14.1: Енергетика, тепло та робота

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18993

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Переконайтеся, що ви добре розумієте наступні основні ідеї:

Потенційна енергія об'єкта відноситься до його розташування, але є одна додаткова вимога, яка повинна бути задоволена, щоб потенційна енергія була присутня. Поясніть і наведіть приклад.
Розрізняють природу кінетичної енергії, пов'язаної з макроскопічними тілами, і яка знаходиться в мікроскопічних об'єктах, таких як атоми та молекули.
Опишіть значення і витоки «хімічної» енергії.
Визначте калорійність.
Тепло і робота обидва виражаються в енергетичних одиницях, але вони відрізняються від «звичайної» енергії фундаментальним чином. Поясніть.
... і констатувати різницю між теплом і роботою.

Всі хімічні зміни супроводжуються поглинанням або виділенням тепла. Інтимний зв'язок між матерією та енергією був джерелом дива та спекуляцій з найпримітивніших часів; невипадково вогонь вважався одним із чотирьох основних елементів (поряд із землею, повітрям та водою) ще в п'ятому столітті до н.е. У цьому блоці ми розглянемо деякі основні поняття енергії і тепла і співвідношення між ними. Ми почнемо вивчення термодинаміки, яка розглядає енергетичні аспекти змін в цілому, і ми нарешті застосуємо це конкретно до хімічних змін. Нашою метою буде надати вам інструменти для прогнозування енергетичних змін, пов'язаних з хімічними процесами. Це створить основу для більш амбітної мети: передбачити напрямок і масштаби самих змін.

Що таке енергія?

Енергія є одним з найбільш фундаментальних і універсальних концепцій фізичної науки, але той, який надзвичайно важко визначити таким чином, що є значущим для більшості людей. Це, мабуть, відображає той факт, що енергія - це не «річ», яка існує сама по собі, а скоріше є атрибутом матерії (а також електромагнітного випромінювання), яка може проявлятися по-різному. Його можна спостерігати і вимірювати лише побічно через його вплив на матерію, яка набуває, втрачає або володіє нею.

Концепція, яку ми називаємо енергією, розвивалася дуже повільно; було потрібно більше ста років просто, щоб люди домовилися про визначення багатьох термінів, які ми використовуємо для опису енергії та взаємоперетворення між її різними формами. Але навіть зараз більшість людей мають певні труднощі в поясненні, що це таке; якось визначення, яке ми всі вивчили в елементарній науці («здатність працювати»), здається менш ніж адекватним, щоб передати його значення. Хоча термін «енергія» не використовувався в науці до 1802 року, давно було висловлено припущення, що певні властивості, пов'язані з рухами об'єктів, демонструють витривалість, яка включена в сучасне поняття «збереження енергії». Рене Декарт (1596-1650) прямо заявив про це:

Коли Бог створив світ, Він «змусив деякі його частини штовхати інших і передавати свої рухи іншим...» і таким чином «Він зберігає рух». *

У 17 столітті великий математик Готфрід Лейбніц (1646-1716) запропонував різницю між vis viva («жива сила») і vis mortua («мертва сила»), яка згодом стала називатися кінетичною енергією (1829) та потенційною енергією (1853).

Кінетична енергія та потенційна енергія

Якою б не була енергія, існує в основному два види. Кінетична енергія пов'язана з рухом об'єкта, і її прямі наслідки є частиною щоденного досвіду кожного; чим швидше м'яч ви ловите в руці, і чим він важчий, тим більше ви його відчуваєте. Кількісно тіло з масою m і рухається зі швидкістю v володіє кінетичною енергією mv ^{2 /2}.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Гвинтівка стріляє кулею 4,25 г зі швидкістю 965 м с ^—1. Яка його кінетична енергія?

Рішення

Єдина додаткова інформація, яка вам потрібна тут, полягає в тому, що

1 Дж = 1 кг м ² с ^—2:

КЕ = ½ × (0,00425 кг) (965 м с ^—1) ² = 1980 Дж

Потенційна енергія - це енергія, яку тіло має в силу свого розташування. Але є ще одне: тіло повинно піддаватися якоїсь «відновлювальної сили», яка прагне перемістити його в місце нижчої потенційної енергії. Подумайте про стрілу, яка піддається силі від розтягнутої тятиви; чим щільніше стріла відтягується назад до струни, тим більше потенційної енергії вона має. Загалом, відновлювальна сила походить від того, що ми називаємо силовим полем - гравітаційним, електростатичним або магнітним полем. Ми весь час спостерігаємо наслідки гравітаціїa l потенційної енергії, наприклад, коли ми ходимо, але рідко даємо їй якусь думку.

