Energy & Chemistry: Crash Course Chemistry #17

Summary

El guion explora la naturaleza de la energía, desafiando la noción de que todo es químicos y enfocándose en que todo es, en realidad, energía. A través del ejemplo de un trebollo pequeño, se ilustra cómo la energía se manifiesta en formas como la masa, el calor, la energía química y la energía potencial gravitacional. Se explica que la energía no se crea ni se destruye, siguiendo la ley de conservación de la energía, y cómo esta ley se aplica en la termodinámica y la química, donde la energía se almacena en los enlaces moleculares y se transfiere para realizar trabajo o generar calor.

Takeaways

• 🧪 Todo es energía: Desde las cosas más simples hasta las más complejas, todo en el universo es una manifestación de energía.
• 🌈 Algunas cosas no son químicas: Sonidos, calor, haz de láser, arcoíris y conceptos existenciales no son compuestos de moléculas químicas.
• 🏰 El trebuje es un ejemplo de ingeniería antigua y también de un arma de guerra, pero aquí lo recordamos por su ingenio y no por la violencia que representaba.
• 🪵 La energía está presente en la masa, el calor, las moléculas y la posición de los componentes de un sistema, como en el caso del trebuje.
• ⚛️ La energía nuclear en la madera del trebuje es extremadamente difícil de liberar y es una buena cosa, ya que si se liberara podría destruir el edificio.
• 🔥 La energía térmica es una forma de energía que todas las cosas tienen, incluso las muy frías, debido al movimiento imperceptible de sus átomos y moléculas.
• 🔋 La energía química está almacenada en los enlaces entre los átomos y se libera al quemar la madera, por ejemplo.
• ⚖️ La energía gravitacional potencial es la energía que se almacena debido a la posición de un objeto, como el peso cargado en el trebuje.
• 🔁 La ley primera de la termodinámica, también conocida como ley de conservación de la energía, establece que la energía no se puede crear ni destruir, y la cantidad total de energía en el universo es constante.
• 🔄 La energía se puede transferir como trabajo o calor, y estos procesos resultan en una transferencia de energía entre sistemas.
• 🧩 La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia el calor, la energía y la capacidad de esa energía para realizar trabajo, y es aplicable tanto a la química como a ingenieros como el trebuje.

Q & A

¿Por qué el hablante tiene una afinidad por decir que todo es químicos?

El hablante menciona que tiene una afinidad por decir que todo es químicos principalmente porque está cansado de las quejas de las personas sobre los 'químicos' a los que se exponen, sin darse cuenta de que incluso la lechuga cultivada orgánicamente está compuesta por químicos.

¿Cuál es un ejemplo de algo que no es un químico según el script?

El script menciona que el sonido, el calor, los rayos láser, el concepto existencial de 'yo' y los arcoíris son ejemplos de cosas que no son químicos.

¿Qué es la energía según la perspectiva del hablante?

Según el hablante, todo es energía, incluyendo las cosas que comúnmente no se consideran como químicos, y que abarca desde el sonido hasta los arcoíris.

¿Qué es un trebujeque y cómo se relaciona con la energía?

Un trebujeque es una máquina de guerra antigua y un logro de la ingeniería, que contiene una gran cantidad de energía, tanto en forma de energía cinética como potencial, y es utilizado en el script para ilustrar conceptos de energía.

¿Cómo está relacionada la masa con la energía según el script?

El script menciona que la masa y la energía son lo mismo, como lo expresó Einstein, y que la energía nuclear de la madera de un trebujeque es difícil de liberar pero es extremadamente grande.

¿Qué es la energía térmica y cómo está presente en el trebujeque?

La energía térmica es la energía que posee cualquier cosa que esté más caliente que el cero absoluto, y se refiere al movimiento imperceptible de los átomos y moléculas. El trebujeque tiene energía térmica debido a que está por encima del cero absoluto.

¿Qué es la energía química y cómo se almacena en el trebujeque?

La energía química se almacena en los enlaces entre los átomos y se encuentra en los enlaces de las moléculas de celulosa y lignina que componen la madera del trebujeque.

¿Qué es la energía potencial gravitacional y cómo se relaciona con el trebujeque?

La energía potencial gravitacional es la energía contenida dentro de un sistema debido a su posición, como es el caso del counterweight lleno de centavos en un trebujeque, que tiene energía potencial porque está elevado y la gravedad intenta atraerlo hacia abajo.

