Zákony termodynamiky
Přihlásit se
Zákony termodynamiky (3/12) · 17:40

První termodynamický zákon a vnitřní energie Úvod do prvního termodynamického zákona: definice a význam vnitřní energie.

Navazuje na Kinetická teorie plynů.
Už jsem vytvořil spoustu videí o termodynamice, jak v chemických, tak i ve fyzikálních lekcích, a uvědomil jsem si, že vám musím představit, pokud mi dobře slouží paměť, musím vám ještě představit první termodynamický zákon. A myslím, že teď je správný čas jako kdykoliv jindy. První termodynamický zákon. Ten je velmi pěkný. Říká nám, že energie – napíši to touhle purpurovou barvou – energie nemůže být ani vytvořena, ani zničena, může být pouze přeměněna z jedné formy na jinou. Takže energie nemůže být ani vytvořena, ani zničena, pouze přeměněna. Pojďme popřemýšlet o pár příkladech tohoto zákona. A tohle jsme již zčásti nakousli, když jsme se učili mechaniku a kinetiku ve fyzikálních videích a hodně jsme toho také probírali v chemických videích. Tak řekněme, že mám kámen, který vyhodím přímo vzhůru, co nejrychleji dokážu. Nebo to možná bude nějaký míč. Takže vyhodím míč přímo vzhůru. Tato šipka představuje vektor rychlosti. Míč tedy vyletí nahoru do vzduchu. ...nakreslím to zde... Vyhodím míč a ten letí přímo vzhůru. Kvůli gravitaci začne zpomalovat. A v tomto bodě, tady nahoře, bude mít míč nulovou rychlost. Takže v tomto bodě míč zpomalí, tady zpomalí ještě o trochu víc. A v tomto bodě bude úplně nehybný a začne zrychlovat směrem dolů. Vlastně pořád zrychloval směrem dolů. Zpomaloval směrem nahoru a poté začne zrychlovat směrem dolů. Takže zde bude jeho rychlost vypadat takto. Tady bude jeho rychlost taková. Hned, jak se dostane k zemi, pokud předpokládáme zanedbatelný odpor vzduchu, jeho rychlost bude stejná jako ta směrem nahoru, pouze bude směřovat dolů. Když se podíváme na tento příklad, a už jsme jich měli spoustu ve fyzikálních videích o pohybu těles, řekli jsme, že tady máme kinetickou energii. A to dává smysl. Myslím, že pro všechny z nás energie znamená, že něco děláme. Takže kinetická energie. Energie pohybu, kinetiky. Hýbe se, takže má energii. Ale potom, jakmile tady nahoře zpomalíme, očividně nemáme žádnou kinetickou energii, nulovou kinetickou energii. Kam se energie poděla? Právě jsem vám řekl první termodynamický zákon, energii nelze ani vytvořit, ani zničit. Ale jasně jsem tady měl spoustu kinetické energie, už několikrát jsme pro ni viděli vzorec, a tady nemám žádnou kinetickou energii. Takže jsem musel kinetickou energii zničit, ale první termodynamický zákon říká, že to udělat nemůžu. Takže jsem tu energii musel někam převést. Musel jsem tu kinetickou energii přeměnit na nějakou jinou. A v případě tohoto míče jsem ji přeměnil na potenciální energii. Takže teď mám potenciální energii. Nebudu zacházet do matematiky, ale potenciální energie je potenciál pro přeměnu na jiné formy energie. Je to lehčí na pochopení. Pojďme se nad tím zamyslet, míč je tady velmi vysoko a díky jeho pozici v prostoru, pokud ho něco nezastaví, spadne zpět na zem anebo se přemění na jiné formy energie. Teď mi dovolte položit další otázku. Řekněme, že míč vyhodím nahoru a vezmeme v potaz odpor vzduchu. Takže jsem vyhodil míč. Mám tu spoustu kinetické energie. A pak na vrcholu, kam se míč dostal, všechno je to pouze potenciální energie, kinetická energie zmizela. Řekněme, že mám odpor vzduchu. Takže když se míč vrací zpět dolů, vzduch ho trochu zpomalí, takže když dorazí dolů, nepohybuje se tak rychle, jako když jsem ho hodil. Takže když dosáhnu tohoto dolního bodu, můj míč se pohybuje mnohem pomaleji, než jsem ho hodil na začátku. Zamyslíte se a vidíte, že tady mám mnoho kinetické energie. Napíšu