載入中...
相關課程

登入觀看
⇐ Use this menu to view and help create subtitles for this video in many different languages.
You'll probably want to hide YouTube's captions if using these subtitles.
First Law of Thermodynamics/ Internal Energy : First law of thermodynamic and Internal Energy
相關課程
0 / 750
- 目前我已經做了很多有關熱力學的影片
- 無論是化學還是物理的課程中
- 然而我發現我還沒教過
- 或者 至少我沒記錯的話
- 我還沒講過熱力學第一定律
- 而我認爲現在是最好的時機
- 熱力學第一定律
- 它還是個很不錯的定律
- 它告訴我們能量…
- 我用紅色來寫吧
- 能量不能被創造也不能被毀滅
- 它只能從一種形式轉化爲另一種形式
- 所以 能量不能被創造或毀滅
- 只能轉化
- 那麽我們來思考一下這樣一些例子
- 而我們已經提到過了
- 在我們物理的力學和動力學
- 課程中
- 並且在化學課程中
- 也經常用到了
- 那麽假設有一些石頭
- 我用盡全力將它們豎直向上扔
- 它也可以是個球
- 那麽我豎直向上扔一個球
- 這箭頭表示速度向量 對嗎?
- 它將在空中向上運動
- 我在這表示吧
- 我扔一個球 然後它會向上運動
- 由於重力 它會減速
- 而在某個點 在這
- 球將沒有任何速度
- 所以在這點 它將減速一點
- 在這點 速度減少更多
- 而在這點 它將完全靜止
- 然後它將加速下降
- 事實上 它會一直加速下降
- 它減速擧升
- 然後將開始加速下降
- 所以在這裡 它的速度會像這樣
- 而在這裡 會是這樣
- 然後它正好落到地上時
- 假設我們忽略氣動阻力
- 它的速度和擧升時的 大小相等
- 但是方向朝下
- 那麽我們來看這個例子
- 而在物理課程的抛體運動中
- 我們已經分析過好多次了
- 在這我們說 呐
- 在這有一些動能
- 這是很合理的
- 我覺得 對於我們所有人來說
- 能量直觀上表示 你正在運動
- 所以動能
- 運動的能量
- 它正在運動 所以它有能量
- 但是當向上減速到這時
- 就沒有動能了 動能爲0
- 那能量去哪了呢?
- 我剛剛說過熱力學第一定律
- 能量不能被創造或毀滅
- 但是在這 確實有很大的動能
- 而且我們已經見過它的公式很多次了
- 而這沒有動能
- 那顯然 動能消失了
- 但是熱力學第一定律告訴我
- 那是不可能的
- 所以動能一定是被轉化了
- 動能一定是被轉化爲
- 其它形式的能量了
- 而在球的這個例子中
- 它轉化成了勢能
- 所以在這 有勢能
- 我不打算做具體計算了
- 但是勢能只是
- 轉化爲其它形式能量的潛能
- 我想這是最簡單的分析
- 但是思考它的方式是
- 看 球就在這兒
- 而通過它在宇宙中的位置
- 如果沒有東西阻止它的話
- 它將降落
- 或許它會被轉化爲
- 另一種形式的能量
- 現在讓我來問你另一個問題
- 如果說我向上扔這個球
- 假設真的有一些氣動阻力
- 那我向上扔這個球
- 在這兒 有很大的動能
- 然後在最高點
- 就全變成了勢能
- 動能消失了
- 假設有氣動阻力
- 那當球下落
- 空氣會使它減速
- 那麽當它到達最低點時
- 它的速度就沒有我扔出去時的那麽大
- 那麽到達最低點時
- 我的球就會
- 比我扔出去時的慢很多
- 如果你思考一下這個過程…
- 在這兒 有很大的動能
- 我會給出公式
- 動能等於球的質量
- 乘以球的速度的平方
- 這就是這點的動能
- 然後我向上扔
- 它全部轉化爲勢能
- 然後它下落 又轉化爲動能
- 但是由於氣動阻力的緣故
- 這裡的速度變小了
- 這兒的速度比這兒小
- 這裡動能僅取決於
- 速度的大小
- 我在這兒加了絕對值是爲了突出
- 我們討論的是速度的大小
- 所以這兒的動能明顯變小了
- 這裡動能比這兒的小 對嗎?
