A termodinamika első főtétele – bevezetés

Ismerkedjünk meg a termodinamika első főtételével. Mielőtt beszélni kezdenénk róla, felmerülhet a kérdés: mi fán terem a termodinamika? Erre a szó eredete ad magyarázatot. A termo- előtag a hőmérsékletre utal. A -dinamika pedig ennek a változásaira, arra, hogy hogyan „viselkedik” a hőmérséklet. Nagyjából ez a termodinamika lényege. A hővel és a hőmérséklettel foglalkozik, és azzal, mi köze van ennek az energiához és a munkához, és hogy az energiafajták hogyan alakíthatók át egymásba. Ez a termodinamika első főtételének a lényege, amiről már szóltunk a „Bevezetés az energiába” című videóban. A termodinamika első főtétele kimondja, hogy az energia... ez fontos, le is írom, az energia nem keletkezhet, és nem veszhet el, csupán átalakítható egyik formából a másikba. Ma nem megy az írás. Csak átalakítható egyik formából a másikba. Át is adható, de nem keletkezhet, és nem veszhet el. Ezt az egész videót arra szántam, hogy ezt megértessem. Egy sor példán át bemutatom, hogy mi az az energia, amit vizsgálunk, ami megfigyelhető egy rendszerben, és végiggondoljuk, hogy honnan származik, hogy belássuk, hogy nem a semmiből jön, és nem tűnik el, és nem semmisül meg. Vegyünk például egy villanykörtét. Azt javaslom, hogy állítsd meg a videót, és gondold át, milyen formákban látható itt az energia, majd azt, hogy ez honnan származik, és hová lesz? Az energia leginkább szembetűnő formája – és egyben a villanykörte lényege – az a sugárzási energia, amit látunk. Elektromágneses hullámokat, azaz fényt látunk, amit a körte bocsát ki. A fény tehát sugárzási energia. Ez a sugárzási energia az izzószálból származik. A rajta áthaladó elektronok hőt gerjesztenek, így hőenergia keletkezik. Tehát hőenergia is keletkezik. De honnan ered ez a sugárzási és hőenergia? A termodinamika első főtétele szerint nem a puszta levegőből keletkezett, hanem valamiből átalakult vagy átadódott. Az előbb utaltam arra, hogy a hőenergia a szálon áthaladó elektronok mozgásából fakad. Áthaladnak a szálon, amelynek ellenállása van, ez pedig hőt termel. Az elektronok áthaladnak rajta, és miközben áthaladnak az ellenálláson, hőt termelnek. Ez tehát az elektronok mozgási (kinetikus) energiája. Rövidítve KE-vel jelölöm. Ez az elektronok kinetikus energiája. Honnan ered ez a kinetikus energia? Ennek a forrása a potenciális energia. Ez a vezeték be van dugva valamilyen csatlakozóba. Iderajzolok egy konnektort. Ebben a csatlakozóban, mondjuk az otthoni konnektorban, elektrosztatikus potenciál van jelen a két érintkező között. Amikor csatlakoztatjuk, az elektronok mozgásba jönnek. Az egyen- és váltóáramról is szólunk még, de elektrosztatikus potenciálkülönbség van jelen e két pont között, amikor ebben az irányban áramlanak az elektronok. Tehát a potenciális energia átalakul az elektronok mozgási energiájává, azaz árammá, és ez alakul át hőenergiává és sugárzási energiává. Mi történik azután, hogy kihúzzuk a lámpát? A lámpa elsötétül. Hová lett mindez az energia? Ott van még? A hőenergia továbbra is távozik a rendszerből. Mivel ez egy nyílt rendszer, a gáz, ami a villanykörtében van... nem nagyon látszik a körte, de valahol itt van. Ez felmelegszik, majd felmelegíti az üveget, ami felmelegíti a környező levegőt. A hőenergia tehát átadódik, és ez a sugárzási energia távozik, hasznosulhat, átalakulhat másfajta energiává, leginkább hőenergiává. Valószínűleg ez is felmelegít majd valamit. Mi történik egy