熱力学における閉鎖系とは何ですか?

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熱力学では、閉鎖系とは周囲と物質を交換しないが、さまざまな方法でエネルギーを交換できるシステムです。つまり、原子や分子の出入りを許さず、光、熱、仕事などの形でエネルギーが通過できる境界を持つシステムです。

閉じた熱力学系のスキーム

一般に、熱力学系は概念モデルであり、主に実際の系の数学的記述を単純化するために使用されます。この意味で、完全に密閉されたシステムは実際には存在しません。完全に密閉されている必要があり、ほんの一握りの原子でさえ、システムを周囲から分離するバリアを通過するのを防ぐことはほとんど不可能だからです。

しかし、多くのシステムは閉じていると見なされるほど気密であり、そのようなシステムを適切に分析して理解することで、熱力学の最も基本的な概念の多くを理解することができます。後者は、閉じたシステムでは、物質の交換から生じる他の相互作用の複雑さを追加することなく、システムとの間のエネルギーの流れがシステムに与える影響を「観察」できるという事実によるものです。

閉鎖系の特徴

閉じたシステムには、熱力学で考慮される他の 2 つのタイプのシステムとは異なるいくつかの特徴があります。

  • 彼らは周囲と物質を交換しません。
  • それらは物質が保存されるシステムです。
  • それらは壁または断熱境界に囲まれています。
  • 彼らは周囲とエネルギーを交換します。
  • 一方から他方への物質の流れがいかなる場合にも許可されない限り、それらは剛性の壁と柔軟な壁の両方を持つことができます。
  • それらは、エネルギーの交換を通じて周囲と相互作用します。
  • 周囲に対して仕事をしたり、周囲から仕事を受け取ったりできるシステムです。

クローズドシステムの例

前述のように、完全に閉じたシステムは存在しませんが、実用的な目的で閉じていると見なされる実際のシステムの例は数多くあります。

例 1: クローズド ソーダ。

クローズドシステムの例 - 缶入りソフトドリンク

清涼飲料のボトルは、圧力がかかっていても二酸化炭素が逃げるのを防ぐために十分に密閉されています。しかし、缶やボトルの壁は、清涼飲料が冷蔵庫で冷やされ、放置されている場合は再び温められるため、熱が流れることを明確に示しています.

例 2: 口笛を吹く前の圧力鍋。

圧力鍋はクローズド システムの例としてよく挙げられますが、実際にそうです。初期加熱中、ポットは密閉されており、空気や蒸気が出入りすることはありません。一方、鍋とその内容物の両方がゆっくりと加熱されているため、エネルギーが熱の形で入っていることは明らかです。

閉鎖システムの例 - 閉鎖圧力鍋。

ただし、これはバルブが閉じている間 (つまり、ポットがビープ音を鳴らしていない間) にのみ当てはまることに注意することが重要です。釜の内圧が弁の圧力を超えて弁が開くと、釜内の高圧の蒸気などの気体が高速で逃げます。これは、周囲との物質の交換を表しています。

例 3: 未開封のスナックバッグ。

クローズド システムの例 - クローズド フルーツ バッグ

チップスやスナックバッグもクローズドシステムの良い例です。空気やその他の物質の出入りを許さないことに加えて、熱の形でエネルギーを通過させることに加えて、バッグを介して仕事の形でエネルギーの流れを可能にします。これを証明するのは、袋を開けなくても手で揚げ物を割ることができるという事実です。材料 (たとえばポテトチップスなど) を壊したり変形させたりするには、作業を行う必要があるため、私たち (周囲として機能する) は、システムの内部 (バッグ内のチップで構成される) に対して効果的に作業を行っています。 .

例 4: 缶詰食品。

缶詰食品はすべてクローズド システムの例です。缶の中身が周囲と実質的に交換していないことは明らかです。

クローズドシステムの例 - 缶詰

缶の内部では、化学反応またはさまざまな種類の生物学的プロセスが発生し、缶内の物質が変化している可能性がありますが、内部で何が起こっていても、内部の質量は一定のままです。

例 5: 真空密封された肉。

クローズドシステムの例 - 真空密封された肉

肉やその他のタンパク質は、密閉された重いビニール袋に真空パックして保存されることがよくあります。これもクローズドシステムの一例です。実際、肉を密閉する前にマリネし、パッケージ自体の中で調理することもできるため、肉を調理する熱の流れを可能にしながら、肉の絶妙な風味を与えるジュースの損失を回避します.

参考文献

Atkins, P.、Paula J. (2014) より。アトキンスの物理化学。(改訂版)。オックスフォード、英国: オックスフォード大学出版局。

ブラウン、T. (2021)。化学:中央科学。(第11版)。ロンドン、イギリス: ピアソン教育。

チャン、R. (2008)。物理化学(第1)。ニューヨーク州ニューヨーク市:マグロウヒル。

熱力学の法則 (nd)。https://www.khanacademy.org/から取得

基本的な定義 – システムと環境。(2020年8月13日)。https://chem.libretexts.org/@go/page/53093から取得

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

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