- 而且 一點勢能都沒有了
- 假設這是地面
- 已經落到地面了
- 那麽難題就出現了
- 你知道 如果我從有動能
- 到這裡沒有動能
- 我可以求助第一定律
- 噢 這是爲什麽? 而熱力學第一定律說 Sal啊
- 它全部轉化爲勢能了
- 而且你也發現它變爲了勢能
- 因爲當球加速下落時
- 它又轉化爲動能
- 但是我又會說 不是這樣的 熱力學第一定律先生
- 呐 在這點上 我沒有勢能
- 全部都是動能
- 而且是很大的動能
- 現在在這點 我還是沒有勢能
- 但是動能卻減少了
- 球落地的速度
- 比被扔出去的速度小
- 於是熱力學第一定律解釋道
- 哦 因爲這有空氣
- 我會說 確實是有空氣
- 不過能量去哪了呢?
- 然後熱力學第一定律又解釋道
- 哦 當球下落時…
- 嗯… 這是那個球
- 我把球畫成黃色吧
- 那麽當球下落時
- 它會與空氣中的粒子摩擦
- 它會與空氣中的分子摩擦
- 而當這些分子和球碰撞時
- 會有一點摩擦
- 摩擦是必然的
- 球會使它碰撞的這些分子
- 振動更劇烈
- 而從根本上說 如果你想一想
- 如果你回到宏觀或微觀問題
- 或者以前討論過的其他問題
- 這個球一定會把它的動能傳遞
- 給空氣中的分子
- 當它下落時與之摩擦的分子
- 其實 在擧升時也同樣如此
- 所以你以爲在底部
- 丟失的或者毀滅的那部分動能
- 由於球變慢很多而消失的能量
- 事實上是傳遞給了空氣中的粒子
- 傳遞給了大量空氣中的粒子
- 現在 幾乎不可能
- 精確估量作用在
- 每個粒子上的動能大小
- 因爲我們甚至不知道
- 它們開始時的微觀狀態
- 但是我們可以肯定的是
- 總的來說 一些熱量被傳遞給了這些粒子
- 使這些粒子的溫度升高
- 通過球下落 與這些粒子摩擦
- 給它們動能
- 記住 溫度是動能的一個表現…
- 溫度是一個宏觀量
- 或者是估量獨立分子動能的
- 一個比較粗略
- 且宏觀的方式
- 很難去測量它們每個的動能
- 但如果假設它們的平均動能是x
- 你實際上是給出了一個溫度指標
- 所以這就是能量的去處
- 它變成了熱量
- 熱量是能量的另一種形式
- 因此熱力學第一定律說
- 我還hold得住
- 開始有很多動能 後來轉化爲了勢能
- 又轉化爲較少的動能
- 其余的去哪了呢?
- 它變爲了熱量
- 因爲它把那部分動能
- 傳遞給了周圍的這些粒子
- 好啦
- 那既然我們已經弄清楚了方式
- 我們怎樣衡量一些物質包含的
- 能量的大小呢?