Якщо об'єкт масою m піднімається від підлоги на висоту h, його потенційна енергія збільшується на mgh, де g - константа пропорційності, відома як прискорення сили тяжіння; її значення на земній поверхні становить 9,8 м с ^—2.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Знайдіть зміну потенційної енергії підручника 2,6 кг, який падає з 66-сантиметрової висоти стільниці на підлогу.

Рішення

ПЕ = м г h = (2,6 кг) (9,8 м с ^—2) (0,66 м) = 16,8 кг м ² с ^—2 = 16,8 Дж

Аналогічно потенційна енергія частинки, що має електричний заряд q, залежить від її розташування в електростатичному полі.

«Хімічна енергія»

Електростатична потенційна енергія відіграє головну роль в хімії; потенційні енергії електронів в силовому полі, створеному атомними ядрами, лежать в основі хімічної поведінки атомів і молекул.

«Хімічна енергія» зазвичай відноситься до енергії, яка зберігається в хімічних зв'язках молекул. Ці зв'язки утворюються, коли електрони здатні реагувати на силові поля, створені двома або більше атомними ядрами, тому їх можна розглядати як прояви електростатичної потенційної енергії.

В екзотермічній хімічній реакції електрони і ядра всередині реагентів піддаються перестановці на продукти, що володіють нижчими енергіями, і різниця виділяється в навколишнє середовище у вигляді тепла.

Взаємоперетворення потенційної та кінетичної енергії

Переходи між потенційною та кінетичною енергією - настільки інтимна частина нашого повсякденного життя, що ми навряд чи даємо їм задуматися. Це трапляється при ходьбі, коли тіло рухається вгору і вниз. Наші тіла використовують хімічну енергію в глюкозі, щоб тримати нас в теплі і рухати наші м'язи. Насправді саме життя залежить від перетворення хімічної енергії в інші форми.

Енергія зберігається: її не можна ні створити, ні зруйнувати. Отже, коли ви йдете в гору, ваша кінетична енергія перетворюється на потенційну енергію, яка перетворюється назад в кінетичну енергію, коли ви узбережжі вниз по іншій стороні. І звідки взялася кінетична енергія, яку ви витратили на торгівлю в гору? Завдяки перетворенню частини хімічного потенціалу енергії в вашу кашу для сніданку.

При падінні книги її потенційна енергія перетворюється в кінетичну енергію. Коли він б'є об підлогу, це перетворення завершено. Що ж тоді відбувається з енергією? Кінетична енергія, яка в момент удару раніше розташовувалася виключно в рухомій книзі, тепер стає спільною між книгою і підлогою, і у вигляді рандомізованих теплових рухів молекулярних одиниць, з яких вони зроблені; ми можемо спостерігати цей ефект як підвищення температури.
← Значна частина потенційної енергії падаючої води може бути захоплена водяним колесом або іншим пристроєм, що перетворює кінетичну енергію вихідної води в кінетичну енергію. Вихід гідроелектростанції прямо пропорційний її висоті над рівнем турбін генератора в долині нижче. У цей момент кінетична енергія вихідної води передається турбіні, більша частина якої (до 90 відсотків у найбільших установках) потім перетворюється в електричну енергію.
Чи буде температура води на дні води падати більшою, ніж у верхній частині? Сам Джеймс Джоуль передбачив, що так і буде. Було підраховано, що при падінні Ніагра, що повне перетворення потенційної енергії 1 кг води на вершині в кінетичну енергію при попаданні в глибокий басейн 58 метрів нижче призведе до підвищення температури приблизно на 0,14° С. (Але ускладнень багато. Наприклад, частина води при падінні розпадається на крихітні крапельки, а вода випаровується з крапель досить швидко, виробляючи охолоджуючий ефект.)
Хімічна енергія також може бути перетворена, принаймні частково, в електричну енергію: це те, що відбувається в акумуляторі. Якщо високоекзотермічна реакція також виробляє газоподібні продукти, останні можуть розширюватися настільки швидко, що результатом є вибух - чисте перетворення хімічної енергії в кінетичну енергію (включаючи звук).

