Mikä on suljettu järjestelmä termodynamiikassa?

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


Termodynamiikassa suljettu järjestelmä on sellainen, joka ei vaihda ainetta ympäristönsä kanssa, mutta voi vaihtaa energiaa eri tavoin. Toisin sanoen se on järjestelmä, jonka rajat eivät päästä atomien tai molekyylien sisään tai poistumaan, mutta jonka läpi energia voi kulkea valon, lämmön, työn jne. muodossa.

Suljetun termodynaamisen järjestelmän kaavio

Termodynaamiset järjestelmät ovat yleensä käsitteellisiä malleja, joita käytetään pääasiassa yksinkertaistamaan todellisten järjestelmien matemaattista kuvausta. Tässä mielessä täysin suljettuja järjestelmiä ei todellakaan ole olemassa, koska niiden pitäisi olla täysin hermeettisiä ja on lähes mahdotonta estää edes kourallista atomeja ylittämästä järjestelmän ympäristöstä erottavan esteen yli.

Monet järjestelmät ovat kuitenkin tarpeeksi hermeettisiä, jotta niitä voidaan pitää suljetuina, ja tällaisten järjestelmien asianmukainen analysointi ja ymmärtäminen antaa mahdollisuuden ymmärtää monia termodynamiikan peruskäsitteitä. Jälkimmäinen johtuu siitä, että suljetut järjestelmät antavat meille mahdollisuuden ”havainnoida” energian virtauksen vaikutusta järjestelmään ja järjestelmään ilman, että se lisää aineen vaihdosta tulevien muiden vuorovaikutusten monimutkaisuutta.

Suljettujen järjestelmien ominaisuudet

Suljetuilla järjestelmillä on joitain ominaisuuksia, jotka erottavat ne kahdesta muusta termodynamiikassa käsitellystä järjestelmätyypistä:

  • He eivät vaihda aineita ympäristön kanssa.
  • Ne ovat järjestelmiä, joissa aine säilyy.
  • Niitä ympäröivät seinät tai diatermiset rajat.
  • Ne vaihtavat energiaa ympäristön kanssa.
  • Niissä voi olla sekä jäykät että joustavat seinämät, kunhan aineen virtaaminen puolelta toiselle ei ole missään tapauksessa sallittua.
  • Ne ovat vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa energianvaihdon kautta.
  • Ne ovat järjestelmiä, jotka voivat tehdä työtä ympäristölle tai vastaanottaa työtä ympäristöstä.

Esimerkkejä suljetuista järjestelmistä

Vaikka, kuten edellä mainittiin, täysin suljettuja järjestelmiä ei ole olemassa, on monia esimerkkejä todellisista järjestelmistä, joita pidetään käytännössä suljetuina.

Esimerkki 1: Suljettu sooda.

Esimerkki suljetusta järjestelmästä - purkitetut virvoitusjuomat

Virvoitusjuomapullo on riittävän tiivis, jotta hiilidioksidi ei pääse karkaamaan edes paineen alaisena. On kuitenkin selvää, että tölkin tai pullon seinämät päästävät lämmön virtaamaan, kun virvoitusjuomat jäähtyvät jääkaapissa ja lämpenevät, jos ne jätetään pois.

Esimerkki 2: Painekattila ennen vihellystä.

Painekeittimet mainitaan usein esimerkkeinä suljetuista järjestelmistä, ja ne todella ovat. Alkulämmityksen aikana kattila on hermeettisesti suljettu eikä päästä ilmaa tai höyryä sisään tai ulos. Toisaalta on selvää, että energiaa tulee sisään lämmön muodossa, sillä sekä kattila että sen sisältö lämpenevät hitaasti.

Esimerkki suljetusta järjestelmästä - suljettu painekattila.

On kuitenkin tärkeää huomata, että tämä pätee vain niin kauan kuin venttiili on kiinni (eli niin kauan kuin kattila ei piippaa). Kun lieden sisäinen paine ylittää venttiilin kohdistaman paineen ja venttiili avautuu, höyry ja muut kaasut, jotka ovat korkeassa paineessa lieden sisällä, poistuvat suurella nopeudella. Tämä edustaa aineen vaihtoa ympäristön kanssa.

Esimerkki 3: Avaamaton välipalapussi.

Esimerkki suljetusta järjestelmästä - suljetut hedelmäpussit

Siru- ja välipalapussit ovat myös hyvä esimerkki suljetusta järjestelmästä. Sen lisäksi, että ne eivät salli ilman tai muiden aineiden pääsyä sisään tai ulos ja sen lisäksi, että ne sallivat energian kulkemisen lämmön muodossa, ne mahdollistavat myös energian virtauksen työn muodossa pussin läpi. Todisteena tästä on se, että voimme halkaista paistetun ruoan käsin pussin läpi ilman, että sitä tarvitsee avata. Materiaalin (esim. perunalastun) rikkomiseksi tai vääntymiseksi on tehtävä työtä, joten me (ympäristönä toimien) teemme tehokkaasti työtä järjestelmän sisäpuolella (joka koostuu pussin sisällä olevista lastuista) .

Esimerkki 4: Säilykkeet.

Säilykkeet ovat kaikki esimerkkejä suljetuista järjestelmistä. On selvää, että tölkkien sisältö ei käytännössä vaihda ainetta ympäristön kanssa.

Esimerkki suljetusta järjestelmästä - säilyke

Tölkkien sisällä saattaa tapahtua kemiallisia reaktioita tai erilaisia ​​biologisia prosesseja, jotka saattavat muuttaa tölkeissä olevia aineita, mutta riippumatta siitä, mitä sisällä tapahtuu, sisällä oleva massa pysyy vakiona.

Esimerkki 5: Tyhjiösuljetut lihat.

Esimerkki suljetusta järjestelmästä - Tyhjiösuljettu liha

Lihat ja muut proteiinit säilötään usein tyhjiöpakkaamalla raskaisiin muovipusseihin, jotka on suljettu hermeettisesti. Tämä on myös esimerkki suljetusta järjestelmästä. Itse asiassa joissakin tapauksissa lihat marinoidaan ennen sulkemista, ja ne voidaan jopa kypsentää itse pakkauksissa, mikä mahdollistaa lämmön virtauksen, joka kypsentää lihaa, mutta vältetään mehujen menetys, jotka antavat sille sen hienon maun.

Viitteet

Atkins, P., kirjoittaja Paula J. (2014). Atkinsin fysikaalinen kemia. (Rev. toim.). Oxford, Iso-Britannia: Oxford University Press.

Brown, T. (2021). Kemia: Keskustiede. (11. painos). Lontoo, Englanti: Pearson Education.

Chang, R. (2008). Fysikaalinen kemia (1. painos ). New York City, New York: McGraw Hill.

Termodynamiikan lait (nd). Haettu osoitteesta https://www.khanacademy.org/

Perusmääritelmät – järjestelmä ja ympäristö. (2020, 13. elokuuta). Haettu osoitteesta https://chem.libretexts.org/@go/page/53093

-Mainos-

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

Artículos relacionados

Liekin väritesti