billiárdasztalon? Ha meglökünk egy billiárdgolyót, hová lesz ez az energia? Egy része átadódhat egy másik golyónak, onnan pedig egy újabb golyónak. De aki billiárdozott valaha, az tudja, hogy végül mindegyik megáll. Hová lett az energia? Nos, gurulás közben a levegő ellenállást fejtett ki, a golyók beleütköztek a levegő molekuláiba, a levegő pedig súrlódást okoz. Ez az energia hővé alakult. Gyakran tapasztalható, hogy a rendszerek működése közben jóval több energia alakul át hővé, mint amennyi munkaként hasznosul. A billiárdgolyó mozgása közben a levegővel érintkezik, így a mozgási energia egy része hőenergiává alakul. Súrlódást okoz az asztal filcborítása is. Súrlódás közben a molekulák egymáshoz dörzsölődnek, és ez is hővé alakul. Mivel a mozgási energiát a súrlódás folyamatosan felemészti, a mozgási energia hőenergiává alakul, így végül a mozgási energia elfogy. Mi történik a súlyemelővel? Ő azt a kémiai energiát használja, amelyet az izmaiban lévő ATP raktároz. Ez mozgási energiává alakul, ami mozgatja az izmait, amik megemelik a súlyt. De amikor eléri ezt a helyzetet, akkor hová lesz mindez az energia? Az energia nagy része most potenciális energiaként tárolódik. Felemelte ezt a nagy súlyt a feje fölé, és ha most egyszer csak elengedné (bár ezt nem ajánlanám), akkor elég gyorsan lezuhanna. Most tehát ez az energia nagyrészt potenciális energiaként tárolódik. A súlyemelő hőt is termel, az izmaiban hő keletkezett. A levegőben még a súly felemelése is kelt egy kis hőt a súrlódás miatt. Szeretném érzékeltetni, hogy az energia nem a semmiből jön, hanem átalakul egyik formából a másikba, vagy átadódik a rendszer egyik eleméről a másikra. Lássuk a többi példát. A futóval ugyanaz történik, miután... nyilván a kémiai energia mozgatja az izmait, ebből lesz az egész test mozgási energiája, de amikor megáll, hová lesz ez az energia? Nos, részben a test hőjévé alakul, ami a környező levegőbe távozik. Futás közben a futó érintkezik a talajjal, ettől a talaj molekulái is rezgésbe jönnek. Részben hanggá alakul, mozgásba hozva a levegő részecskéit, nagy része pedig hővé alakul. Újra és újra ezt látjuk. Ennek a toronyugrónak főleg potenciális energiája van. Ez mozgási energiává alakul át, ahogyan a víz felé zuhan. De mi történik, amikor a vízbe csobban? Nos, ekkor az energia átalakul, tovahaladó hullámok keletkeznek. A súrlódás is fokozódik. Voltaképpen zuhanás közben is volt súrlódás, ami szintén termelt némi hőt. A súrlódás a vízben is hőt termel. Többnyire nem gondolnánk erre, de a vízben is van súrlódás. Hullámok is keletkeznek, a víz mozgási energiája is megnő, amint távolodik a becsapódás helyétől. Sorolhatnám tovább. A tüzelőben kémiai energia rejlik. Égés közben ez hőenergiává alakul, majd sugárzási energiává, ami a tűz jellemző tulajdonsága. Ez sem tűnik el, csak kisugárzik, és esetleg felmelegít valamit. A hőenergia egyre csak sugárzik kifelé, vagyis eltávozik, és felmelegíti a környezetét. A villámmal ugyanez a helyzet. Kezdetben elektrosztatikus potenciál van jelen. A felhők alja negatívabb töltésű, a talaj pedig pozitív. A potenciális energia egy adott pillanatban mozgási energiává alakul, amint az elektronok átsüvítenek a levegőn, ez pedig nagyrészt hővé és sugárzási energiává alakul. A videó lényege tehát az, hogy bármelyik esetet alaposan megvizsgálva (ezt a mindennapi életben is javaslom), az energia nem keletkezik csak úgy, varázsütésre a semmiből, csak átalakul egyik formából a másikba.