vám vzorec. Kinetická energie je hmotnost míče krát rychlost míče na druhou, to celé děleno dvěma. Tato kinetická energie. A pak ho hodím. Vše se změní na potenciální energii. Míč vrací dolů a energie se mění na kinetickou. Ale kvůli odporu vzduchu mám tady menší rychlost. Mám menší rychlost, než jsem měl tady. Kinetická energie závisí pouze na velikosti rychlosti. Mohl bych sem dát absolutní hodnotu, abych ukázal, že se jedná o velikost rychlosti. Takže zde mám jasně nižší kinetickou energii. Takže máme menší kinetickou energii, než jsme měli tady. A nezbyla mi žádná potenciální energie. Řekněme, že tohle je země. Narazili jsme na zem. Takže máme další hádanku. Přejdu ze stavu s kinetickou energií do stavu bez kinetické energie, ptám se prvního termodynamického zákona: „Co se děje?“ A první zákon řekne: „Sale, tady se všechno přeměnilo na potenciální energii.“ Přeměnu na potenciální energii jste viděli, když míč zrychloval zpět dolů, přeměnila se energie zpět na kinetickou. Ale pak řeknu: „Ne, pane První termodynamický zákone, podívejte, v tuhle chvíli nemám žádnou potenciální energii a měl jsem hodně kinetické energie. V tomto bodě nemám žádnou potenciální energii, ale mám méně kinetické energie. Můj míč spadl pomaleji, než jsem ho na začátku hodil.“ A termodynamika říká: „To je kvůli odporu vzduchu.“ A já bych řekl: „No vzduch mám, ale kam se poděla ta energie?“ A pak první zákon termodynamiky říká: „Hm, když tvůj míč padal...“ ...podívejme se, tohle je míč... Udělám ten míč žlutou. „Takže když váš míč padal, třel se o částice vzduchu. Třel se o molekuly vzduchu.“ A tam, kde molekuly narážely do stěn míče, tam vznikalo tření. Tření v podstatě znamená, že míč zrychlil vibraci molekul, které do něho narážely. A v podstatě když o tom přemýšlíte, když se vrátíte k tématu makrostavů a mikrostavů, o kterém jsme se bavili, ten míč v podstatě přenáší svou kinetickou energii na molekuly vzduchu, které se třou o míč, když padá dolů. A ve skutečnosti se to dělo, i když míč stoupal vzhůru. A kinetická energie, o které jste si mysleli, že jste ztratili nebo zničili tady dole, protože váš míč zpomaloval, tak ta se pouze přenesla na částice vzduchu. Bylo to hodně... Na hodně částic vzduchu. Teď je téměř nemožné naměřit přesnou kinetickou energii, která byla předána každé částici vzduchu, protože ani nevíme, jaký byl jejich počáteční mikrostav. Ale obecně můžeme říct, že jsem těm částicím předal určité teplo. Zvýšil jsem jejich teplotu tím, jak míč padal skrz ně, jak se o ně třel a předával jim tak kinetickou energii. Pamatujte si, teplota je pouze měřítko kinetické... Teplota je makrostav nebo takový hrubý způsob, jak se dívat na kinetickou energii jednotlivých molekul. Je těžké měřit energii každé z nich, ale pokud řeknete, že jejich průměrná kinetická energie je x, udáváte tím popis jejich teploty. Takže tudy šla energie. Přeměnila se do tepla. A teplo je jen jiná forma energie. Co říká první termodynamický zákon, to stále platí. Měli jste spoustu kinetické energie, která se přeměnila na potenciální, pak do menší kinetické energie. A kam šel ten zbytek? Proměnil se v teplo. Protože předal kinetickou energii molekulám vzduchu v okolí. To by souhlasilo. Takže když jsme tohle vyřešili, jak vlastně měříme množství energie, kterou objekt obsahuje? A tady máme něco, co se nazývá vnitřní energie. Vnitřní energie systému. Ještě jednou, tohle je makrostav. Nebo bychom to mohli nazvat „makropopis“ toho, co se děje uvnitř. Značka vnitřní energie je „U“. To, jak si to pamatuji, je, že slovo „vnitřní“ nezačíná na „U“. U jako vnitřní energie. Vrátím se ke svému příkladu, který jsem udělal minule, v minulém videu, pokud je sledujete