството по посока на тази сила. Казваме, че е извършена работа. А количеството извършена работа е 10 нютона по 10 метра. 10 по 10 е равно на 100. И тогава единицата за работа е нютон-метър – 100 нютон-метра. Понеже умножаваме нютоните по метрите. Нютон-метърът е определен като джаул – това е единица за работа и също единица за енергия. Това е равно на 100 джаула. Съкратено можем да го запишем с J. И така тук са извършени 100 джаула работа чрез преместването на това. Направили сме нещо тук, което се счита за работа – 100 джаула работа. Ако преместим това два пъти по-далече, тогава ще имаме 200 джаула работа. Така че енергията е способността да се извършва този вид работа. Сега нека разгледаме тези снимки тук, представящи различни форми на енергия. Да видим дали можем да определим кои са тези форми и как те могат да се отнасят към действителното извършване на работа. Ако погледнем огъня тук, има някои очевидни форми на енергия – имаме някаква топлинна енергия. Огънят е определено горещ, така че имаме топлинна енергия. Но да помислим каква е същността на топлинната енергия: температурата на една система е средната кинетична енергия на молекулите ѝ. Затова топлинната енергия е реално енергия на движението. Реално се отнася към всички тези малки молекули тук. Заради реакцията на горене те се възбуждат и имат по-висока кинетична енергия. И затова температурата се покачва, средната им кинетична енергия се покачва. Затова термалната енергия е всъщност форма на енергия, предизвикана от движение. Основният термин за енергия на движението е кинетична енергия, така че топлинната енергия е реално форма на кинетична енергия. Също имаш излъчване на светлина, която има енергия. Наричаме я светлинна енергия, защото се излъчва светлина. Това е причината да можем да видим този огън. Светлинна енергия. Сега може би ще си кажеш, че вероятно това е всичката енергия в системата. Но аз ще кажа: Не. Има и друга форма на енергия. И дори на тази снимка по-голямата част от енергията е сигурно тук. И това е потенциалната енергия. А къде точно е тя? Тя стои заключена в химичните връзки на горивото ето тук – парчета дърво, въглища или нещо друго – те всички са изградени от въглерод, въглеродни атоми, свързани с други въглеродни атоми, с атоми на други елементи и с водородни атоми. Така че ще имаш различни връзки по този начин, които съхраняват енергия в себе си, с потенциал тя да бъде освободена: ако успееш да разкъсаш тези вериги, тези електрони ще влязат в състояние на ниска енергия или ще се свържат с други неща. И в процеса ще освободят енергия, която ще бъде светлинна и топлинна/ кинетична енергия. А как става това? Как всъщност се разкъсват тези връзки? Това става чрез нашия добър стар приятел – процесът на горене, при който взимаш малко кислород и топлина, или можем да кажем енергия, която е необходима за стартирането му. Затова може би трябва да запалиш това с клечка кибрит в началото. Така че ни трябва кислород плюс енергия. И можеш да кажеш плюс тези връзки С-С. Т.е. плюс каквото е това гориво тук от въглеродни съединения: дали въглища или дърво. Ще го напиша така: някакви връзки въглерод-въглерод ето тук. И това ще се запали. Ще оцветя това. (Имам проблем с промяната на цветовете.) Това ще се възпламени и ще се отдели вода, защото горивото съдържа и водород в себе си. Ще се отдели въглероден диоксид и още много енергия. Ще го напиша с главни букви. Ще освободи много енергия. И тази енергия виждаме под формата на кинетична енергия на молекулите и отделената светлинната енергия. Сега може би ще си кажеш: Добре, мога да приема, че имам тази потенциална енергия. И тази потенциална енергия, която е във връзките между тези атоми – наричаме го химически потенциал. Имаме химическа потенциална енергия. Но може би си казваш: "Разбирам това. Химическата енергия се превръща в топлинна енергия и светлинна енергия." Това всъщност е интересна идея за енергията – това е закон за запазването на енергията. Тя не може да бъде създадена или унищожена. Може само