Основно съдържание
Биологична библиотека
Курс: Биологична библиотека > Раздел 7
Урок 2: Закони на термодинамиката- Въведение в енергията
- Видове енергия
- Въведение в Първия закон на термодинамиката
- Въведение в ентропията
- Втори закон на термодинамиката
- Втори закон на термодинамиката и ентропията
- Защо топлината увеличава ентропията
- Закони на термодинамиката
- Енергия и термодинамика
© 2023 Khan AcademyУсловия за ползванеДекларация за поверителностПолитика за Бисквитки
Въведение в енергията
Енергията се дефинира като възможност за извършване на работа. Енергията може да се открие в много нещо и може да приеме различни форми. Например, кинетичната енергия е енергията на движението, а потенциалната енергия се образува от позицията или структурата на даден обект. Енергията никога не се губи, но може да се преобразува от една форма в друга.
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.
Видео транскрипция
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.