popořádku. Takže mám nějakou nádobu s plynem a s pohyblivým stropem nahoře (=píst). Tohle je pohyblivý strop, hýbe se nahoru a dolů. Tam nahoře máme vakuum. A tady mám nějaký plyn. Vnitřní energie je doslova veškerá energie, která je v soustavě. To zahrnuje, pro naše účely, především pokud začali s chemií, kinetickou energii všech atomů a molekul. A v budoucím videu i vypočítám, kolik kinetické energie je v té nádobě. A to bude naše vnitřní energie plus veškeré jiné formy energie. Tyto atomy mají nějakou kinetickou energii, protože se pohybují posuvem, pokud se díváme na mikrostavy. Pokud to jsou pouze individuální atomy, nemůžete říct, že se otáčí, protože co by pro atom znamenalo otáčet se? Protože jeho elektrony jen poskakují okolo. Samostatné atomy se nemohou otáčet, ale pokud to jsou molekuly, mohou se otáčet, vypadají nějak takto. Mohou mít nějakou rotační energii. Tu také zahrnujeme do U. Pokud máme vazby... teď jsem nakreslil molekulu a ta molekula má vazby. Vazby obsahují nějakou energii. Ta je také zahrnuta do vnitřní energie. Pokud mám nějaké elektrony, řekněme, že tohle nebyl... No dobře, tady používám plyn a plyny nejsou dobré vodiče, ale řekněme, že mluvím o pevném skupenství. ...používám špatný nástroj... Takže řekněme, že mám nějaký kov. Tohle jsou moje – udělám jich víc – moje atomy kovu. A v těchto atomech mám spoustu elektronů. To je ta samá barva... mám spoustu... ...jen použiji vhodnou barvu... ...mám spoustu elektronů. A tady jich mám méně. Takže ty elektrony se sem chtějí dostat. Možná jsou kvůli něčemu zastaveny, takže mají elektrický potenciál. Možná je tam zakázaný pás, prostě jim něco brání. Vnitřní energie zahrnuje i tohle. To už je mimo rozsah toho, co uvidíte v prvním ročníku chemie. Ale patří to sem. Také to zahrnuje veškerou formu energie, která zde existuje. Také to zahrnuje, například v kovu, pokud bychom tento kov zahřáli, tak atomy začnou vibrovat, že? Začnou se pohybovat doleva a doprava, nahoru a dolů ve všech možných směrech. A pokud popřemýšlíte o molekule nebo atomu, který vibruje, tak přechází odsud a pak hned támhle a pak jde zase zpátky. Jde stále tam a zpět, že? A pokud popřemýšlíte o tom, co se děje, tak když je uprostřed tohoto pohybu, má hodně kinetické energie, ale v tomto bodě, když má jít zpátky, tak je úplně nehybný po velmi krátkou dobu. Zde je veškerá jeho kinetická energie potenciální energií. Přemění na kinetickou energii. A pak znovu na potenciální. Je to jako takové kyvadlo, je to ve skutečnosti harmonický pohyb. Takže v tomto případě vnitřní energie zahrnuje kinetickou energii molekul, které se rychle pohybují. Ale také zahrnuje potenciální energie molekul, které vibrují, v bodě, kde nemají žádnou kinetickou energii. Takže obsahuje i potenciální energii. Vnitřní energie je doslova veškerá energie, která je v systému. A pro naše potřeby budeme předpokládat, že pracujeme s ideálním plynem. S pevnými látkami, vibracemi, vodivostí a podobně je to mnohem komplikovanější. Předpokládejme, že se zabýváme ideálním plynem. A ještě lépe předpokládejme, že se jedná o jednoatomový ideální plyn. Třeba je to helium nebo neon. Jeden z ideálních plynů. Netvoří spolu vazby. Nevytváří spolu molekuly. Prostě se nepřátelí. Jsou to pouze samostatné atomy. A pokud ignorujeme ostatní věci, můžeme vnitřní energii zjednodušit pouze na kinetickou energii. Ale je nutné si uvědomit, že vnitřní energie je všechno. Je to veškerá energie uvnitř systému. Co je tedy energie systému? Vnitřní energie. Takže první termodynamický zákon říká, že energie nemůže být ani vytvořena, ani zničena, pouze přeměněna. Tak řekněme, že vnitřní energie se mění. Mám nějaký systém a někdo mi řekne: „Podívej, vnitřní energie se mění.