¿Qué es la ley primera de la termodinámica y qué implica?

La ley primera de la termodinámica, también conocida como la ley de conservación de la energía, establece que la energía no puede ser creada ni destruida, y que la cantidad total de energía en el universo es constante.

¿Cómo se define el trabajo en física y química?

En física y química, el trabajo se define como el efecto de una fuerza sobre algo, haciendo que se mueva; si nada se mueve, entonces no se ha realizado trabajo.

¿Qué es la transferencia de energía y cómo se relaciona con el calor?

La transferencia de energía por calor es la transferencia de energía por medio de interacciones térmicas, como la radiación o la conductividad térmica, y no es algo que los objetos contengan.

¿Cómo se relaciona la energía con la química y los enlaces moleculares?

La energía está relacionada con la química a través de la energía almacenada en los enlaces moleculares, que es una forma de energía potencial y puede ser liberada para realizar trabajo o mantener la estabilidad de las moléculas.

¿Cuáles son las dos formas principales de transferencia de energía en la termodinámica?

Las dos formas principales de transferencia de energía en la termodinámica son el trabajo, que es la aplicación de fuerza sobre una distancia, y el calor, que es la transferencia de energía por interacción térmica.

¿Qué es la energía interna de un sistema y cómo se representa?

La energía interna de un sistema es la suma de toda la energía cinética y potencial del sistema, y se representa con una mayúscula 'E'. Los científicos a menudo están interesados en los cambios en esta energía, que se representan con ΔE.

¿Cómo se relaciona el cambio en la energía interna de un sistema con el trabajo y el calor?

El cambio en la energía interna de un sistema (ΔE) es igual al calor más el trabajo. Si el sistema recibe calor o trabajo de su entorno, ΔE es positivo. Si el sistema transfiere calor o realiza trabajo en su entorno, ΔE es negativo.

¿Qué implica la reacción exotérmica y la reacción endotérmica en términos de energía?

Una reacción exotérmica es aquella que libera energía al entorno, generalmente en forma de calor durante procesos de oxidación rápida de compuestos químicos. Por otro lado, una reacción endotérmica absorbe energía del entorno hacia el sistema, como en el caso de la formación de monóxido de nitrógeno en motores de automóviles.

Outlines

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🧪 La Esencia de la Energía y el Trebuchet

El primer párrafo introduce la idea central de que todo es energía, a pesar de que el hablante inicialmente se burla de la preocupación por los 'químicos'. Se discute que, más allá de los estereotipos, la energía se manifiesta en diversas formas como sonido, calor, haz de láser y arcoíris, y que todo, incluida la energía, está sujeta a la ley de conservación de la energía, que prohíbe la creación o destrucción de energía. A través del ejemplo de un trebuchet, se explora cómo la energía se almacena en la masa, energía térmica, energía química y energía potencial gravitacional. Se enfatiza que la energía no se puede crear ni destruir, sino solo transferir, y se introduce el estudio de la termodinámica como la ciencia que estudia el calor, la energía y su capacidad para realizar trabajo.

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🔍 El Trabajo y la Transferencia de Energía en la Química

El segundo párrafo profundiza en la termodinámica y su aplicación en la química. Se describe cómo se divide el universo en 'sistema' y 'entorno' para estudiar cambios en la energía. Se discute el concepto de energía interna de un sistema y cómo esta puede cambiar a través del trabajo ('w') y el calor ('q'), utilizando la fórmula ΔE = q + w. Se ilustra cómo las reacciones químicas, exotérmicas o endotérmicas, liberan o absorben energía, respectivamente. Se hace hincapié en que la química es en gran medida el estudio de la energía, desde su almacenamiento en los enlaces moleculares hasta su transferencia y liberación para realizar trabajo, y se compara este proceso con el funcionamiento de un trebuchet, enfatizando su relevancia tanto en la guerra como en la vida cotidiana.

Keywords

💡energía

La energía es el concepto central del video, definida como la capacidad para realizar trabajo o producir calor. Relacionada con todos los aspectos del tema, desde la energía cinética y potencial hasta la energía química almacenada en los enlaces entre átomos. En el guion, se menciona que 'todo es energía', ilustrando cómo la energía está presente en todas las formas y manifestaciones, incluyendo la energía nuclear de la madera del trebuchet y la energía de la química en los enlaces moleculares.

