Какво е затворена система в термодинамиката?

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.

В термодинамиката затворена система е тази, която не обменя материя със заобикалящата я среда, но може да обменя енергия по различни начини. С други думи, това е система, чиито граници не позволяват на атоми или молекули да влизат или излизат, но през която може да премине енергия, независимо дали под формата на светлина, топлина, работа и т.н.

Схема на затворена термодинамична система

Термодинамичните системи като цяло са концептуални модели, които се използват главно за опростяване на математическото описание на реални системи. В този смисъл идеално затворени системи всъщност не съществуват, тъй като те трябва да бъдат напълно херметични и е почти невъзможно да се попречи дори на шепа атоми да преминат през бариерата, която отделя системата от околната среда.

Много системи обаче са достатъчно херметични, за да се считат за затворени, а правилното анализиране и разбиране на такива системи позволява да се разберат много от най-фундаменталните концепции на термодинамиката. Последното се дължи на факта, че затворените системи ни позволяват да „наблюдаваме“ ефекта, който потокът енергия от и към системата има върху системата, без да добавяме усложнението на други взаимодействия, идващи от обмена на материя.

Характеристики на затворени системи

Затворените системи имат някои характеристики, които ги отличават от другите два типа системи, разглеждани в термодинамиката:

  • Те не обменят материя с околната среда.
  • Те са системи, в които материята се запазва.
  • Те са заобиколени от стени или диатермични граници.
  • Те обменят енергия с околната среда.
  • Те могат да имат както твърди, така и гъвкави стени, стига в никакъв случай да не се допуска поток на материя от едната към другата страна.
  • Те взаимодействат с околната среда чрез обмен на енергия.
  • Те са системи, които могат да извършват работа с околната среда или да получават работа от околната среда.

Примери за затворени системи

Въпреки че, както бе споменато по-горе, идеално затворени системи не съществуват, има много примери за реални системи, които за практически цели се считат за затворени.

Пример 1: Затворена газирана напитка.

Пример за затворена система - консерви безалкохолни напитки

Бутилката за безалкохолна напитка е достатъчно затворена, за да предотврати изтичането на въглероден диоксид дори под налягане. Ясно е обаче, че стените на кутията или бутилката позволяват на топлината да тече, докато безалкохолните напитки се охлаждат в хладилника и се затоплят отново, ако са оставени навън.

Пример 2: Тенджера под налягане, преди да подсвирквате.

Тенджерите под налягане често се посочват като примери за затворени системи и наистина са такива. По време на първоначалното нагряване съдът е херметически затворен и не позволява въздух или пара да влизат или излизат. От друга страна, очевидно е, че енергията навлиза под формата на топлина, тъй като и съдът, и съдържанието му бавно се нагряват.

Пример за затворена система - затворена тенджера под налягане.

Важно е обаче да се отбележи, че това е вярно само докато вентилът е затворен (т.е. докато съдът не издава звуков сигнал). Когато вътрешното налягане на готварската печка надвиши налягането, упражнявано от клапана и вентилът се отвори, парата и другите газове, които са под високо налягане вътре в готварската печка, излизат с висока скорост. Това представлява обмен на материя с околната среда.

Пример 3: Неотворена торба със закуски.

Пример за затворена система - затворени торби с плодове

Торбичките за чипс и снакс също са добър пример за затворена система. Освен че не позволяват влизането или излизането на въздух или други вещества и освен че позволяват преминаването на енергия под формата на топлина, те също позволяват потока на енергия под формата на работа през торбата. Доказателство за това е фактът, че можем да разделим пърженото с ръце през торбата, без да се налага да я отваряме. За да се счупи или деформира материал (като картофен чипс, например), е необходимо да се свърши работа, така че ние (действайки като околна среда) ефективно вършим работа върху вътрешността на системата (съставена от чипса в торбата) .

Пример 4: Консерви.

Всички консервирани храни са примери за затворени системи. Очевидно е, че съдържанието на кутиите практически не обменя никакви вещества с околната среда.

Пример за затворена система - консерви

Вътре в кутиите може да се случват химически реакции или различни видове биологични процеси, които може да трансформират материята в кутиите, но независимо какво се случва вътре, масата вътре остава постоянна.

Пример 5: Меса, затворени във вакуум.

Пример за затворена система - вакуумно затворено месо

Месата и другите протеини често се съхраняват чрез вакуумно опаковане в тежки пластмасови торби, които са херметически затворени. Това също е пример за затворена система. Всъщност в някои случаи месото се маринова преди да бъде запечатано и дори може да се готви вътре в самите опаковки, позволявайки потока на топлина, който готви месото, но избягвайки загубата на сокове, които му придават изящния вкус.

Препратки

Atkins, P., от Paula J. (2014). Физикохимия на Аткинс. (Рев. изд.). Оксфорд, Обединено кралство: Oxford University Press.

Браун, Т. (2021). Химия: Централната наука. (11-то издание). Лондон, Англия: Pearson Education.

Чанг, Р. (2008). Физическа химия (1- во издание ). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw Hill.

Закони на термодинамиката (nd). Взето от https://www.khanacademy.org/

Основни дефиниции – система и среда. (2020 г., 13 август). Извлечено от https://chem.libretexts.org/@go/page/53093

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados