Първи закон на термодинамиката / вътрешна енергия

Направих доста видеа за термодинамиката както в плейлистата по химия, така и в плейлистата по физика и осъзнах, че все още – или поне, ако си спомням правилно – все още не съм ти показал първия закон на термодинамиката. Мисля, че сега е добро време за това. Първият закон на термодинамиката. Той е доста добър. Казва ни, че енергията – ще направя това в цикламен цвят – енергията не може да бъде създадена или разрушена, може само да бъде превърната от една форма в друга. Енергията не може да бъде създадена или разрушена, може само да се преобразува. Нека помислим за няколко примера за това. Засегнахме това, когато учихме механика и кинетика в плейлистата по физика, и се занимавах с това и в плейлистата по химия. Да кажем, че имам един камък, който хвърлям право нагоре колкото мога по-бързо. Може би това е някаква топка. Хвърлям една топка право нагоре. Тази стрелка представлява вектора на скоростта. Ще отиде нагоре във въздуха. Нека направя това тук. Хвърлям топка и тя ще отиде във въздуха. Ще намали скоростта си, поради гравитацията. В някаква точка тук горе топката няма да има никаква скорост. В тази точка малко ще забави, а в тази топка ще забави малко повече. В тази точка ще е напълно неподвижна, а после ще започне да ускорява надолу. Всъщност постоянно ускоряваше надолу. Намаляваше скоростта си нагоре, а после започна да ускорява надолу. Тук скоростта ще изглежда ето така. А тук скоростта ѝ ще изглежда ето така. После, точно когато стигне обратно на земята, ако приемем, че съпротивлението на въздуха е пренебрежимо, нейната скорост ще е със същата големина, както нагоре, но в посока надолу. Когато разгледахме този пример и направихме много такива неща във видеата за движение на тяло в плейлистата по физика, ето тук казахме, че имаме някаква кинетична енергия. И това е логично. За всички нас енергията по пътя на логиката означава, че правиш нещо. Кинетична енергия. (В България се бележи с Ек) Енергия на движението. Движи се, така че има енергия. Но когато намали скоростта си тук горе, очевидно нямаме кинетична енергия, кинетичната енергия е 0. Къде отиде нашата енергия? Казах ти, че първият закон на термодинамиката е, че енергията не може да бъде създадена или разрушена. Но очевидно тук имах много кинетична енергия и сме виждали тази формула множество пъти, а тук нямам кинетична енергия. Очевидно унищожих кинетична енергия, но първият закон на термодинамиката ми казва, че не мога да направя това. Трябва да съм трансформирал тази кинетична енергия. Трябва да съм трансформирал тази кинетична енергия в нещо друго. И в случая с тази топка я трансформирах в потенциална енергия. (в България бележим с Еп) Сега имам потенциална енергия. И няма да навлизам в изчисленията, но потенциалната енергия е просто потенциалът да се превърне в други видове енергия. Предполагам, че това е лесният начин да направим това. Но начинът да помислим за това е, виж, топката е много високо тук горе и по силата на нейната позиция във Вселената, ако нещо не я спре, тя ще падне обратно надолу, или ще бъде преобразувана в друг вид енергия. Нека ти задам друг въпрос. Да кажем, че хвърля тази топка нагоре и да кажем, че имаме съпротивление на въздуха. Хвърлям топката нагоре. Тук имам много кинетична енергия. После при най-високото положение на топката цялата енергия е потенциална, кинетичната енергия е изчезнала. И да кажем, че имам съпротивление на въздуха. Когато топката се върне обратно надолу, въздухът я забавя, така че когато достигне до тази долна точка, тя не се движи толкова бързо, колкото я хвърлих. Когато достигна тази долна точка тук, топката ми ще се движи много по-бавно, отколкото я хвърлих в началото. И ако помислиш какво се е случило, тук имам много кинетична енергия. Ще ти дам формулата. Кинетичната енергия е масата на топката по скоростта на топката на квадрат върху 2. Това тук е кинетичната енергия. И после я хвърлям. Цялата се превръща в потенциална