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First Law of Thermodynamics/ Internal Energy : First law of thermodynamic and Internal Energy
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- 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