- 在這我們有叫作熱力學能的東西\N【譯者注:熱力學能與內能並不嚴格等價,\N但在此課程中忽略兩者差異】
- 係統的熱力學能
- 有一次出現了宏觀量
- 或者你可以看作是
- 關於目前狀況的宏觀描述
- 熱力學能叫作U
- 我記憶方法是
- 這個詞不是以U開頭的
- U代表熱力學能
- 讓我回到
- 以前的例子
- 在以前的影片中舉過的
- 如果你按順序看了…
- 有個裝置
- 一些氣體上方帶有可移動的的隔膜
- 這就是可移動的隔膜
- 它能上下移動
- 上面是真空
- 下面有一些氣體
- 熱力學能就是
- 係統中所有的能量
- 那麽它包括 就我們要求範圍內
- 尤其如果你正學習大一化學
- 它就是所有原子或分子的動能
- 而在以後的影片中 我會具體計算
- 容器中的動能是多少
- 而那其實就是熱力學能
- 加上其它所有的能量
- 那這些原子 它們有一些動能
- 因爲它們有一些平移運動
- 如果我們從微觀上看的話
- 如果它們只是單獨的原子
- 那就不能說它們正在轉動
- 因爲單個原子轉動有什麽意義呢 對吧?
- 因爲它的電子只是隨意在周圍跳動
- 所以如果它們是單獨的 就不能轉動
- 但是如果是分子的話就可以轉
- 如果它看起來是這樣的
- 就會有一些轉動能量
- 它包含這個
- 如果有些鍵
- 那我來畫一個分子
- 分子中有鍵
- 這些鍵包含一些能量
- 這也包含在熱力學能中
- 如果還有些電子
- 假設這不是一個…
- 我舉例用的是氣體
- 而氣體不是好的導體
- 所以假設現在舉例的是固體
- 我用了錯誤的工具
- 那假設有一些金屬
- 這是金屬原子 我多畫點
- 而在這個金屬原子附近 有…
- 有大量電子
- 這是一樣的顏色
- 有大量的…
- 我換個不同的顏色
- 在這有大量電子
- 而這裡少一點
- 所以這些電子想到這兒來
- 可能由於某些原因 它們被阻止了
- 所以它們有一定的電勢
- 可能這裡有個禁帶 你懂的
- 它們不能像那樣傳導電子
- 熱力學能也包含這個
- 正常來說 這已經超出了你會看到的
- 大一化學課程的範疇
- 但是它確實包含這個
- 它也包含這存在的
- 所有形式的能量 它也包含…
- 例如 一個金屬
- 如果給金屬加熱
- 它們開始振動 對嗎?
- 它們開始上下左右移動
- 四面八方
- 如果你單獨研究正在振動的
- 一個分子或原子
- 它從這邊來 然後向這邊去
- 然後又回到這
- 它前後移動 對嗎?
- 而如果你想一下目前的狀態
- 當它處於中間點時
- 它有很大的動能
- 但是在這點
- 當它正要回去時
- 它在超短的一瞬間是完全靜止的
- 在這點
- 所有動能變爲勢能
- 然後變爲動能
- 接著又變爲勢能
- 它有點像一個鍾擺
- 或者它其實是在共振動
- 那在這種情況下 熱力學能也包括
- 正在快速移動的
- 分子的動能
- 並且也包括正在振動的
- 分子的勢能
- 在這點它們沒有動能
- 所以它也包括勢能
- 所以熱力學能是係統中
- 所有能量之和
- 而對於大多數情況
- 假設我們正在討論理想氣體
- 相比之下
- 固體要更複雜
- 在導電性、振動還有其他方面
- 假設正在討論理想氣體
- 爲了更方便 我們假設
- 討論的是單原子理想氣體
- 或許這就是氦氣(He) 或是氖氣(Ne)
- 其中一個理想氣體
- 原子之間沒有力的作用
- 也不會形成分子
- 我們假設它們不會
- 它們就是獨立的原子
- 而在這種情況下 熱力學能
- 可以被簡化成動能
- 如果我們忽略其它的這些
- 但是要意識到
- 熱力學能是所有的能量
- 它是一個係統內部所有能量
- 如果你說 係統的能量是什麽呢?
- 它是熱力學能
- 所以 熱力學第一定律陳述道
- 能量不能被創造或毀滅
- 只能轉化
- 所以假設熱力學能正在改變
- 對於這個係統 有人告訴我
- 呐 熱力學能正在改變
- 那麽ΔU 表示變量
- 熱力學能的改變量是多少呢?
