ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА

Изолированная система в термодинамике: определение, особенности и примеры

ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА

В термодинамике есть несколько видов систем: изолированная и неизолированная. То, где они встречаются, когда применяются, показывает, насколько они полезными могут быть и как за ними ухаживать. В противном случае, если такие системы оказываются вредными для работы человека, – как от них избавиться.

Что это такое?

Изолированная система – это абсолютно любое скопление атомов и молекул (вещь, планета, человеческое тело), которое сохраняет в себе энергию всего вещества. Такая система полностью изолирована от внешнего мира, её ещё называют замкнутой.

Суть изолированной системы сводится к тому, что она при всём своём желании не будет делиться теплотой, не транжирит энергию, вещество у неё отнимать придётся силой. Для примера можно посмотреть на аквариум. Внутри него происходят процессы: дохнут рыбки, портится вода, разрушаются ракушки. Но с внешней средой аквариум не контактирует.

Ещё одним примером изолированной системы является утюг – энергию сам не потратит, веществами не поделится. Такое явление наблюдается у танковых двигателей, Солнечной системы – у всего, что не делится энергией с другими.

К замкнутым изолированным системам нельзя отнести автомобиль – он передвигается с определённой скорость сам! Также не относятся чайники, растения, живые организмы – они делятся с окружающим миром веществами. Живые организмы выделяют продукты обмена, растения – кислород, чайник – пар при закипании.

Интересный факт: замкнутой называют такую систему, где сумма производимых сил и работы равна нулю, а изолированной – где тела просто действуют отдельно от других систем. При этом изолированная система не всегда замкнутая, но замкнутая система обязательно будет изолированной.

В движениях – ловушка

Есть один нюанс: двигаться им самим нельзя, а вот если их кто-то передвигает, то правило не нарушается.

Так, если взять изолированную систему и кинуть её с высоты, случайно уронить, сбросить с парашюта – неважно, изолированной она быть не перестанет.

Если конечно не разбить её при таких действиях – та же бутылка с водой, скинутая с высоты, выпустит наружу всю воду – поделится с другими системами веществом – что означает, что система будет уже не замкнутой.

Под такое описание подходят пистолет и пуля – не действует без пальца на курке, тяжёлое тело и Земля – ничего не происходит, если не толкнуть тело на почву.

Теплоту учитывать тоже надо

Изолированная система в термодинамике – это макротело, которое вообще ни разу ничем не делится: энергия, вещество и тепло не выходят за пределы системы. Как пример – термос. Он сохраняет градус налитого в него чая, напитком без вмешательства человека насильно (открыть и вылить самому) не поделится, и энергию никуда не тратит.

Причем изолированная система всегда стремится прийти в термодинамическое равновесие, и нужен кто-то третий, чтобы её вывели из этого состояния. То есть, если приводить пример того же термоса, то при длительном его нахождении в окружающей среде чай все равно остынет. Поэтому нужен человек, который опять его зальёт горячим чаем, и система вновь будет термодинамически изолированной.

Зачем оно надо?

Понятие изолированной системы охватывает многие механизмы, системы и экосистемы. Человеку понимание того, как они устроены, нужно для того, чтобы правильно за ними ухаживать.

Если это аквариум, то перед тем, чтобы в него полезть с руками и ногами, пытаясь почистить, нужно сначала посмотреть, как сделать всё так, чтобы не нарушить её.

Если это механизмы или оборудование – как ими пользоваться, чтобы потом не было мучительно больно их чинить.

При этом, если брать в глобальных масштабах, пустыня – тоже изолированная система: внутри неё происходят определённые механизмы жизнедеятельности, которые за её пределы не выходят. Леса, степи, вулканы, а также атмосфера служат относительно изолированными экосистемами. Люди, не понимая, как они работают, порой сами не осознают, беды какого масштаба они создают.

Есть ещё одно «но». Изолированная система никогда не будет существовать абсолютно отдельно от других систем. Но это понятие существует. Оно удобно для того, чтобы проводить подсчеты в математике, термодинамике, химии и физике. Всю энергию и вещество, что выделяет изолированная система, принимают за ноль и оперируют теми числами, которые необходимы в данный момент.

Изолируем неизолируемое!

Даже открытая система может стать изолированной, если её отгородить чем-то от окружающей среды. В роли перегородки выступает адиабатическая система, которая служит оболочкой для открытой системы, делая её замкнутой. Ее можно сравнить с фольгой, которой обматывают предмет, стремясь защитить его от солнечных лучей.

Если разглядывать в более широком смысле, то примером может служить атмосфера для Земли – она защищает планету от космического влияния и служит оболочкой, которая даёт нам жизнь.

Существует закон сохранения импульса для замкнутой изолированной системы: Сумма импульсов в замкнутой системе остается постоянной, как бы тела не взаимодействовали между собой внутри системы. И это правильно: хоть сила импульсов может меняться со временем, обстоятельствами, возможностями, все равно их сумма будет оставаться постоянной.