да се преобразува от една форма в друга. Но сигурно си казваш: "Добре, мога да я превърна от една форма в друга, но как това може да извърши реално работа, по начина, по който беше изобразен в началото?" Ами, цялата индустриална революция цели да превърне една форма на енергия в друга и съответно да извърши работа. Парният двигател е построен, за да загрява пара чрез изгаряне. И тогава тази пара се разширява и избутва бутала, които извършат всякакви неща, в това число и задвижват влакове. Изгарянето се случва в автомобилните двигатели, в които буталата се задвижват заради топлинната енергия. И това кара съответните елементи на колата да извършат работа. Тук имаме някои други примери. Това е светкавица – когато имаме светкавица, се случва нещо много ясно от кинетична гледна точка. Имаш електрони, които се движат от облака към земята. И може би си казваш: това тук е кинетична енергия. Може би се питаш: как мога да извърша работа с това? Ами с това се занимава цялата електронна индустрия. Това е в основата на електрическите кабели – движение на електрони. Това е електрически ток. И той може да се използва да извършва всякакви невероятни неща. Може да има електромотор: това е един начин за извършване на работата. Това е кинетична енергия. Очевидно е, че имаме светлинна енергия, можем да видим светкавицата. А светлинната енергия се получава, защото въздухът се йонизира и нагрява. Затова имаме и топлинна енергия. Електроните се спускат надолу и се генерира топлина. А откъде е дошла тази енергия? Не е дошла от нищото. Имаш всичката тази потенциална енергия, която започва да се натрупва в тези облаци, с увеличаването на водните пари. Механизмите на действие на това не са напълно разбрани. Не е съвсем ясно как се случва. Но знаем, че заради енергията от слънцето и издигащите се водни пари и с увеличаването им в облаците, долната им страна става по-отрицателно заредена. Става по-богата на електрони. А горната част на облака става по-положително заредена. И имаш тези електрони, които наистина искат да се спуснат към земята, понеже въздухът над земята става по-отрицателен, а земята става по-положителна. Досещаш се, че тези електрони искат все повече и повече да слязат тук. Въздухът обаче не е естествен проводник. Но когато електрическият потенциал се повиши достатъчно, електроните си намират път. Въздухът се йонизира и електроните могат да намерят пътека надолу. Докато всичко това се акумулира, имаш натрупване и на този електростатичен потенциал. Електростатичен. (О, сигурно не се вижда написаното.) Имаш електростатичен потенциал. А как се формира той – повтарям, че това все още се обсъжда и има някои добри теории за формирането му, но все още не е 100% установено. На третата снимка имаме човек, който скача от стойка на ръце. Това сигурно е най-типичният пример, който можеш да намериш в учебник по физика за превръщането на потенциална енергия в кинетична енергия. Тук на върха на трамплина човекът има потенциална енергия заради позицията си и има явен потенциал да падне и потенциал да превърне потенциалната енергия в кинетична. В момента на падането по-голямата част от потенциалната енергия се превръща в кинетична. Тук имаме потенциална, а тук имаме кинетична енергия. Така че големият извод е, че енергията е способността за извършване на работа. Тя не може да бъде създадена или разрушена, но може да премине от една форма в друга. И всички форми в основата си – можеш да мислиш за тях като за два основни вида – потенциална енергия и кинетична енергия. Като за последния пример може би се питаш: "Как обаче този човек извършва работа?" Представи си, ако поставим някаква система тук. Ако използваме някакъв механизъм – може би тук има някаква макара и тя повдига тежест ето тук. Ако той скочи, няма да падне толкова бързо, но докато е по-тежък от това, тежестта ще дърпа надолу. А тази тежест отива нагоре. Така че той има потенциала да извърши работа заради своята позиция тук. Но я няма реално тази система с макара, която да извърши работата.