Теплова енергія

Кінетична енергія пов'язана з рухом, але двома різними способами. Для макроскопічного об'єкта, такого як книга або куля, або посилка проточної води, він просто дається ½ mv ².

Але як ми вже згадували вище, коли об'єкт опускається на підлогу, або коли екзотермічна хімічна реакція нагріває навколишнє речовина, кінетична енергія розсіюється в молекулярні одиниці в навколишньому середовищі. Ця «мікроскопічна» форма кінетичної енергії, на відміну від швидкості кулі, абсолютно випадкова у видах рухів, які вона проявляє, і в її напрямку. Ми називаємо це «термічною» кінетичною енергією, або частіше просто тепловою енергією. Ми спостерігаємо наслідки цього як підвищення температури навколишнього середовища. Температура тіла - це пряма міра кількості теплової енергії, яка міститься.

Теплова енергія ніколи не підлягає повному відновленню

Після термізації кінетичної енергії тільки частина її може бути перетворена назад в потенційну енергію. Залишок просто розсіюється і розбавляється в навколишньому середовищі, і ефективно втрачається.

Підводячи підсумок, то:

Потенційна енергія може бути повністю перетворена в кінетичну енергію..
Потенційна енергія також може бути перетворена, з різним ступенем ефективності, в електричну енергію.
Кінетична енергія макроскопічних об'єктів може передаватися між об'єктами (виключаючи наслідки тертя).
Після того, як кінетична енергія стає термічною, тільки частина її може бути перетворена назад в потенційну енергію або бути зосереджена назад в кінетичну енергію макроскопічної. Це обмеження, яке не має нічого спільного з технологією, але є фундаментальною властивістю природи, є предметом другого закону термодинаміки.
Пристрій, який призначений для здійснення часткового перетворення теплової енергії в організовану кінетичну енергію, відомий як тепловий двигун.

Енергетичні ваги та одиниці

Спочатку ви можете подумати, що книга, що сидить на столі, має нульову кінетичну енергію, оскільки вона не рухається. Але якщо задуматися, то сама земля рухається; вона обертається на своїй осі, обертається навколо Сонця, а саме сонце віддаляється від інших зірок в загальному розширенні Всесвіту. Оскільки ці рухи, як правило, нас не цікавлять, ми вільні прийняти довільну шкалу, в якій швидкість книги вимірюється по відношенню до таблиці; на цій так званій лабораторній системі координат кінетичну енергію книги можна вважати нульовою.

Те ж саме робимо і з потенційною енергією. Якщо книга стоїть на столі, її потенційна енергія по відношенню до поверхні столу буде дорівнює нулю. Якщо ми приймемо це як наш нуль потенційної енергії, а потім зіштовхнемо книгу зі столу, її потенційна енергія буде негативною після того, як вона досягне підлоги.

Енергія вимірюється з точки зору її здатності виконувати роботу або передавати тепло. Механічна робота проводиться, коли сила f зміщує об'єкт на відстань d: w = f × d.

Основною одиницею енергії є джоуль. Один джоуль - це обсяг виконаної роботи, коли сила 1 ньютон діє на відстані 1 м; таким чином 1 J = 1 N-м. Ньютон - величина сили, необхідна для розгону 1-кг маси на 1 м/сек ², тому основні розміри джоуля складають кг м ² с ^—2. Інші дві одиниці в широкому вживанні. калорійність і БТУ (британська теплова одиниця) визначаються з точки зору нагрівального впливу на воду. Через безліч форм, які може приймати енергія, існує відповідно велика кількість одиниць, в яких вона може бути виражена, деякі з яких узагальнені нижче.

