Základy termodynamiky
Přihlásit se
Základy termodynamiky (1/6) · 8:07

Chemie a energie V tomto díle rychlokurzu si povíme o různých typech energie. Dozvíme se něco o prvním termodynamickém zákoně, vnitřní energii, práci a teplu.

Navazuje na Ideální plyn.
Rád říkávám, že chemie je všude. Hlavně proto, že jsem už unavený z těch řečí, že kolem nás jsou zlé chemikálie, kterými jsme vystaveni a kterými jsme kdy byli vystaveni včetně takového organicky vyrostlého salátu, který je též složen z chemikálií. Když tvrdím, že všechno jsou chemické látky, neříkám tak úplně vlastně pravdu. Existuje celkem dost věcí, které chemikáliemi nejsou. Zvuk, teplo, laserové paprsky, jsoucno a bytí... duhy. Všechny tyto věci jsou věcmi. Ale všechny tyto věci, ale ve skutečnosti i všechny ostatní... ...proboha to je dost divné, ale pravdivé. Tyto věci jsou zároveň energií. Všechno je energie. Znělka Pojďme si povídat o trebuchetech. Trebuchet byl válečnou zbraní, zároveň je to ukázka starověkého inženýrství. Jako to si to představuji, ne jako zabiják lidí. Inu, mám tady jednu malou repliku, kterou jsem si postavil, protože jsem nerd. Tento malý trebuchet má v sobě celkem dost energie. Více než si vůbec myslíte. My, lidé, máme rádi, pokud můžeme věcem porozumět, a proto umíme uschovat energii do různých forem. Začněme s tou nejméně zřejmou. Hmotou. Einstein totiž řekl, že energie a hmota je jednou a tou samou věcí. Do toho nebudeme zabíhat nijak dopodrobna. Místo toho řekneme, že je energie uzamčena uvnitř a je nesmírně těžké ji získat, jelikož uvolnit jadernou energii dřeva není nic jednoduchého. Což je výborné, jelikož pokud by se uvolnila jaderná energie tohoto trebuchetu tak by to zničilo celou budovu, ve které teď sedím. Tento válečný stroj v sobě má i termální energii. Všechno, co je teplejší než absolutní nula má termální energii, i velmi studené věci. To znamená, že se jednotlivé atomy a molekuly náhodně rychle pohybují. Až teprve při absolutní nule by se přestaly hýbat. Kdybych se pak toho dotkl, moje ruka by ihned zmrzla a pak mi odpadla. Absolutní nula je velká zima. Obsahuje také chemickou energii, která uchovává energii vazeb mezi atomy. Vazby v molekulách celulózy a ligninu, ze kterých se dřevo skládá, obsahují energii. Při zániku těchto vazeb se tato energie uvolní, což by se stalo, kdybych můj trebuchet zapálil. To dělat nebudu, trvalo mi 4 hodiny, než jsem ho sestavil. Žádná z těchto forem energie však nebyla tou, který zajímala starověké generály, ale chtěl jsem ukázat, kolik energie se doopravdy uvnitř ukrývá. Co starověké generály zajímalo, byla gravitační potenciální energie systému. Protože tato těžká věc, která je teď plná pencí... Je to nebezpečné. Tato těžká část plná pencí je zvedána nahoru a gravitační síla ji tlačí dolů. Zde je gravitační energie uchovávána ve formě potenciální energie. Tedy energie systému související s jeho pozicí. To však neznamená, že má potenciál stát se energií. Už to energie je.. pouze je uschována. Kdyby tam předtím nebyla a pak se objevila, pak byste vytvářeli energii. A jak všichni víme, energii vytvářet nelze. To všichni víme, je to tak? To nám říka první věta termodynamická, neboli zákon zachování energie. To je zásadní nevyvratitelný fyzikální zákon. Energie nemůže být vytvořena, ale ani zničena. Množství energie ve vesmíru je konstantní. Jelikož vše je energie, množství všeho ve vesmíru je konstantní, což je dost divné. Myšlenkám, které formalizovali nauku o energii, říkáme termodynamika. Odvětví chemie, které se zabývá teplem, energií a schopností systému konat práci. Řekl jsem tři slova, jejichž definici asi neznáte, i když si myslíte, že znáte. To je v pořádku. V životě se budete mýlit ještě mnohokrát. Co tedy tato slova znamenají? Energie. Vím, že nevíte, co energie je, protože já to taky nevím. Fyzik Richard Feynman, nositel Nobelovy ceny, řekl: Uvědomme si, že ve stavu dnešní fyziky již nevíme, co je vlastně energie. Pojďme si však říct definice z učebnice, která zní: schopnost konat práci nebo produkovat teplo. Práce. V běžné řeči je to něco, co musíme udělat, i když se nám nechce. Ve fyzice a chemii je práce činnost spojená s pohybem. Pokud se nic nepohnulo, nevykonala se žádná práce. Existují různé