Một hệ thống khép kín trong nhiệt động lực học là gì?

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


Trong nhiệt động lực học, hệ kín là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh, nhưng có thể trao đổi năng lượng theo những cách khác nhau. Nói cách khác, nó là một hệ thống có biên giới không cho phép các nguyên tử hoặc phân tử đi vào hoặc đi ra, nhưng qua đó năng lượng có thể đi qua, dù ở dạng ánh sáng, nhiệt, công, v.v.

Sơ đồ hệ thống nhiệt động khép kín

Các hệ thống nhiệt động nói chung là các mô hình khái niệm chủ yếu được sử dụng để đơn giản hóa mô tả toán học của các hệ thống thực. Theo nghĩa này, các hệ thống khép kín hoàn hảo không thực sự tồn tại, vì chúng sẽ phải hoàn toàn kín và gần như không thể ngăn cản dù chỉ một số ít nguyên tử vượt qua hàng rào ngăn cách hệ thống với môi trường xung quanh.

Tuy nhiên, nhiều hệ thống đủ kín để được coi là đóng, và việc phân tích và hiểu đúng các hệ thống như vậy cho phép người ta hiểu được nhiều khái niệm cơ bản nhất của nhiệt động lực học. Điều thứ hai là do các hệ thống khép kín cho phép chúng ta “quan sát” tác động của dòng năng lượng từ và đến hệ thống đối với một hệ thống, mà không cần thêm sự phức tạp của các tương tác khác đến từ sự trao đổi vật chất.

Đặc điểm của hệ thống khép kín

Các hệ thống kín có một số đặc điểm phân biệt chúng với hai loại hệ thống khác được xem xét trong nhiệt động lực học:

  • Chúng không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh.
  • Chúng là những hệ thống trong đó vật chất được bảo toàn.
  • Chúng được bao quanh bởi các bức tường hoặc ranh giới điện nhiệt.
  • Họ làm trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh.
  • Chúng có thể có cả những bức tường cứng nhắc và linh hoạt, miễn là dòng vật chất từ ​​​​bên này sang bên kia không được phép trong bất kỳ trường hợp nào.
  • Chúng tương tác với môi trường xung quanh thông qua trao đổi năng lượng.
  • Chúng là những hệ thống có thể thực hiện công việc với môi trường xung quanh hoặc nhận công việc từ môi trường xung quanh.

Ví dụ về hệ thống khép kín

Mặc dù, như đã đề cập ở trên, không tồn tại các hệ thống đóng hoàn hảo, nhưng có rất nhiều ví dụ về các hệ thống thực, vì mục đích thực tế, được coi là đóng.

Ví dụ 1: Một lon soda kín.

Ví dụ về hệ thống khép kín - nước giải khát đóng lon

Một chai nước giải khát được đậy đủ kín để ngăn carbon dioxide thoát ra ngoài, ngay cả khi chịu áp lực. Tuy nhiên, rõ ràng là thành lon hoặc chai cho phép nhiệt lưu thông khi nước giải khát nguội trong tủ lạnh và hâm nóng lại nếu để ra ngoài.

Ví dụ 2: Một nồi áp suất, trước khi hú còi.

Nồi áp suất thường được coi là ví dụ về hệ thống khép kín, và chúng thực sự là như vậy. Trong quá trình gia nhiệt ban đầu, nồi được hàn kín và không cho phép không khí hoặc hơi nước đi vào hoặc thoát ra. Mặt khác, rõ ràng là năng lượng đang đi vào dưới dạng nhiệt, vì cả cái nồi và những thứ bên trong nó đang dần nóng lên.

Ví dụ về hệ thống kín - nồi áp suất kín.

Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là điều này chỉ đúng khi van vẫn đóng (tức là khi nồi không phát ra tiếng bíp). Khi áp suất bên trong nồi vượt quá áp suất do van tạo ra và van mở ra, hơi nước và các khí khác dưới áp suất cao bên trong nồi sẽ thoát ra với tốc độ cao. Điều này thể hiện sự trao đổi vật chất với môi trường xung quanh.

Ví dụ 3: Túi snack chưa mở.

Ví dụ về hệ thống khép kín - đóng bao trái cây

Túi chip và snack cũng là một ví dụ điển hình của hệ thống khép kín. Ngoài việc không cho phép không khí hoặc các chất khác đi vào hoặc thoát ra, và ngoài việc cho phép truyền năng lượng dưới dạng nhiệt, chúng còn cho phép dòng năng lượng dưới dạng công đi qua túi. Bằng chứng về điều này là chúng ta có thể dùng tay chia thức ăn chiên qua túi mà không cần phải mở túi. Để phá vỡ hoặc làm biến dạng một vật liệu (chẳng hạn như khoai tây chiên chẳng hạn), cần phải thực hiện công việc, vì vậy chúng tôi (đóng vai trò là môi trường xung quanh) đang thực hiện hiệu quả công việc bên trong hệ thống (được tạo thành từ các con chip bên trong túi) .

Ví dụ 4: Đồ hộp.

Thực phẩm đóng hộp là tất cả các ví dụ về hệ thống khép kín. Rõ ràng là nội dung của lon thực tế không trao đổi bất kỳ chất nào với môi trường xung quanh.

Ví dụ hệ thống khép kín - thực phẩm đóng hộp

Bên trong lon, các phản ứng hóa học hoặc các loại quá trình sinh học khác nhau có thể xảy ra có thể làm biến đổi vật chất trong lon, nhưng bất kể điều gì đang xảy ra bên trong, khối lượng bên trong vẫn không đổi.

Ví dụ 5: Thịt được hút chân không.

Ví dụ về hệ thống khép kín - Thịt kín hút chân không

Thịt và các loại protein khác thường được bảo quản bằng cách đóng gói chân không trong các túi nhựa nặng được hàn kín. Đây cũng là một ví dụ về hệ thống khép kín. Trên thực tế, trong một số trường hợp, thịt được tẩm ướp trước khi đóng gói và thậm chí có thể được nấu chín bên trong các gói, cho phép luồng nhiệt làm chín thịt nhưng tránh làm mất nước cốt mang lại hương vị tinh tế cho thịt.

Người giới thiệu

Atkins, P., từ Paula J. (2014). Atkins ‘Hóa học Vật lý. (Rev. ed.). Oxford, Vương quốc Anh: Nhà xuất bản Đại học Oxford.

Nâu, T. (2021). Hóa học: Khoa học Trung ương. (tái bản lần thứ 11). Luân Đôn, Anh: Giáo dục Pearson.

Chang, R. (2008). Hóa học vật lý (tái bản lần 1 ). Thành phố New York, New York: Đồi McGraw.

Các định luật nhiệt động lực học (nd). Lấy từ https://www.khanacademy.org/

Định nghĩa cơ bản – Hệ thống và Môi trường xung quanh. (2020, ngày 13 tháng 8). Lấy từ https://chem.libretexts.org/@go/page/53093

-Quảng cáo-

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

Artículos relacionados