Cos’è un sistema chiuso in termodinamica?

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In termodinamica, un sistema chiuso è un sistema che non scambia materia con l’ambiente circostante, ma può scambiare energia in modi diversi. In altre parole, è un sistema i cui confini non consentono l’ingresso o l’uscita di atomi o molecole, ma attraverso il quale può passare l’energia, sia essa sotto forma di luce, calore, lavoro, ecc.

Schema di un sistema termodinamico chiuso

I sistemi termodinamici in generale sono modelli concettuali utilizzati principalmente per semplificare la descrizione matematica di sistemi reali. In questo senso, in realtà non esistono sistemi perfettamente chiusi, poiché dovrebbero essere totalmente ermetici ed è quasi impossibile impedire che anche una manciata di atomi attraversi la barriera che separa il sistema dall’ambiente circostante.

Tuttavia, molti sistemi sono abbastanza ermetici da essere considerati chiusi e un’analisi e una comprensione adeguate di tali sistemi consente di comprendere molti dei concetti fondamentali della termodinamica. Quest’ultima è dovuta al fatto che i sistemi chiusi permettono di “osservare” l’effetto che il flusso di energia da e verso il sistema ha su un sistema, senza aggiungere la complicazione di altre interazioni derivanti dallo scambio di materia.

Caratteristiche dei sistemi chiusi

I sistemi chiusi hanno alcune caratteristiche che li distinguono dagli altri due tipi di sistemi considerati in termodinamica:

  • Non scambiano materia con l’ambiente circostante.
  • Sono sistemi in cui la materia si conserva.
  • Sono circondati da mura o confini diatermici.
  • Scambiano energia con l’ambiente circostante.
  • Possono avere pareti sia rigide che flessibili, purché non sia consentito in ogni caso il flusso di materia da una parte all’altra.
  • Interagiscono con l’ambiente circostante attraverso lo scambio di energia.
  • Sono sistemi che possono eseguire lavoro nell’ambiente circostante o ricevere lavoro dall’ambiente circostante.

Esempi di sistemi chiusi

Sebbene, come accennato in precedenza, non esistano sistemi perfettamente chiusi, esistono molti esempi di sistemi reali che, ai fini pratici, vengono considerati chiusi.

Esempio 1: una bibita chiusa.

Esempio di un sistema chiuso - bibite in lattina

Una bottiglia per bibite è sufficientemente sigillata da impedire la fuoriuscita di anidride carbonica, anche sotto pressione. Tuttavia, è chiaro che le pareti della lattina o della bottiglia permettono al calore di fluire mentre le bibite si raffreddano nel frigorifero e si riscaldano se lasciate fuori.

Esempio 2: Una pentola a pressione, prima di fischiare.

Le pentole a pressione sono spesso citate come esempi di sistemi chiusi, e lo sono davvero. Durante il riscaldamento iniziale, la pentola è sigillata ermeticamente e non consente l’ingresso o l’uscita di aria o vapore. D’altra parte, è evidente che l’energia sta entrando sotto forma di calore, dal momento che sia la pentola che il suo contenuto si stanno lentamente riscaldando.

Esempio di un sistema chiuso: una pentola a pressione chiusa.

È importante notare, tuttavia, che questo è vero solo finché la valvola è chiusa (ovvero, finché la pentola non emette segnali acustici). Quando la pressione interna della pentola supera la pressione esercitata dalla valvola e la valvola si apre, il vapore e gli altri gas che si trovano ad alta pressione all’interno della pentola fuoriescono ad alta velocità. Questo rappresenta uno scambio di materia con l’ambiente circostante.

Esempio 3: sacchetto snack non aperto.

Esempio di sistema chiuso - buste di frutta chiuse

Anche i sacchetti per patatine e snack sono un buon esempio di sistema chiuso. Oltre a non permettere l’ingresso o l’uscita di aria o altre sostanze, e oltre a permettere il passaggio di energia sotto forma di calore, permettono anche il flusso di energia sotto forma di lavoro attraverso il sacco. Prova ne è il fatto che possiamo dividere il fritto con le mani attraverso il sacchetto, senza doverlo aprire. Per rompere o deformare un materiale (come una patatina, ad esempio) è necessario fare del lavoro, quindi noi (agendo come l’ambiente circostante) stiamo effettivamente lavorando all’interno del sistema (costituito dai trucioli all’interno del sacchetto) .

Esempio 4: Cibi in scatola.

I cibi in scatola sono tutti esempi di sistemi chiusi. È evidente che il contenuto delle lattine praticamente non scambia alcuna sostanza con l’ambiente circostante.

Esempio di sistema chiuso: cibo in scatola

All’interno delle lattine possono verificarsi reazioni chimiche o diversi tipi di processi biologici che possono trasformare la materia nelle lattine, ma qualunque cosa accada all’interno, la massa all’interno rimane costante.

Esempio 5: Carni sottovuoto.

Esempio di sistema chiuso: carne sottovuoto

Le carni e altre proteine ​​vengono spesso conservate confezionandole sottovuoto in pesanti sacchetti di plastica sigillati ermeticamente. Anche questo è un esempio di sistema chiuso. In alcuni casi, infatti, le carni vengono marinate prima di essere sigillate e possono anche essere cotte all’interno delle confezioni stesse, permettendo il flusso di calore che cuoce la carne, ma evitando la perdita dei succhi che le conferiscono il suo squisito sapore.

Riferimenti

Atkins, P., da Paula J. (2014). Chimica fisica di Atkins. (Rev. ed.). Oxford, Regno Unito: Oxford University Press.

Marrone, T. (2021). Chimica: la scienza centrale. (11a ed.). Londra, Inghilterra: Pearson Education.

Chang, R. (2008). Chimica fisica (1a ed .). New York, New York: McGraw Hill.

Leggi della termodinamica (nd). Estratto da https://www.khanacademy.org/

Definizioni di base – Sistema e dintorni. (2020, 13 agosto). Estratto da https://chem.libretexts.org/@go/page/53093

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

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