symboly označující práci, já budu používat malé "w". Teplo. To je asi nejvíc nepochopené slovo v chemii hned po chemikáliích. Teplo není nic, co by předměty obsahovaly. Stejně jako něco nemůže mít práci, tak nemůže mít teplo. Protože teplo, stejně jako práce, je přeměněná energie. Místo přeměny energie mechanických pohybem, teplo je přeměna energie termálních interakcí jako je například záření nebo tepelná vodivosti. Možná to bude znít divně, ale toto jsou jediné dvě věci, které energie umí. Může být buď silou, která vynakládá sílu a posouvá s věcmi nebo může být přeměněna na teplo. Oba procesy jsou přeměnou energií mezi systémy. Kdybyste náhodou nevěděli, jaká je značka pro teplo, je to malé "q". Ano, malé "q", smiřte se s tím. Málo známým faktem je, že se dříve teplo vyslovovalo s "q" na začátku. To však bylo ukončeno v 17. století... no dobře, teď si vymýšlím. Teď ale půjdeme dál, tohle na chvilku zapomeneme. Víte, co se stane, když se množství energie v systému změní? Pokud teď začínáte panikařit, jelikož jsem řekl, že množství energie je neměnné, chtěl bych podotknout, že jsem taky řekl: "Ve vesmíru". Vesmír můžeme z termodynamického hlediska rozdělit do dvou částí. To je celkem zajímavé. Jednou částí je systém. Ten, který zkoumáme a vše okolo je jednoduše okolí. Díky okolí se může měnit množství energie uvnitř systému. Energie může přecházet do okolí nebo z něj přicházet. My se jen musíme rozhodnout, kde je hranice. Systémem může být například kámen, který vystřeluje trebuchet, samotný trebuchet nebo obličej nebohého muže, na který kameny letí. Ať už je to systém Země-trebuchet, nebo kámen-obličej, nebo třeba celý vesmír, my se vždy musíme rozhodnout, kterou část systému budeme zkoumat. Každý systém má vnitřní energii, ta je daná součtem kinetické a potenciální energie. Vnitřní energie systému se značí velkým "E" a nás většinou zajímají její změny. Změna se v chemii a fyzice většinou označuje řeckým písmenem delta. Tuto deltu dáme před to "E" a značíme to "ΔE", změna energie systému. Změna energie systému je rovna součtu tepla a práce. Nejjednodušší rovnice, kterou na Rychlokurzu chemie kdy uvidíte. V rámci této rovnice mohou nastat 2 situace: Zaprvé, pokud ΔE je kladné, pak systém získává energii od svého okolí. V tom případě jsou práce nebo teplo je dodávány do systému. Stejně jako potřebuji vykonat práci, aby můj trebuchet vystřelil. ΔE je kladné. Systém získává energii od svého okolí, které nyní zahrnuje mé ruce a svaly. Pokud naopak práci koná systém nebo odevzdává teplo do okolí, potom "w" a "q" mají záporné znaménko a tím i ΔE je záporné. To tedy značí pokles energie systému. Jako třeba, když trebuchet vypálí. ΔE trebuchetu je záporné, protože předal energii ping pongovému míčku. Ale co tohle všechno má u Willarda Gibbse společného s chemií? Totiž energie uchovaná v chemických vazbách, tedy chemická energie, je svým způsobem potenciální energií. Je závislá na poloze jednotlivých částic v molekule. Stejně jako u trebuchetu, můžeme v chemii vložit energii do molekul a potom jí zase využít, například ke konání práce. Pro výrobu válečných strojů, které jsou milionkrát silnější než i ty největší obléhací stroje. Ale také pro výrobu nástrojů, které dokáží nakrmit a odít lidstvo. Při některých reakcích je energie uvolňována, jako u střílení trebuchetem. Což už dělat nebudu, proč to pořád vytahuji? Hoření je velmi rychlá oxidace chemických sloučenin. Důsledkem je uvolňování tepla. Tomuto typu reakcí říkáme exotermní. Jiné reakce můžou přijímat teplo z okolí. Těm se říká endotermické. Pokud je teplo přenášeno do systému. Stejně jako v motoru, ve vysokých teplotách spalování paliva se dusík sloučí s kyslíkem za vzniku oxidu dusnatého. To je jedovatý plyn, kterého jsem se jednou nadýchal, ale tuto historku nechám episodě na téma bezpečnost v laboratoři. Ukazuje se, že chemie je hodně ovlivněná studiem energie. Energie uložená ve vazbách, přenášená mezi atomy a molekulami při hledání stabilní formy a uvolňovaná do okolí ke konání práce. Je to stejné jako u trebuchetu. Vložíte energii dovnitř, uchováte jí tam a pak ji využijete na něco zajímavého, zábavného a užitečného. A to vše jsme zvládli ilustrovat na tomto malém obléhacím stroji.
video