- 它會說 呐 如果熱力學能變了
- 要麽 是環境對係統做了什麽
- 要麽 是係統對環境做了什麽
- 一些能量被輸入了
- 或輸出了
- 那麽 我們要怎麽寫這個?
- 熱力學第一定律
- 或者熱力學能的定義
- 表示 熱力學能的改變
- 等於向係統傳遞的熱量
- 又一次 用直觀的字母代表熱量
- 因爲熱量不是以Q開頭的
- 但是慣例是用Q表示熱量
- 字母h是留給焓的
- 它的概念和熱量非常十分極其類似
- 可能我們會在下集中講到那個
- 它等於向係統傳遞的熱量
- 減去係統對外做的功
- 你可能會看到很多表示方法
- 有時候也被寫成這樣
- 有時也這樣寫
- 熱力學能的改變
- 等於向係統傳遞的熱量
- 加上外界對係統做的功
- 這可能很令人困惑
- 但是你應該…
- 而且我們在下集中會看到
- 100種不同的寫法
- 事實上這是一個大寫的U
- 我來明確一下我寫的是大寫U
- 但是我們會用100種不同的方式來表示
- 不過 如果你想一下
- 如果做功 能量會減少
- 就把能量傳遞給別人了
- 這就是做功
- 同樣地 如果給係統提供熱量
- 將會使能量增加
- 至少對於我來說
- 這些是很直觀的定義
- 現在如果看這個 你會說
- 好吧 如果能量增加
- 如果這是正的
- 要麽使熱量增加
- 要麽對係統做功
- 或者說能量被輸入到係統中了
- 在下集中我會舉更多例子
- 來解釋這到底意味著什麽
- 但是我只是想讓你
- 對這兩個都熟悉
- 因爲你會不斷看到它們
- 即使你的老師只使用其中一個
- 你也可能會困惑
- 但是你總是應該檢查一下正誤
- 當物體做功了
- 它把能量傳遞給其他物體 對嗎?
- 所以如果對外做功 將會帶走
- 帶走熱力學能
- 同樣地 熱傳遞是另一種方式
- 使能量從一個係統轉移到另一個
- 或者從一個實體到另一個
- 所以如果總能量增加了
- 可能是熱量輸入了係統
- 如果能量減少了
- 要麽是係統中熱量減少了
- 要麽是係統對外做功了
- 我會舉出很多那樣的例子
- 而且我要把你可能遇到的其它寫法
- 留給你自己處理
- 你可能會看到熱力學能的變化
- 等於…
- 讓我再寫一個
- 熱力學能的改變 大寫U
- 有時你會看到 ΔQ
- 那表示熱量的改變
- 不過我會在以後的影片中解釋
- 爲什麽這並不完全合理
- 但是你會經常看到
- 不過你也可以把這個看成是
- 向係統傳遞的熱量
- 減去功的改變
- 這不是很直觀
- 因爲當你討論熱量或功時
- 你在討論能量的傳遞
- 所以如果你討論傳遞中的變化
- 它就變得有點…
- 所以有時候ΔW
- 只表示係統對外做的功
- 顯而易見 如果你有一些能量
- 你對外做功
- 你的能量減少 傳遞給別人了
- 這裡就有個負號
- 或者你也可能看到這樣表示的
- 熱力學能的改變等於增加的熱量…
- 我不會那樣說
- 盡管這看起來是“變化”量
- 我只會叫這個是“增加”的熱量
- 加上對係統做的功
- 所以這是對係統做的功
- 係統對外做的功
- 都可以
- 你甚至不必記住這個
- 你只需要多想一想
- 如果做功將是能量減少
- 如果外界對自身做功 獲得能量
- 如果失去熱量 如果這是一個負數
- 能量將減少
- 如果獲得熱量 能量增加
- 好啦 這集就到這裡
- 下集 我們會試著消化
- 熱力學能公式的100種不同的寫法