💡química

La química es la disciplina que estudia las sustancias y sus interacciones, con un enfoque especial en la energía. En el video, se destaca cómo la química es en gran medida el estudio de la energía, como la energía almacenada en los enlaces moleculares y su transferencia para encontrar formas estables y realizar trabajo, comparando este proceso con el funcionamiento de un trebuchet.

💡trebuchet

El trebuchet es un ejemplo concreto utilizado en el video para ilustrar conceptos de energía. Es una máquina de asedio de la antigüedad que contiene y libera energía de diferentes formas, como la energía cinética, potencial y química. El guion describe cómo el trebuchet, al almacenar y liberar energía, es similar a los procesos químicos que almacenan y liberan energía en las reacciones moleculares.

💡energía cinética

Es el tipo de energía que se asocia con el movimiento. En el script, se menciona implícitamente como parte de la energía que se libera cuando el trebuchet lanza una piedra, donde la piedra adquiere energía cinética al moverse.

💡energía potencial

Es la energía contenida dentro de un sistema debido a la posición o disposición de sus componentes. En el guion, se ejemplifica con la energía gravitacional potencial del trebuchet, donde la carga elevada tiene la capacidad de hacer trabajo debido a la fuerza de la gravedad.

💡energía térmica

Es la energía relacionada con el movimiento de partículas dentro de un sistema. En el video, se menciona que todo objeto con temperatura superior a cero absoluto tiene energía térmica, y se describe cómo los átomos y moléculas 'jiggle', o sea, se mueven imperceptiblemente.

💡energía nuclear

Se refiere a la energía contenida en los enlaces entre los núcleos de los átomos. Aunque no se explica detalladamente en el guion, se sugiere que la energía nuclear de la madera del trebuchet es difícil de liberar, pero que si se liberara, tendría consecuencias devastadoras.

💡energía química

Es la energía almacenada en los enlaces entre los átomos dentro de las moléculas. En el script, se describe cómo la energía química se encuentra en los enlaces de las moléculas de celulosa y lignina que componen la madera, y cómo se puede liberar al quemar el trebuchet.

💡primera ley de la termodinámica

También conocida como la ley de conservación de la energía, establece que la energía no puede ser creada ni destruida, y que la cantidad total de energía en el universo es constante. En el video, se utiliza para enfatizar que cualquier cambio en la energía de un sistema debe provenir o dirigirse a sus alrededores.

💡trabajo

En física, el trabajo es el resultado de una fuerza aplicando sobre un objeto y haciendo que se mueva. En el guion, se menciona cómo el trabajo se relaciona con la energía, ya que cuando se realiza trabajo en un sistema, como en el caso de preparar el trebuchet para lanzar, hay un cambio en la energía del sistema.

💡calor

El calor es la transferencia de energía por medio de interacciones térmicas, como la radiación o la conductividad térmica. A diferencia de la energía de trabajo, el calor no es una cantidad que un objeto 'contenga', sino que se transfiere entre sistemas. En el video, se aclara este concepto para diferenciarlo de la energía de trabajo.

Highlights

Everything is composed of chemicals, even organically grown lettuce.

There are things that aren't chemicals, such as sound, heat, and energy.

Energy is the fundamental concept that everything is made of.

Trebuchets are ancient engineering feats and war weapons.

A small trebuchet contains various forms of energy, including mass, thermal, and chemical energy.

Einstein's theory states that energy and mass are interchangeable.

The nuclear energy within wood is difficult to release and potentially destructive.

Chemical energy in wood can be released by breaking atomic bonds, as in burning.

Ancient generals were interested in the gravitational potential energy of trebuchets.

The first law of thermodynamics states that energy cannot be created or destroyed.

Thermodynamics is the study of energy, heat, and work.

Energy is the capacity to do work or produce heat.

Heat is a transfer of energy by thermal interactions, not contained within objects.

Work is the result of a force causing movement.

The change in a system's internal energy is equal to the sum of heat and work.

Chemical reactions can be exothermic, releasing energy, or endothermic, absorbing energy.

Chemistry is largely about the study of energy stored in bonds and its transfer.

The episode's production credits and contributors are listed.

Transcripts

I have a certain fondness for saying everything is chemicals,

mostly this is because I'm tired of all the people complaining about all the "chemicals"

that they are exposed to when literally everything you have ever been exposed to,

including the most organically grown lettuce is composed entirely of chemicals.