1 калорія підвищить температуру 1 г води на 1 С°. «Дієтична» калорійність насправді становить 1 ккал. Середній молодий доросла людина витрачає близько 1800 ккал в день тільки для того, щоб залишитися в живих. (Ви повинні знати це визначення)	1 кал = 4,184 Дж
1 BTU (Британська теплова одиниця) підвищить температуру 1 фунт води на 1F°.	1 БРИТАНСЬКИЙ ТЕРМІНАЛ = 1055 ДЖ
Ерг - це cgs. одиниця енергії і дуже мала; робота, виконана, коли сила 1-дин діє на відстані 1 см.	1 Дж = 10 ⁷ ерг 1 ерг = 1 д-см = 1 г см ² с ^—2
Електрон-вольт ще менше: 1 е-в - це робота, необхідна для переміщення одиниці електричного заряду (1 С) через різницю потенціалів в 1 вольт.	1 Дж = 6,24 × 10 ¹⁸ е-в
Ватт - одиниця потужності, яка вимірює швидкість потоку енергії в Дж сек ^—1. Таким чином, ват-годину є одиницею енергії. Середня людина споживає енергію зі швидкістю близько 100 Вт; один мозок працює приблизно на 5 Вт.	1 Дж = 2,78 × 10 ^—4 ват-год 1 Вт-год = 3,6 кДж
Літр-атмосфера - це варіант роботи силового витіснення, пов'язаної зі зміною обсягу газів.	1 л атм = 101,325 Дж
Величезні кількості енергії, споживаної містами і країнами, виражаються в квадах; терм - аналогічна, але менша одиниця.	1 квад = 10 ¹⁵ Бте = 1,05 × 10 ¹⁸ Дж
Якщо об'єкт полягає в знищенні міст або країн з ядерною зброєю, енергетичною одиницею вибору є тонна тротилового еквівалента.	1 тонна тротилу = 4,184 ГДж (за визначенням)
Що стосується викопного палива, ми маємо еквівалент бареля нафти, еквівалент кубічного метра природного газу та еквівалент тонни вугілля.	1 кістка = 6.1 Гб 1 см = 37-39 мм 1 раз = 29 ГБ

Тепло і робота

Тепло і робота вимірюються в одиницях енергії, тому вони обидва повинні представляти енергію. Чим вони відрізняються один від одного, і від просто простої «енергії» самої? Нашою повсякденною мовою ми часто говоримо, що «цей об'єкт містить багато тепла», але подібного роду розмови є ні-ні в термодинаміці! Можна сказати, що об'єкт «гарячий», це означає, що його температура висока. Термін «тепло» має особливе значення в термодинаміці: це процес, при якому тіло (вміст чайника, наприклад) набуває або втрачає енергію як прямий наслідок того, що вона має іншу температуру, ніж його оточення (решта світу).

Тепло та робота - це процеси, і їх не можна зберігати

Теплова енергія може надходити тільки від більш високої температури до більш низької температури. Саме цей потік і становить «тепло». Використання терміна «потік» тепла нагадує уявлення 18 століття про те, що тепло - це фактична речовина під назвою «калорійність», яка може текти, як рідина.

Тепло передається провідністю або випромінюванням

Передача теплової енергії може бути здійснена шляхом приведення двох тіл в фізичний контакт (чайник зверху плити, або через електричний нагрівальний елемент всередині чайника). Іншим механізмом передачі теплової енергії є випромінювання; гарячий об'єкт буде передавати енергію будь-якому тілу, що знаходиться на його увазі, за допомогою електромагнітного випромінювання в інфрачервоній частині спектра. У багатьох випадках буде активною комбінація режимів. Таким чином, коли ви поміщаєте банку пива в холодильник, обидва процеси працюють: банка випромінює тепло на холодні поверхні навколо нього, і поглинає його прямою провідністю від навколишнього повітря.

Так що ж таке робота?

Робота відноситься до передачі енергії деякими засобами, які не залежать від різниці температур.

Робота, як і енергія, може приймати різні форми, найбільш звичною є механічна і електрична. Механічна робота виникає, коли об'єкт рухається на відстань Δ x проти протилежної сили f:

\[w= f Δ х N ^ {-м}\]

з\(1\, N^{-m}\) = 1\, Дж.\)

Електромонтажні роботи виконуються тоді, коли тіло, що має заряд q, рухається через різницю потенціалів Δ V.

Робота, як і тепло, існує тільки тоді, коли передається енергія.Коли два тіла поміщаються в тепловий контакт і енергія надходить від більш теплого тіла до більш холодного, ми називаємо процес «теплом». Передача енергії в систему або від системи будь-яким іншим способом, крім тепла, називається «роботою».

Взаємоперетворюваність тепла і роботи

Робота може бути повністю перетворена в тепло (тертям, наприклад), але тепло може бути лише частково перетворено в роботу. Перетворення тепла в роботу здійснюється за допомогою теплового двигуна, найпоширенішим прикладом якого є звичайний бензиновий двигун. Наука про термодинаміку розвивалася з необхідності розуміння обмежень парових теплових двигунів на початку індустріальної епохи. Основний закон природи, Другий закон термодинаміки, стверджує, що повне перетворення тепла в роботу неможливо. Про що варто подумати, купуючи паливо для свого автомобіля!