Energi på mikroskopisk skala

Velkommen, i dag skal vi se på forskellige typer af energi, som kinetisk, elektrisk, termisk, gravitation, potentiel energi. Når du begynder at tænke på energi på en mindre skala eller på mikroskopsik skala, så er disse typer af energi faktisk en af to ting: enten kinetisk energi, partikler der bevæger sig, eller potentiel energi, energi lagret i et felt, så som elektrisk, magnetisk eller gravitation. Lad os først se på et tilsyneladende nemt eksempel og undersøge egenskaberne ved energi, mens vi zoomer ind. Jeg tegner et glas vand. Vandet har en temperatur. Jeg kan opvarme vandet ved at tilføje energi fra en elektrisk kogeplade eller køle det ned ved at sætte det i køleskabet. og dermed fjerne energi fra det flydende vand. Dette eksempel viser, at temperatur hænger sammen med energi. Men hvordan hænger det sammen med kinetisk eller potentiel energi? Hmm. Billedet her er på den makroskopiske skala viser os energien som en temperatur. Men på den mikroskopiske skala kan vi bedre se, hvad der sker rent fysisk. Når vi kigger inden i denne væske, så ser vi mange vand molekyler, der bevæger sig. zoom zoom zoom. Ja ok, de siger ikke noget. Der er en sammenhæng mellem gennemsnitsfarten af disse molekyler og deres kinetiske energi og temperaturen. Dette er termisk bevægelse. Hvis vi zoomer mere ind, så kan vi se disse stærke kemiske bindinger inden i molekylet. Hver enkelt atom i vand molekylet, så hydrogen og oxygen, de vibrerer frem og tilbage samt roterer så de har også kinetisk energi. Lad os se på endnu et eksempel af energi på den makro- og mikroskopiske skala. Når du brænder noget, som et bål, så finder der en kemisk reaktion sted og den afgiver en masse energi. Hvordan gør den det? Lad os kigge på den mikroskopiske skala for at finde ud af det. Når jeg forbrænder noget metangas, så er den kemiske reaktion metan CH4 og oxygen O2, som bliver til vand, H2O og kuldioxid CO2 plus energi. Før reaktionen fandt sted var der en større mængde kemisk potentiel energi end efter. men bare rolig - energien er bevaret, da den potentielle energi er omdannet til kinetisk energi og strålingsenergi. Hvad er kilden til kemisk potentiel energi? På denne skala er det bindingerne mellem atomerne, der lager energien, som absorberes eller frigives, når bindingerne brydes og dannes. Men hvor kommer energien i de kemiske bindinger fra? Vi skal zoome lidt mere ind. I hvert atom er der en kerne, der indeholder protoner og neutroner. Kernen har en positiv ladning. Den danner et elektromagnetisk felt. Interaktionen af andre ladede partikler, som de negativt ladet elektroner, forholdsvis langt fra kernen, med dette felt giver potentiel energi. Denne elektrisk potentiel energi svarer til den potentielle energi, der er mellem en masse og et gravitationsfelt. Lad os zoome ud igen. Hvert molekyle har sin egen specielle sammensætning af ladede partikler i de elektromagnetisk felter. med den dertilhørende potentielle energi. Kemisk potentiel energi er altså resultatet er energi lagret i felter. Nu har vi snakket om elektrisk, kemisk og termisk energi, men der er andre typer af energi, ikke? Hvad med lydbølger? Her er en højtaler og et øre. Energien i lydbølger overføres som vibrationer, en bevægelse frem og tilbage, af luftens molekyler. Endnu eksempel er elastisk potentiel energi eller energien lagret i en fjeder. På den mikroskopiske skala, når du strækker en fjeder, her trækker en hånd i fjederen, så bliver atomerne bliver trukket ud af deres ligevægtsposition inden i det faste stof og får dermed potentiel energi fra det elektromagnetiske felt, der holder alle faste stoffer sammen. Er det ikke smart? Vi kan beskrive alle disse typer af energi som kinetisk eller potentiel. Vi skal snakke om endnu en type af energi på den mikroskopiske skala. Det virker måske lidt kompliceret til at starte med. Lad os vende tilbage til eksemplet med forbrænding, som vi så før. I denne process frigives strålingsenergi. Vi kan se de objeker, der brænder. De lyser klart. Vores hånd kan nærme sig det brændende objekt. Rør ikke! Og mærke strålevarmen. Den stråling, der udsendes, indeholder energi. Hvordan forklarer vi strålingsenergi? Kan den også indsætte i de to kategorier, kinetisk eller potentiel energi, som vi har snakket om? Det viser sig, at den passer ind i begge grupper. Elektromagnetisk stråling, som lys, kan modelleres på forskellige måder, som vi vil snakke mere om i en anden video. Man kan modellere lys som bølger af elektriske og magnetiske felter. Man kan også sige, at lys består af partikler, der kaldes fotoner. Disse partikler bærer energien. I begge modeller forklares strålingsenergi med de samme interaktioner på mikroskopisk skala som de ander typer af energi. Afslutningsvis, vi kan se energi på en makroskopisk skala som temperatur eller udsendt lys. Vi skal kigge på en mikroskopisk skala for at se, at de forskellige typer af energi, som vi kender, faktisk er resultatet af kinetisk og potentiel energi i partikler. Hvor sejt!