“ Takže delta U, to je pouze velká delta, která říká, jaká je změna vnitřní energie. Říká: „Podívej, pokud se tvoje vnitřní energie mění, tvému systému buď někdo něco dělá, nebo tvůj systém dělá něco někomu jinému.“ Nějaká energie je buď systémem přijímána, nebo odevzdávána. Tak, jak to zapíšeme? No, první termodynamický zákon, nebo dokonce definice vnitřní energie, říká, že změna vnitřní energie se rovná teplu dodanému do systému... A znovu máme velmi intuitivní písmeno pro teplo, protože teplo nezačíná na Q, ale konvenční způsob zápisu je Q. Písmeno H patří entalpii, která je velmi, velmi podobná konceptu tepla. O tom si možná povíme v dalším videu. Je rovna teplu dodanému do systému minus práce konaná systémem. Zapisuje se to různě. Někdy je to psané takhle. Někdy se to píše tak, že změna vnitřní energie je rovna teplu, které systému dodáme, plus práci konané na systému. Může to být dost matoucí, ale měli byste pokaždé... Na tohle se budeme dívat 100 různými způsoby v dalším videu. Tohle by mělo být velké U. Jen to opravím na velké U. Budeme to dělat sto různými způsoby. Ale když o tom popřemýšlíte, tak konáním práce ztrácím energii. Přenesl jsem svou energii na někoho jiného. Takže to je konání práce. Stejně tak když mi někdo dodává teplo, zvyšuje moji energii, tedy alespoň pro mě to jsou rozumné, intuitivní definice. Teď když tohle vidíte, řeknete si, fajn, pokud se moje energie zvyšuje, pokud je to pozitivní věc, musí se buď tohle zvětšovat, nebo je na mně konána práce. Nebo je přenesena energie do mého systému. Dám vám více příkladů o tom, co tohle přesně znamená, v dalším videu. Ale chtěl bych, abyste chápali tyto. Uvidíte je pořád a dokonce Vás může zmást, pokud váš učitel používá jenom jeden z nich. Ale měli byste vždy ověřit, zda to dává smysl. Pokud něco koná práci, převádí to svou energii někomu jinému, jasné? Takže pokud konáte práci, tak vám to odebírá vaši vnitřní energii. Stejně tak je přenos tepla dalším způsobem přenosu energie z jednoho systému na druhý nebo z jedné bytosti na druhou. Takže pokud moje celková energie vzrůstá, možná je mému systému dodáváno teplo. Pokud má energie klesá, tak buď někomu předávám teplo, nebo konám nějakou práci. Na tohle téma udělám ještě plno příkladů. Nakonec uvedu několik dalších zápisů, se kterými se můžete setkat. Mohli byste vidět, že změna vnitřní energie se rovná změně... ...napíši to znovu... ...změně vnitřní energie, velké U. Někdy můžete vidět, že napíší delta Q, což trochu naznačuje změnu tepla. V budoucnu vysvětlím, proč to nedává úplně smysl, ale často se to tak píše. Nebo to můžete vidět jako teplo přidané do systému, minus změna práce, což je trochu neintuitivní, protože když mluvíme o teplu nebo o práci, mluvíme o přenosu energie. Pokud mluvíte o změně v přenosu, je to trochu... Takže někdy „deltaW“ znamená práci konanou systémem. Takže pokud máte nějakou energii a děláte nějakou práci, ztratili jste energii, odevzdali jste ji někomu jinému, měli byste znaménko minus. Nebo byste to mohli vidět zapsané takto: Změna vnitřní energie se rovná teplu přidanému... Chtělo by se číst změna tepla, budu tomu prostě říkat teplo přidané, plus práce konaná na systému. Takže tohle je práce konaná na systému a tohle práce konaná systémem. Jedno z toho. A tohle byste si ani neměli pamatovat, měli byste o tom jen chvíli přemýšlet. Pokud konám práci, odevzdávám energii. Pokud je práce konaná na mě, přijímám energii. Pokud ztratím teplo, pokud je tohle záporné číslo, tak ztrácím energii. Pokud přijímám teplo, dostávám energii. Tak, tohle bude v tomto videu vše. V dalším videu rozkouskujeme vzorce vnitřní energie 100 různými způsoby.
video