енергия. После слиза обратно надолу и се превръща в кинетична енергия. Но поради съпротивлението на въздуха тук имам по-малка скорост. Имам по-малка скорост, отколкото имах тук. Кинетичната енергия зависи само от големината на скоростта. Мога да поставя малък знак за абсолютна стойност тук, за да покажа, че си имаме работа с големината на скоростта. Очевидно тук имам по-ниска кинетична енергия. По-малка кинетична енергия, отколкото тук. И не ми е останала никаква потенциална енергия. Да кажем, че това е земята. Ударихме земята. Имам друга загадка. Когато преминах от кинетична енергия към липса на кинетична енергия, мога да използвам първия закон и да попитам: "Какво се е случило?" И първият закон казва: "О, Сал, тя се превърна в потенциална енергия." И ти видя, че се превърна в потенциална енергия, понеже когато топката ускори обратно надолу, тя се превърна в кинетична енергия. Но после казвам: "Не, господин първи закон на термодинамиката, виж, в тази точка нямам потенциална енергия, но имам кинетична енергия, и имах много кинетична енергия. Сега в тази точка отново нямам потенциална енергия, но имам по-малко кинетична енергия. Топката ми падаше с по-бавна скорост, отколкото я хвърлих." И термодинамиката казва: "О, това е защото имаш въздух." И аз ще кажа: "Ами, имам въздух, но къде отиде енергията?" А после първият закон на термодинамиката казва: "О, когато топката ти падаше" – да видим, това е топката. Нека направя тази топка жълта. "Когато топката ти падаше, тя се докосваше до въздушните частици. Тя се докосваше до молекули въздух. И точно където молекулите се блъскат в стената, има малко триене. Топката ти накара тези молекули, в които се блъскаше, да вибрират малко по-бързо." И ако се замислиш за това, ако се върнеш към задачата на макро/микро ниво, или описанията, за които говорихме, тази топка прехвърля кинетичната си енергия към молекулите въздух, които докосва, докато пада обратно надолу. И правеше това и по пътя си нагоре. И тази кинетична енергия, която мислиш, че изгуби или разруши на дъното, понеже топката ти се движеше много по-бавно, беше прехвърлена към много въздушни частици. Към много въздушни частици. Почти невъзможно е да измерим точно кинетичната енергия, прехвърлена към всяка отделна въздушна частица, понеже дори не знаем какви са били техните микросъстояния в началото. Но можем да кажем, че като цяло, прехвърлихме някаква топлина към тези частици. Повиших температурата на въздушните частици, през които падна топката, като се докосвах до тези частици или им давах кинетична енергия. Спомни си, температурата е просто мярка за кинетичната... Температурата е макросъстояние, или макро начин да гледаме на кинетичната енергия на отделните молекули. Много е трудно да измерим всяка, но ако кажеш, че средно кинетичната им енергия е х, даваш указание за температурата. Ето къде отиде. Превърна се в топлина. И топлината е друг вид енергия. Така че първият закон на термодинамиката казва: "Все още съм верен." Имаше много кинетична енергия, превърна се в потенциална, тя се превърна в по-малко кинетична енергия. Къде отиде останалата част? Превърна се в топлина. Понеже прехвърли тази кинетична енергия към тези въздушни частици в заобикалящата среда. Добре. Сега, когато изяснихме това, как измерваме количеството енергия, която нещо съдържа? Да измерим количеството енергия. И тук имаме нещо, наречено вътрешна енергия. Вътрешната енергия на една система. Отново, това е макросъстояние, или можеш да го наречеш макроописание на това, което става. Това се нарича U за вътрешна. Начинът да запомня това е, че думата "вътрешна" не започва с U. U за вътрешна енергия. Това буквално е... Нека се върна към примера си от миналото – направих това в предишното видео, ако гледаш тези по ред – имам някакъв газ с някакъв подвижен таван отгоре. Това е движещ се таван. Може да се движи нагоре-надолу. Тук имаме вакуум. Тук имам някакъв газ. Вътрешната енергия буквално е цялата енергия, която е в системата. Тя