But when I say everything is chemicals, I am in fact wrong.

There are quite a lot of things that aren't chemicals:

sound, heat, laser beams, the existential concept of selfness...rainbows.

All of those things are things.

And all of the things and also all other things are, in fact

-- oh god this is weird but it's true -- they're all the same thing: energy.

Everything is energy.

[Theme Music]

Let's talk about trebuchets.

The trebuchet was a weapon of war,

but it is also a feat of ancient engineering so I remember it for that instead of for all the people it killed.

Well, I happen to have a very small one that I built from a kit, because I'm a nerd.

This tiny trebuchet contains quite a lot of energy.

In fact, more than you might suspect.

And because we are humans and we like to understand stuff,

we shall put the energy it contains into a bunch of different boxes.

Let's start with the least obvious one: its mass, since, as Einstein told us, energy and mass are the same thing.

Now we're not gonna go into detail there,

instead we'll just say that the energy is well and locked up and extremely difficult to access

because the nuclear energy of the wood is not easy to release.

Which is excellent, because the nuclear energy of this trebuchet, if released,

could destroy the entire building that I'm sitting in.

This little war machine also has thermal energy;

anything warmer than absolute zero has thermal energy, even very very cold things.

This basically means that all of the individual atoms and molecules are jiggling imperceptibly.

Only at absolute zero would they stop jiggling.

If I were to touch it then my hand would instantly freeze and then fall off of me.

Absolute zero is very cold.

It also has chemical energy, which is stored in the bonds between the atoms.

All of the bonds in the molecules of cellulose and lignin that make up the wood contain energy,

and some of them could be broken, releasing that energy,

which is what would happen if I lit my trebuchet on fire,

which I will not do because it took like four hours to put together.

Now none of those forms of energy are the forms of energy that the ancient generals were interested in,

of course, but I wanted to illustrate how much energy really is in there.

What the ancient generals were interested in was the system's gravitational potential energy,

because this heavy thing here which is full of pennies

-- oh God, that's dangerous --

this thing is heavy, it's full of pennies, and it has been lifted up, and the force of

gravity is trying to pull it back down.

This stored gravitational energy is a form of potential energy;

that is, energy contained within a system because of its position.

This does not mean that it has the potential to become energy.

It is energy. It's just stored.

If it wasn't there, and then it was, then you would be creating energy.

And as we all know, you cannot create energy.

Like, we all do know that, right?

It's the first law of thermodynamics, also known as the law of conservation of energy,

which is a real, hard and fast, not just unbreakable but unbendable law of physics.

Energy cannot be created and it cannot be destroyed.

The amount of energy in the universe is constant.

And since everything is energy, the amount of everything in the universe is constant, which is a little bit trippy.

Deep thoughts like that one are what formalized the study of energy into what we call thermodynamics,

the branch of science studying heat, energy, and the ability of that energy to do work.

Okay, now I just said three words that you think you know the definition of but you probably don't.

That's okay, you're gonna be wrong many times in your life, this is just one of them.

So, what were those words?

Energy. I know that you don't know what energy is, because, like, I don't either.

Nobel Prize-winning physicist Richard Feynman said:

"it is important to realize that in physics today we have no knowledge of what energy is."

But let's just give the same cop-out answer that my textbook gives, which is:

"the capacity to do work or produce heat."

Work. In the common vernacular, that's anything that you have to do but you don't want to.

But in physics and chemistry, work is when a force acts on something, causing it to move.

If nothing moves, then no work is done.

There are a few different symbols that represent work, we're going to use the lowercase "w."

Heat. Which is maybe the most misunderstood word in chemistry after the word chemicals.

Heat is not something that objects contain.

Just like something can't have work, something can't have heat.

Instead, heat, just like work, is an energy transfer.

But instead of transferring energy by mechanical movement,

heat is a transfer of energy by thermal interactions, such as radiation or thermal conduction.

Now crazy as this might seem, those are the only two things that energy can do.

It can either be work applying force and moving things or it can be exchanged as heat.

Both process result in an energy transfer between systems.

And just in case you weren't confused enough, the most common symbol for heat is lowercase "q."

Yup. Lowercase "q," deal with it.

