Izolált rendszer a termodinamikában: meghatározás, jellemzők és példák

2024 Szerző: Henry Conors | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-02-12 08:28

A termodinamikában többféle rendszer létezik: izolált és nem szigetelt. Hol találhatók, mikor alkalmazzák őket, megmutatja, mennyire hasznosak lehetnek, és hogyan kell gondoskodni róluk. Ellenkező esetben, ha az ilyen rendszerek károsak az emberi munkára, hogyan lehet megszabadulni tőlük.

Mi ez?

Az izolált rendszer abszolút minden atomok és molekulák (dolog, bolygó, emberi test) halmozódása, amely megtartja minden anyag energiáját. Az ilyen rendszer teljesen elszigetelt a külvilágtól, zártnak is nevezik.

Egy elszigetelt rendszer lényege, hogy minden vágya ellenére nem osztja meg a hőt, nem pazarolja az energiát, az anyagot erőszakkal kell elvenni belőle. Például megnézheti az akváriumot. Folyamatok mennek végbe benne: a halak elpusztulnak, a víz romlik, a kagylók összeomlanak. De az akvárium nem érintkezik a külső környezettel.

Az elszigetelt rendszer másik példája a vas – nem költi el az energiát maga, nem oszt meg anyagokat. Ilyen jelenség figyelhető meg a tartálymotorokban, a naprendszerben – mindenben, ami nem osztja meg az energiát másokkal.

Zárt elszigetelt rendszerekrenem tudja elvinni az autót - egy bizonyos sebességgel magától mozog! Nem tartoznak ide a teáskannák, a növények, az élő szervezetek sem – ezek osztoznak anyagokon a külvilággal. Az élő szervezetek anyagcseretermékeket, a növények - oxigént, egy vízforraló - gőzt bocsátanak ki forrás közben.

Érdekes tény: zárt rendszernek nevezzük azt a rendszert, ahol a termelt erők és a munka összege nulla, és izolált – ahol a testek egyszerűen külön működnek a többi rendszertől. Ugyanakkor egy elszigetelt rendszer nem mindig zárt, de egy zárt rendszer szükségszerűen elszigetelődik.

A mozgás csapda

Van egy figyelmeztetés: maguktól nem mozoghatnak, de ha valaki megmozdítja őket, akkor a szabály nem sérül. Tehát, ha veszel egy elszigetelt rendszert, és kidobod a magasból, véletlenül leejted, leejted egy ejtőernyőről - nem számít, nem szűnik meg elszigetelt lenni. Kivéve persze, ha az ilyen műveletek során eltörik - ugyanaz a magasból kidobott víz kiengedi az összes vizet - megosztja az anyagot más rendszerekkel - ami azt jelenti, hogy a rendszer többé nem lesz bezárva.

Ez a leírás egy pisztolyhoz és egy golyóhoz illik - nem működik ujj nélkül a ravasz, nehéz test és a Föld nélkül - semmi sem történik, ha nem nyomja a testet a földre.

A hőt is figyelembe kell venni

A termodinamikában egy elszigetelt rendszer olyan makrotest, amely soha nem osztozik semmin: az energia, az anyag és a hő nem lépi túl a rendszer határait. Ilyen például a termosz. Megtartja a beleöntött tea fokát, egy it alt emberi beavatkozás nélkül erőszakosan (nyitva és öntenimaga) nem osztja meg, és nem költ energiát sehova.

Sőt, egy elszigetelt rendszer mindig a termodinamikai egyensúly elérésére törekszik, és valaki másra van szükség, aki kihozza ebből az állapotból. Vagyis ha példát adunk ugyanarra a termoszra, akkor hosszan tartó környezetben való tartózkodás mellett a tea még kihűl. Ezért szükség van egy személyre, aki újra megtölti forró teával, és a rendszer ismét termodinamikailag izolált lesz.

Miért van rá szükség?

Az elszigetelt rendszer fogalma számos mechanizmust, rendszert és ökoszisztémát takar. Az embernek meg kell értenie, hogyan van elrendezve, hogy megfelelően gondoskodhasson róla. Ha ez egy akvárium, akkor mielőtt karokkal és lábakkal mászik bele, és megpróbálja megtisztítani, először meg kell néznie, hogyan kell mindent megtenni, hogy ne zavarja. Ha ezek mechanizmusok vagy felszerelések – hogyan kell használni őket, hogy később ne legyen elviselhetetlenül fájdalmas a javításuk.

Ugyanakkor, ha globális léptékben vesszük, a sivatag is egy elszigetelt rendszer: bizonyos élettevékenységi mechanizmusok zajlanak benne, amelyek nem lépnek túl rajta. Az erdők, sztyeppék, vulkánok és a légkör viszonylag elszigetelt ökoszisztémaként szolgál. Az emberek, nem értve, hogyan működnek, néha nem veszik észre magukban az általuk okozott gondok mértékét.

Van még egy "de". Egy elszigetelt rendszer soha nem fog létezni teljesen külön a többi rendszertől. De ez a koncepció létezik. Kényelmes matematika, termodinamika, kémia és fizika számításokhoz. Mindenaz energia és az anyag, amit egy elszigetelt rendszer kibocsát, nullának számít, és azokkal a számokkal működik, amelyekre az adott pillanatban szükség van.

Izolálja el az el nem szigeteltet

Még egy nyitott rendszer is elszigetelődhet, ha valami elválasztja a környezettől. Az adiabatikus rendszer partícióként működik, amely egy nyitott rendszer héjaként szolgál, zárttá téve azt. Összehasonlítható egy tárgy köré tekert fóliával, amely megpróbálja megvédeni a napsugaraktól.

Ha tágabb értelemben nézzük, akkor a Föld légköre példaként szolgálhat - megvédi a bolygót a kozmikus hatásoktól, és héjként szolgál, amely életet ad nekünk.

Létezik egy zárt izolált rendszer impulzusmegmaradási törvénye: Az impulzusok összege zárt rendszerben állandó marad, függetlenül attól, hogy a testek hogyan lépnek kapcsolatba egymással a rendszeren belül. És joggal: bár az impulzusok erőssége változhat az idő, a körülmények, a lehetőségek függvényében, összegük továbbra is állandó marad.

Egy vastag pont a végén…

Így a következtetés a következő:

• Egy elszigetelt rendszer a lehető legnagyobb mértékben független a környezetétől, energiát, munkát és anyagot termel magában. Ez állandó marad, miközben törekszik az egyensúlyra.
• A zárt elszigetelt rendszer szintén nem függ a környezeti feltételektől, nem fog semmit megkülönböztetni önmagától, de a benne végzett munka összesen nulla lesz. Vagyis a lendület megmaradásának törvénye az leszkiterjedjen egy ilyen rendszerre, nem pedig egy nyitottra.
• Egy elszigetelt rendszer a termodinamikában nem függ a környezet hőjétől. Az építtetők ezt az állapotot igyekeznek elérni a házak szigetelése során. A hab egyébként könnyen szolgálhat egy ház adiabatikus héjaként, így szigetelt rendszerré válik.
• Elszigetelt rendszer elvileg nem létezik: minden kölcsönhatásba lép valamivel. Ha bezárja az akváriumot, a víz oxigénszegény lesz, és a halak elpusztulnak. Amúgy is mínuszban maradnak.

A tudománynak elszigetelt rendszerekre van szüksége ahhoz, hogy a kísérlet tiszta legyen – néhány mennyiség elhanyagolható. De az életben – megfelelő gondozást és használatot igényelnek.