Първи закон на термодинамиката

Какви са различните видове енергия, които една газова молекула може да има? Ами, тъй като газовата молекула може да се движи, знаем, че може да има нормална кинетична енергия. Понякога наричаме това транслационна кинетична енергия. И ако е такава молекула, погледни, двуатомна молекула, тя може да се върти около някаква централна точка. И ако имаме молекула, изградена от множество атоми, тя може да се върти и поради това тя също може да има ротационна кинетична енергия. Това няма да е вярно, ако беше просто едноатомна. С други думи, ако беше просто единичен атом. Ротацията на единичен атом, както се оказва, не е значително допринасяне към енергията, която един газ може да има. Но ако е двуатомна или триатомна, или каквато и да е многоатомна, тя може да има ротационна кинетична енергия. И може да мислиш, че е само това. Може да се върти. Може да се движи. Какъв друг вид енергия може да има? Оказва се, че може да има още една. Отново, ако е двуатомна, като тази, атомите, които изграждат молекулата, са сързани. Те могат да трептят като две маси на пружина и поради това можеш да получиш трептяща форма на енергия. Тази степен на свобода, както я наричаме, е друго място, на което енергията може да отиде. Тоест, ако добавиш енергия към един газ, газовите молекули или ще започнат да се движат по-бързо, ще започнат да се въртят по-бързо, или ще започнат да трептят по-бързо, или някаква комбинация от всички тези. Това са трите начина, по които енергията се проявява, когато бъде добавена към газ. Трите начина, по които енергията се проявява, когато вложиш енергия към газ. И физиците са създали име за цялата тази енергия. Ако събереш цялата тази енергия за един газ, наричаме това вътрешна енергия и ѝ даваме буквата U. U е вътрешната енергия на газа и под вътрешната енергия на един газ имаме предвид цялата енергия, ротационната кинетична, вибрационната кинетична... цялата тази енергия, събрана в едно, това имаме предвид под вътрешна енергия на един газ. Но защо ти казвам всичко това? Казвам ти това, понеже искам да говоря с теб за първия закон на термодинамиката и първият закон на термодинамиката е отговор на въпроса как променяш вътрешната енергия на един газ. Как увеличаваш вътрешната енергия или намаляваш вътрешната енергия. Знаем какво ще се случи след като я увеличиш или намалиш. Газовите молекули или ще ускорят, или ще забавят, ще се въртят по-бързо, ще се въртят по-бавно и така нататък. Но как влагаш енергията там? Това обикновено е формулирано, този първи закон на термодинамиката обикновено се формулира в контекста на газ, който се съдържа в затворен съд. Обикновено се показва като някакъв цилиндър. И в уравнението си първият закон изглежда ето така. Искаме да знаем как променяш вътрешната енергия на един газ. Изглежда така: делта, което представлява промяната в крайната стойност минус началната стойност на вътрешната енергия, е равно на – това е уравнението за първия закон. Какво ще отиде отдясно? Всички начини, по които можеш да промениш вътрешната енергия на един газ. Един начин да направиш това е да запалиш огън под този съд. Да кажем, че съдът е затворен. И поставяш огън под него. Тази топлина ще навлезе в газа и газът ще започне да се движи по-бързо и ще започне да вибрира по-бързо, да се върти по-бързо, в зависимост от температурата и тази топлина е първият начин, по който можеш да промениш вътрешната енергия на един газ. Ако топлината навлезе в този затворен съд, вътрешната енергия ще се увеличи. Ако добавиш топлина – и това е представено с буквата Q. Q е буквата, която избираме, за да представим енергията. Ако имах 100 джаула енергия, това са 100 джаула, които могат да отидат към увеличаването на вътрешната енергия на един газ. Но не е нужно да използваш огън, за да добавиш топлинна енергия към един газ. Можеш да си представиш, че просто потапяш този затворен съд в някакъв вид резервоар. Може би вряща вода или просто топла вода. И това също ще добави топлина към газа. Може да възразиш и да кажеш, че е затворен и това означава, че нищо не може да влезе или излезе, а как тогава топлина навлиза. Под затворен имаме предвид, че никакви частици, никакви молекули не могат да влязат или излязат. Но топлината е просто форма на енергията. Тоест, това, което се случва, е, че тази топлина кара стените на този съд, атомите и молекулите, които изграждат съда, да започнат да вибрират по-бързо напред-назад. Когато тази молекула се сблъска с по-бързо вибриращата страна, тя получава "побутване", всеки път, когато удари една от тези движещи се по-бързо молекули, тя получава побутване. Така енергията навлиза, но навлиза само енергия. В този газ всъщност не навлизат молекули. Така че това е затворено. Топлината е първият начин, за който говорихме, за променяне на вътрешната енергия на един газ. Но има друг често срещан начин за добавяне на вътрешна енергия към газ. Трябва ни друг термин тук. И допълнителният начин да добавим вътрешна енергия към един газ е – представи си, че вместо да имаме съд, където никоя от тези страни не може да се движи, където този съд е напълно твърд, нищо не може да се движи, представи си, че горната част на този съд е такава, че има бутало. И това бутало може да се движи нагоре и надолу. Това бутало може да промени обема, при което този газ взима участие. Тъй като буталото може да се движи нагоре или надолу, какво може да се случи, как можем да добавим енергия? Можеш просто да приложиш голяма сила надолу и да притиснеш газа във все по-малка и по-малка област. Казахме, че газът, когато стигне до по-бързо движещите се молекули в стената, получава "побутване". Същото е вярно и тук. Ако вземем тази газове молекула и си представим, че бутаме това бутало надолу, когато тя се сблъска тук с това бутало, което се движи надолу, отново, бива "побутната" и започва да се движи по-бързо. Придобива енергия и това може да се прояви като транслационна кинетична енергия. Ротационна кинетична енергия. Вибрационна енергия... всичко това е вътрешна енергия. И прилагаме сила. Тази сила е приложена през определено разстояние. Ако бутаме това надолу и знаем какво е силата по разстоянието, извършваме работа. Така добавяме енергия към този газ – извършваме работа като бутаме буталото надолу. И ако извършим работа върху газа, това означава, че добавяме вътрешна енергия към газа и стойността на работата е количеството енергия, което опитваме да добавим към вътрешната енергия на газа. Това са двата чести начина, по които можеш да добавиш енергия, вътрешна енергия, към един газ и това е формулата на първия закон на термодинамиката. Това е. Това са двата начина, по които можеш да добавиш енергия. Q е топлината, W е работата, извършена върху газа. Важен момент тук. Това е работата, извършена върху газа. И затова поставих знак плюс тук, понеже като извършваме работа върху газа, добавяме енергия към вътрешната енергия. Добавяме енергия. Този газ придобива енергия, понеже извършваме работа върху него. В някои учебници и други ресурси ще видиш първия закон записан така, освен че с плюс ще видиш знак минус и ще има знак минус тук, вместо плюс, понеже те ще говорят за работата, извършена не върху газа, а ще говорят за работата ОТ газа. Което казва, че ако газът буташе буталото, то щеше да губи енергия. То щеше да извършва работа върху околната си среда тук, губейки тази енергия – това би било енергия, която бива отнета от вътрешната енергия на газа, понеже говорим за газа в буталото тук, в цилиндъра. Трябва да внимаваш. Формулирах версията със знака плюс, но може също да видиш това със знака минус. И в задачи с въпроси трябва наистина да внимаваш. Трябва да гледаш дали се пита за работата, извършена върху газа, или за работата, извършена от газа. Може да си помислиш, че това ще е много трудно и как ще откриеш, ако знаеш работата, извършена върху газа, и как ще откриеш работата, извършена от газа. Ами това е лесно. Работата, извършена върху газа, е равна на отрицателната стойност на работата, извършена от газа И обратно. Работата, извършена от газа, е равна на отрицателната стойност на работата, извършена върху газа, понеже ако газът извърши 100 джаула работа, това е все едно някой извършва -100 джаула работа върху газа. Понеже ако извършиш отрицателна работа върху едно тяло, тогава отнемаш енергия от него. Това е първият закон на термодинамиката. Той ти казва как да събереш вътрешната енергия на един газ. Ако помислиш, в този момент може да възразиш и да кажеш, че това не е нов закон във физиката, а е просто запазването на енергията. То казва, че енергията, която вложиш в един газ, се проявява като енергията в газа, и аз трябва да ти кажа, че това е вярно. Това е просто запазването на енергията. Това изобщо не е нов закон. Защо му даваме специално име? Причината е, че когато физиците разработвали този закон, не било много ясно какво било топлината. Не било ясно, че топлината е просто друг вид енергия. Било нужно известно време да се осъзнае, че топлината просто друга форма на енергията. За известно време се говорело, че топлината може би е някакъв вид странна течност, която може да навлезе в едно вещество и сега се смеем на това. Казваме си, че е много смешно. Но това е микроскопска характеристика и е трудно да се види, освен ако нямаш способност да говориш за тези неща на микроскопско ниво, което отнело известно време. Не е очевидно как трябва да мислим за този материал "топлина". Затова законът получил специално име и името си останало. Той е първият закон на термодинамиката. А сега начинът, по който го използваш в задачи. Трябва да внимаваш. Топлината не само може да навлезе. Също може да излезе. Ако топлината навлиза, Q е положително число. Ако 100 джаула топлина навлиза ще сложиш +100 джаула топлина за Q. Но ако топлина излиза, ако поставиш цялото нещо във вана с лед и определено количество топлина излезе, може би 100 джаула топлина излязат, ще трябва да поставиш минус 100, понеже това Q представлява топлината, добавена към газа и ако отнемаш топлина, това ще е все едно добавяш отрицателна топлина към газа. Ако топлина излиза от газа, това е -Q. Ако топлина бива добавена, това е +Q. Ами работата? Има работа, извършена върху газа. Откъде знаеш дали това е плюс, или минус? Ако буташ буталото надолу... Няма значение. Ако буталото се движи надолу, без значение дали го буташ, или не, работа бива извършена върху газа. Така че това е положителна извършена работа. Ако буталото се движи надолу, положителна работа бива извършена върху газа, а това означава, че енергия навлиза. Това е положителна стойност на W. Ако буталото се издига, ако газът се разширява и буталото се издига, газът извършва работа върху буталото и околната среда. Това е отрицателна работа, извършена върху газа. Помни, говорим за работа, извършена върху газа. Ако буталото се движи надолу, това е положителна работа, извършена върху газа. Трябва да сложиш положителна стойност тук. Ако буталото се движи нагоре, това е отрицателна стойност на работата, извършена от газа. Ще трябва да сложиш отрицателна стойност за работата тук. Внимавай. Това е начин да изчислиш вътрешната енергия. Това е първият закон на термодинамиката и един от най-фундаменталните, и едно от най-често използваните уравнения в цялата термодинамика.