включва – и за нашите цели, особено когато си в първата си година от курса по химия – това е кинетичната енергия на всички атоми или молекули. И в някое бъдеще видео ще изчисля това за количеството кинетична енергия има в един съд. И това всъщност ще е вътрешната ни енергия плюс цялата друга енергия. Тези атоми имат някаква кинетична енергия, понеже имат някакво транслационно движение, ако разгледаме микросъстоянията. Ако те са просто отделни атоми, не можеш да кажеш, че се въртят, понеже какво означава един атом да се върти? Понеже неговите електрони просто си подскачат наоколо. Ако са отделни атоми, не могат да се въртят, но ако са молекули, могат да се въртят, ако това изглежда подобно на това. Може да има някаква ротационна енергия там. Тя включва това. Ако имаме връзки – просто нарисувах една молекула. Молекулата има връзки. Тези връзки съдържат някаква енергия. Тя е също включена във вътрешната енергия. Ако имам някакви електрони, да кажем, че това не беше – е, използвам газ, а газовете не са добри проводници – но да кажем, че използвам твърдо вещество. Използвам грешните инструменти. Да кажем, че имам някакъв метал. Това са атомите – нека направя повече от тях – на метала. И в този атом на метала имам много електрони – това е същият цвят, нека използвам друг цвят – имам много електрони. А тук имам по-малко. Тези електрони искат да стигнат дотук. Може би по някаква причина биват спрени, така че имат някакъв електрически потенциал. Може би тук има дупка, през която не могат да проведат или нещо подобно. Вътрешната енергия включва и това. Това обикновено е в обхвата на нещата, които ще видиш в първата си година в изучаване на химия. Но тя включва това. Също включва буквално всеки вид енергия, която съществува тук. Също, например в един метал включва, ако нагреем този метал, те започват да вибрират. Започват да се движат наляво-надясно или нагоре-надолу, или във всяка възможна посока. И ако помислиш за една молекула или един атом, който вибрира, той идва оттук, а после отива тук, после се връща обратно тук. Движи се напред-назад. И ако мислиш какво ще се случи, когато е в средата той има много кинетична енергия, но когато е в тази точка тук, когато ще започне да се връща, той е напълно неподвижен за много малък момент. И в тази точка цялата му кинетична енергия е потенциална енергия. И после се преобразува в кинетична енергия. После отново се връща към потенциална енергия. Подобно на махало – или всъщност е хармонично движение. В този случай вътрешната енергия също включва и кинетичната енергия (Ek)за молекулите, които се движат бързо. Но също включва потенциалните енергии (Еп) за молекулите, които вибрират. Те са в тази точка, в която нямат кинетична енергия. Това също включва потенциалната енергия. Вътрешната енергия е буквално цялата енергия, която е в една система. И за по-голямата част от това, което ще правим, можеш да приемеш, че си имаме работа с идеален газ. Това става много по-сложно с твърди вещества и проводимост, и вибрации, и всичко това. Ще приемем, че работим с идеален газ. И, още по-добре – ще приемем, че работим с едноатомен идеален газ. И може би това е просто хелий или неон. Един от идеалните газове. Те не искат да се свързват един с друг. Те не образуват молекули един с друг. Просто да приемем, че не го правят. Те са просто отделни атоми. И в този случай вътрешната енергия можем да представим само като кинетична енергия, ако игнорираме всички тези други неща. Но е важно да осъзнаем, че вътрешната енергия е всичко. Тя е цялата енергия вътре в една система. Ако кажеш: "Каква е енергията на системата?", тя е вътрешна енергия. Първият закон на термодинамиката казва, че енергията не може да бъде създадена или разрушена, а само трансформирана. Да кажем, че вътрешната енергия се променя. Имам тази система и някой ми казва, че тази вътрешна енергия се променя. Делта U, това е просто главно делта, което казва каква е промяната във вътрешната енергия. Това ни казва: "Ако вътрешната ти енергия се променя, или нещо е направено със системата ти, или тя прави нещо с нещо друго. Някаква енергия бива прехвърлена към или от нея." Как записваме това? Първият закон на термодинамиката, или дори определението на вътрешна енергия, ни казва, че промяната във вътрешната енергия е равна на топлината, добавена към системата – и, отново, много логична буква за топлината, понеже топлината не започва с Q, но общоприетата практика е да използваме Q за топлина. Буквата Н е запазена за енталпия, което е много, много, много подобна на концепцията за топлината. Ще говорим за това в, може би, следващото видео. Това е равно на топлината, добавена към системата, минус работата, извършена от системата. (В България бележим работата с А) И ще видиш това по множество начини. Понякога е записано ето така. Понякога е записано, че промяната във вътрешната енергия е равна на топлината, добавена към системата, плюс работата, извършена върху системата. И това може да е много объркващо, но просто трябва – ще разгледаме това по много различни начини в следващото видео. И всъщност това е главно U. Нека се уверя, че го записвам като главно U. Но ще го направим по много различни начини. Ако помислиш за това, ако извършвам работа, губя енергия. Прехвърлих енергия към нещо друго. Това извършва работа. Подобно, ако някой ми дава топлина, това увеличава енергията ми. Поне за мен това са разумно логични определения. Сега, ако видиш това, казваш: "Добре, ако енергията ми се увеличава, ако това е положително, или трябва това да се увеличи, или върху мен бива извършена работа. Или в системата ми бива прехвърлена енергия." Ще дам много повече примери за това в следващото видео. Но исках да свикнеш с тези двете. Понеже ще ги виждаш постоянно и може даже да се объркаш, дори и учителят ти да използва само едно от тях. Но винаги трябва да проверяваш дали е логично. Когато нещо извършва работа, то прехвърля енергия към нещо друго. Ако извършваш работа, това отнема вътрешната ти енергия. Подобно, трансферът на топлина е друг начин за енергията да премине от една система в друга, или от едно същество в друго. Ако общата ми енергия се увеличава, може би към системата ми бива добавена топлина. Ако енергията ми намалява, или от системата ми бива отнета топлина, или извършвам работа върху нещо. Ще направя няколко примера с това. И ще приключа това видео с някои други обозначения, които може да видиш. Може да видиш, че промяната във вътрешната енергия е равна на – нека запиша това отново – промяната във вътрешната енергия, главно U. Понякога ще се запише като делта Q, което намеква за промяна в топлината. Ще обясня в някое бъдещо видео защо това няма много смисъл, но често ще го виждаш. Но можеш да гледаш на това като на топлината, добавена към системата, минус промяната в работата, което донякъде не изглежда смислено, понеже когато говориш за топлина или работа, говориш за прехвърляне на енергия. Когато говориш за промяна в трансфера, това става малко – понякога делта работа, това просто означава работата, извършена от една система. Очевидно, ако имаш някаква енергия, извършваш някаква работа, губиш тази енергия, даваш я на нещо друго, тук ще имаш знак "минус". Или може да го видиш така – промяната във вътрешната енергия е равна на добавената топлина – няма да казвам, че това на мен ми изглежда като промяна в топлината. Ще нарека това добавената топлина – плюс работата, извършена върху системата. Това е работата, извършена "върху", а това е работата, извършена "от" системата. Който и да е начин става. И дори не трябва да запаметяваш това, а просто малко да помислиш за него. Ако извършвам работа ще изгубя енергия. Ако към мен бива извършена работа ще получа енергия. Ако изгубя топлина, ако това е отрицателно число, ще изгубя енергия. Ако получа топлина, ще получа енергия. С това видео ще приключим тук, а в следващото видео ще опитаме да осмислим тази формула за вътрешната енергия по множество различни начини.