Little-known fact: the word "heat" used to start with a silent q,

but it was dropped in the seventeenth century when -- I'm just making stuff up.

So we're just gonna have to move on, leave that behind us,

and think about what happens when the amount of energy in a system changes.

If you're currently freaking out, thinking, like, "but Hank, you just said that the amount of energy never changes!"

I will remind you that I said "in the universe."

See, when we're doing thermo, we get to divide the universe into two parts,

which is actually a pretty cool thing to get to do.

One part is the system, the thing that we're studying, and everything else is the surroundings.

The surroundings allow the amount of energy in the system to change.

That change just has to come from or go to the surroundings.

And we get to decide where that line is.

We could say that the system is the rock that the trebuchet propels, or the sling,

or the trebuchet itself, or the face of the poor guy that the rock runs into.

Whether it's the Earth-trebuchet system, or the rock-face system, or the entire observable universe system,

we get to decide based on what we're interested in studying.

Every system has an internal energy, the sum of all that system's kinetic and potential energy.

The internal energy of the system is represented by a capital "E",

and usually we're interested in changes in that system.

And the way we represent change in chemistry and physics is with the Greek letter delta(Δ),

so we stick the delta in front of the "E" for "ΔE", the change in the energy of the system.

The change in the energy of the system is equal to the heat plus the work.

The simplest equation you're ever gonna see on Crash Course Chemistry.

There are two basic outcomes when you're looking at this internal energy equation.

The first is that ΔE is positive. It's gaining energy from the surroundings.

That's the case if work is done on the system or heat is transferred to the system.

Like if I were to do some work to get the trebuchet ready to fire, ΔE is positive.

The system is gaining energy from its surroundings, which includes my arms and muscles.

If work is done by the system or heat is transferred from the system to the surroundings,

those w and q get negative signs resulting in a decrease in ΔE,

or a loss of energy from the system to the surroundings.

Like when the trebuchet fires, the trebuchet's ΔE is negative from the transfer of energy to the ping pong ball.

So what in the name of Willard Gibbs does any of this have to do with chemistry?

Well, the energy stored in molecular bonds, chemical energy, is a kind of potential energy.

It exists because of the position of the particles in the molecule.

Just like with the trebuchet, in chemistry we can put energy into molecules, and take

it out, and even use it to do work,

creating war machines millions of times more powerful than the biggest siege engine ever constructed,

but also creating tools to feed and clothe the world.

Some reactions release energy, like if I lit my trebuchet on fire -- which again I will not do!

Why do I keep bringing that up!?

Burning is the rapid oxidation of chemical compounds,

and as it results in a heat flow out of the system we call that an exothermic reaction.

But other reactions suck energy out of the environment and into the system.

These endothermic reactions occur when heat flows into the system.

Like in your car engine, at the high temperatures of combusting fuel,

Nitrogen and Oxygen will suck some of that energy into chemical bonds forming nitric oxide,

a poisonous gas that I once inhaled a dangerous amount of, but I'll save that story for our lab safety episode.

Chemistry, it turns out, is largely a study of energy.

The energy stored in bonds, transferred between atoms and molecules to find stable forms and released to the environment to do work.

It's just like the trebuchet:

put energy in, store it, and then take it back out to do something interesting, fun or useful.

That's basically everything that ever happens summed up in one little siege engine. Not bad.

Thanks for watching this episode of Crash Course Chemistry.

If you were paying attention, you learned that everything is energy;

that there are lots of different forms of energy including potential energy,

which is energy contained within a system because of the position or arrangement of its components.

And you learned that chemical energy is a kind of potential energy, energy stored up in bonds between atoms.

Also you hopefully already knew that energy can neither be created nor destroyed,

and that the amount of energy in the universe is constant;

but when studying thermodynamics we divide the universe into the system and its surroundings,

and a system could give energy to or take energy out of those surroundings.

You learned that energy can be transferred in two ways: work, which is force applied over a distance,

and heat, which is the transfer of energy by thermal interaction.

And finally, you learned that all of this is just as applicable to chemistry as it is to trebuchets.

This episode was written by Kim Krieger and myself, edited by Blake de Pastino,

and our chemistry consultants were Dr. Heiko Langner and Edi Gonzalez.

This episode was filmed, edited and directed by Nicholas Jenkins, our script supervisor was Caitlin Hofmeister,

Michael Aranda did the sound design and our graphics team is Thought Café.