Въведение в Първия закон на термодинамиката

Сега ще разгледаме първия закон на термодинамиката. Но преди да започнем с него, може да се питаш, "Какво е термодинамика?" Можеш да се досетиш от корените на думата. Имаме "термо", свързано с термален, свързано е с температура. И динамика – свойствата на температурата, как атомите се движат, какво е поведението на температурата. Точно това е термодинамиката – тя изучава топлината и температурата и как те са свързани с енергията и работата, как различните видове енергия преминават от една форма в друга. Именно това е в основата на първия закон на термодинамиката, който споменахме в уводното видео за енергията. Първият закон на термодинамиката ни казва, че енергията – това е важно, ще го напиша: енeргията не може да бъде създадена или унищожена. Не може да се създаде или унищожи. Може само да се превърне от една форма в друга. Може само да се превърне... днес ми е трудно да пиша. Енергията може само да се превърне от един вид в друг. Може да се предава или превръща от един вид в друг, но не може да се създаде или унищожи. В останалата част от видеото искам да дам няколко примера, за да разберем този закон и да помислим за това каква е енергията, която наблюдаваме в една система. След това ще помислим откъде идва тази енергия, за да разберем, че не идва просто отникъде и че не изчезва, че не се унищожава. Ще започна с пример за електрическа крушка. Можеш да поставиш видеото на пауза, за да помислиш за видовете енергия, които виждаме тук. И след това – за това откъде идва тази енергия и къде отива. Най-очевидната форма на енергия тук, предназначението на крушката е светлинната енергия. Виждаш електромагнитните вълни и светлината, която излъчва. Това е лъчиста енергия. Лъчиста енергия. Лъчистата енергия се получава от нагрятата жичка ето тук. Когато електроните минават през нея, създават топлина, имаме топлинна енергия. Имаме и топлинна енергия. Но откъде идват лъчистата и топлинната енергия? Да повторим, първият закон на термодинамиката ни казва, че енергията не се съзадава от нищото, а се превъща от един вид в друг или се предава отнякъде. Подсказах ти, тази топлинна енергия идва от движението на електроните през жичката. Те се движат през жичката, която има съпротивление, това генерира топлина. Електроните са движат през жичката като през резистор и се създава топлина. Така че имаме кинетичната енергия на електроните. Ще напиша КЕ (Ек), за да съкратя кинетична енергия. Кинетичната енергия на електроните. Откъде идва тя? Тя идва от потенциалната енергия. Крушката е включена към електрическата мрежа. Ще нарисувам електрически контакт ето тук. Ако този електрически контакт беше в дома ти, щеше да има електрически потенциал между тези два края. Когато се направи връзка, електроните могат да се задвижат. Ще навлезем в детайли за правия ток в следващи видеа. Има електрически потенциал между тази и тази точка. Ако приемем, че това е посоката, в която се движат електроните. Така че тук потенциалната енергия се е превърнала в кинетична енергия на електроните, която приема формата на електричен ток, който се превръща в топлинна енергия и лъчиста енергия. Какво се случва след това? Да кажем, че изключим крушката от контакта, светлината изгасва. Какво се случва с всичката енергия? Още ли е там? Да, термалната енергия ще продължи да се разсейва в системата. Това тук е отворена система, Газът в крушката – не се вижда напълно, но изглежда ето така. Въздухът ще се затопли и от своя страна ще затопли стъклото на крушката, а то ще затопли външния въздух. Така че топлинната енергия се превръща в лъчиста енергия, която се движи навън. Тя може да се превърне в други форми на енергия, най-често – топлинна, така ще затопли други неща. Ами тази маса за билярд? Когато ударя топка, тази тук например. Къде ще отиде енергията? Част от енергията ще се предаде при удара на следващата топка, която ще удари следващата. Но както всички знаем, ако сме играли билярд, в даден момент те ще спрат. Какво се е случило с енергията им? Докато са се търкаляли, е имало съпротивление на въздуха. Топките са се удряли в молекулите на въздуха, имало е триене. Тази енергия ще се превърне в топлина. Една тенденция, която ще виждаш често в системите, е, че много по-голяма част от енергията се превръща в топлина, вместо в полезна работа. Когато билярдните топки се движат, триенето с въздуха ще превърне част от кинетичната им енергия в топлинна енергия. Ще има триене и с меката повърхност на масата. При това ще имаме молекули, които се трият едни в други, триенето ще се превърне в топлина. Тъй като кинетичната енергия се намалява от триенето, имаме превръщане на кинетична енергия в топлина. Накрая няма да имаме повече кинетична енергия. Ами този щангист тук? Той използва химичната енергия в молекулите АТФ в мускулите си, която се превръща в кинетична енергия, която задвижва мускулите му. Тази енергия придвижва тежестта. Но когато достигне тази позиция, какво се случва с енергията? Много от нея сега се превръща в потенциална енергия. Тази огромна тежест е над главата му и ако я пусне, което не го съветвам да прави, това нещо ще падне много бързо. Сега много от енергията се съхранява като потенциална енергия. Но също сме създали топлина. Мускулите му са генерирали топлина. Дори само при движение през въздуха се създава топлина във въздуха и има триене с него. Искам да запомниш, че тази енергия не идва от нищото, тя се превръща от една форма в друга или се пренася от една част на системата в друга. Сега можем да разгледаме тези примери. Същото се случва с нашия бегач тук. Химичната му енергия позволява на мускулите му да се движат, превръща се в кинетична енергия за цялото му тяло, цялото му тяло се движи. Но в даден момент той спира. Къде отива енергията? Част от нея ще се превърне в топлина в тялото му, която ще се разсее в цялата система, във въздуха. Освен това, когато тича, той има контакт със земята. Това кара молекулите в земята да вибират леко. Част от тези вибрации ще се превърнат в звук. А част от енергията на частиците на въздуха, които са в движение, ще се превърне в топлина. Ще виждаме тази ситуация отново и отново. Гмуркачът тук горе има най-вече потенциална енергия. После тя се превръща в кинетична енергия, когато почти стигне до водата. Но какво се случва щом падне във водата? Енергията ще се предаде на отдалечаващите се водни вълни. Също така триенето ще се увеличи. Имахме триене и докато падаше, което ще произведе топлина. Топлина ще се генерира и при триенето с водата. Обикновено не мислим за триенето с вода, но има такова. Има и вълни, които имат по-голяма кинетична енергия от самата вода, тази енергия се предава навън от мястото на падане. Мога да продължавам с примерите. Имаме химична потенциална енергия в горивото. При горенето тя се превръща в топлинна енергия и лъчиста енергия, свързани с огъня. Тя не изчезва, а се излъчва навън. Лъчистата енергия се излъчва навън, може би за да затопли нещо. И топлинната енергия ще бъде излъчена навън или ще се разсее навън, за да затопли околната среда. Същото се случва в примера със светкавицата. Започваме с електрически потенциал, долната част на облаците е по-отрицателна, а земята е положителна. В определен момент тази потенциална енергия се превръща в кинетична енергия, щом електроните се задвижат през въздуха. След това голяма част от нея се превръща в топлинна и лъчиста енергия. Целта на това видео, независимо от разглеждания конкретен пример, беше да покаже, че ако помислим внимателно, насърчавам те да го правиш всеки ден, виждаме, че енергията не идва от нищото, не се появява с магическа пръчица, а просто се превръща от един вид в друг.