Вся діяльність людини грунтується на споживанні енергії. Без енергії складно уявити собі активність організму, функціонування всіх благ для людей. Вона важлива як всередині людини, так і для його зовнішнього існування. Різні галузі виробництва не можуть самі по собі працювати, адже вони вимагають енергії. Перевезення товарів, опалення приміщень, синтез нових речовин в клітинах організму - все це відбувається завдяки здатності виробляти роботу.
Місце енергії в термодинаміці
Для того щоб визначити, яке місце займає енергія в цій галузі науки, слід дізнатися, що конкретно має на увазі термін "термодинаміка". Це область фізики, в якій поглиблено вивчаються процеси перетворення енергії. Всім відомий той факт, що енергія представлена в декількох формах: вона може бути хімічної, електричної, теплової, механічної та світловий. У даній галузі науки навіть є свої закони і принципи, наприклад перший закон термодинаміки, а також деякі інші. Виходячи з цього, можна сказати, що не існувало б цієї галузі знань, якби не було відомо властивостей вищеописаної фізичної величини.
Яким чином відбувається перетворення енергії?
Багатьом незрозумілий факт переходу енергії з одного стану в інший. Але ми в повсякденному житті настільки часто користуємося переходить енергією, що вже не віддаємо звіту собі в тому, звідки вона береться. Так, наприклад, щодня сідаючи в автомобіль, ми не думаємо про те, що в момент їзди хімічна енергія переходить в електричну. В електродвигуні початкова електрична енергія переходить в механічну, а в паровій турбіні тепло перетворюється в механічну фізичну величину. При цьому є певні кількісні співвідношення різних форм енергії. Але при перетворенні відбуваються процеси з деякими кількісними втратами: споживання корисної енергії завжди вище, ніж її вироблення. Це явище легко пояснюється: перетворення не обходиться без тертя, під час нього частину енергії стає теплом і розсіюється в просторі. Виходить, що ця частина вже не може бути використана як корисна величина. Таким чином, будь-яке перетворення не проходить без втрат.
Перший закон термодинаміки
Вивчаючи процес перетворення енергії, вчені відкрили два фундаментальних закону. Ця стаття буде присвячена першому з них. Цей закон термодинаміки говорить: при будь-якій зміні - хімічному або фізичному - кількість енергії залишається постійним. По-іншому, він ще називається законом збереження енергії. З цього визначення випливає, що енергія раптово не виникає і просто так не зникає. Якщо в процесі будь-якої діяльності вона переходить в різні форми, з однієї в іншу, то її загальна кількість не змінюється. Іншими словами, енергія не створюється і не знищується, що відображає перший закон термодинаміки. Визначення в різних джерелах може змінюватися, але суть залишається незмінною.
Історія відкриття цього закону
Початок своє закон бере ще з середини XIX століття. Німецький лікар Майер, спостерігаючи за тим, як в тропіках змінюється колір крові людини, задумався про взаємозв`язок таких фізичних понять, як тепло і енергія. У свою чергу, відомий вчений Джоуль звернув увагу на розробки Майера, щось доповнив зі свого боку. Всі дані за цим законом об`єднав ще один німецький лікар, Гельмгольц, коли вивчав фізичні основи органів сприйняття - слуху та зору людини. Саме він сформулював закон в такому вигляді, яким його на сьогоднішній день знає весь світ.
Типи обміну енергії
Теплота, яка виникає при переході одного виду енергії в інший, впливає на зміну внутрішньої енергії предмета. Коли вона змінюється, з`являється протидія роботі зовнішніх сил, які впливають на цей предмет. Внутрішня енергія може бути кінетичної (це рух атомів предмета), потенційної (вона зберігається в хімічних зв`язках між атомами), гравітаційної енергією всієї системи (т. Е. Вплив на предмет гравітаційних сил, які проявляються і всередині). Виходячи з цих видів, вчені виділили певні типи обміну енергії.
- Під першим з них прийнято розуміти попередньоізольовані системи - тут відсутня обмін енергією та іншими елементами певної системи.
- Другий тип - закриті системи, характеризується відсутністю обміну елементів систем, але в незначній мірі відбувається обмін енергією.
- Відкриті системи (третій тип обміну) характеризуються обміном і енергією, і їх елементами.
поняття внутрішньої енергії в термодинаміці
Внутрішня енергія предмета або системи в термодинаміки грає майже ключову роль. Насправді це складне об`єднання кількох потоків активності молекул і атомів. Вона складається з таких видів, як енергія обертального і поступального руху молекул, енергія рухів атомів і груп атомів, яка знаходиться всередині молекул і випромінюється при коливанні цих частинок. Ще до внутрішньої енергії предмета відносять ядерну енергію атомів і енергію взаємодії між собою молекул. Uвн залежить від початкового стану предмета і кінцевих показників його стану. Ця енергія неперервна, як і позначає її перший закон термодинаміки. Її можна легко розрахувати за наступною формулою: тепло, доданий системі, мінус зроблена цією системою робота. Тут мова йде не про характер процесу зміни внутрішньої енергії, навіть не про кінцевий стан рівноваги, так як це визначає вже другий закон термодинаміки.
Взаємозв`язок тепла і внутрішньої енергії
Ці поняття дуже тісно пов`язані між собою. Допускається, що тепло є частиною внутрішньої енергії системи. Розберемося, що ж собою являє тепло. Сам предмет не володіє таким в звичайному розумінні цього слова. Можна сказати, що тепло - це енергія, яка переходить від об`єкта, що має високу температуру, до об`єкту з температурою меншою, ніж у першого.
Інакше кажучи, це частина внутрішньої енергії предмета, яка переноситься від нього, так як він має показники температури вище. Таке перенесення в фізиці і хімії називається нагріванням.
Перший закон термодинаміки, хімія
Цей закон має фундаментальне значення не тільки для фізичних дослідів, вивчення явищ і відкриття протікання нових процесів, але і для іншої науки - хімії - і суміжних її галузей. При вивченні існування і переходу енергії в різні форми в ракурсі хімічних реакцій організму або предмета відкривається горизонт цікавих досліджень і закономірностей в площині біоенергетики.
У багатьох може виникнути відчуття, що перший закон термодинаміки віддалений від життя звичайної людини, що молекули й атоми для розуміння підвладні тільки малій кількості присвячених людей. Але це далеко не так. В основі життя кожного живого організму лежить обмін речовин, який не може відбуватися без перетворення енергії. Тому особливий інтерес не тільки для вчених-фізиків, а й для лікарів-дієтологів, спортивних інструкторів представляють хімічні процеси перетворення енергії в організмі людини. Адже знаючи всі особливості цього процесу, можна успішно допомагати людям позбуватися від зайвих кілограмів, а також стежити за собою за допомогою правильно складеного меню, що складається з здорової їжі.