В конце – жирная точка…

Таким образом, вывод напрашивается такой:

  • Изолированная система не зависит от окружающей среды, насколько это вообще возможно, производя внутри себя энергию, работу и вещество. Она останется постоянной, при этом стремясь к равновесию.
  • Замкнутая изолированная система тоже будет не зависеть от условий окружающей среды, из себя ничего не выделять, но работа в ней будет суммарно равна нулю. То есть закон сохранения импульсов будет распространяться скорее на такую систему, чем на незамкнутую.
  • Изолированная система в термодинамике не будет зависеть от теплоты окружающей среды. Этого состояния пытаются добиться строители, когда утепляют дома. Кстати, пенопласт легко может служить адиабатической оболочкой для дома, делая его изолированной системой.
  • Изолированной системы не существует в принципе: всё с чем-то взаимодействует. Если закрыть аквариум, вода будет бедной на кислород, и рыбки будут дохнуть. Они в любом случае остаются в минусе.

Изолированные системы нужны науке для того, чтобы была чистота эксперимента – некоторыми величинами можно пренебречь. А в жизни – за ними нужен правильный уход и использование.

Источник: https://FB.ru/article/337870/izolirovannaya-sistema-v-termodinamike-opredelenie-osobennosti-i-primeryi

Изолированная система термодинамики

ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА

Определение 1

Изолированная система термодинамики (другими словами, – замкнутая система) является термодинамической системой, которая не обеспечивает обмен ни энергией, ни веществом в условиях взаимодействия с окружающей средой.

Рисунок 1. Второе начало термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В термодинамике постулатом выступает утверждение о постепенном переходе изолированной системы в положение термодинамического равновесия, выход из которого в самостоятельном формате становится невозможным (речь идет о нулевом начале термодинамики).

Замечание 1

Адиабатически изолированная система выступает в качестве термодинамической системы, не производящей обмен энергии в формате теплоты с окружающей средой. Изменения внутренней энергии подобной системы будет в таком случае равнозначно проводимой над ней работе. Всякий, происходящий в рамках адиабатически изолированной системы, процесс будет носить название «адиабатический».

В практическом плане относительная адиабатическая изоляция будет достигаться посредством заключения системы в адиабатическую оболочку (к примеру, сосуд Дьюара). Реальный процесс также может считаться адиабатическим, в случае протекания в достаточно быстром формате (таким образом, что теплообмен с окружающими телами становится пренебрежительно малым за короткий временной промежуток).

Типы термодинамических систем

Рисунок 2. Термодинамическая система. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Термодинамическая система считается в физике объектом исследования в термодинамике. Она выступает в качестве отдельного макроскопического тела (либо группы), которые фактически отделены от окружающей среды посредством границы раздела (оболочки или перегородки).

Такая система будет характеризоваться благодаря макроскопическим параметрами, таким, как объем, давление, температура, и состоять из большого количества микроскопических частиц. Различают такие термодинамические системы:

  • изолированная (представляющая систему, не обменивающуюся ни за счет массы, ни энергии, с окружающей средой);
  • закрытая является системой (не способной обмениваться с окружающей средой массой, но производящая при этом энергетический обмен);
  • открытая производит обмен со средой, которая ее окружает, посредством массы и энергии (речь может идти, например, о живом организме).

В условиях изолированной системы общее изменение энтропии оказывается всегда положительным, иными словами, всегда возрастающей будет общая энтропия изолированной системы. При этом в одной части системы энтропия склонна к уменьшению, например, однако, это обязательно должно компенсироваться за счет увеличения ее в остальных частях системы.

Второе начало термодинамики для изолированных систем

Рисунок 3. Второе начало термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Термодинамическая вероятность представляет количество вариантов размещения молекул и также распределения их скоростей, соответствующее данному состоянию системы.

Исходя из самого смысла этого понятия, любая предоставленная сама себе (то есть изолированная) система будет переходящей из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей. Обратный переход становится в таких условиях принципиально возможным (теоретически), но практически невероятным.

На основании формулы Больцмана, формулируется второе начало термодинамики: все реальные процессы в условиях изолированной системы выполняются в сторону состояний с большей вероятностью, то есть с повышением энтропии. То есть, второе начало будет представлять вероятностный закон.

Флуктуации считаются демонстрационным примером вероятностного характера физических процессов. Так, невозможно с абсолютной уверенностью и точностью предвидеть направление и место изменений плотности, например, в данном объеме газа. Но вполне возможным становится при этом расчет вероятности определенной флуктуации.

Флуктуации присутствуют и в живых организмах. Вследствие флуктуаций молекул мембраны, например, каналы, через которые осуществляется ионный перенос через мембрану, случайным образом могут то закрываться, то открываться, что демонстрируют опыты.

Флуктуации в рецепторных клетках ощутимо воздействуют на восприятие слабых сигналов (света, звука и пр.), которые теряются на фоне так называемого «флуктуационного шума» (хаотичных колебаний на мембране разности потенциалов вследствие флуктуаций).

Изолированная система в окружающем мире

Изолированная система в окружающем мире проявляется следующим образом:

Даже для открытой системы возможна изоляция при условии ее отгораживания от окружающей среды посредством чего-то.Перегородкой выступит в таком случае адиабатическая система, служащая оболочкой для открытой системы и превращающая ее в замкнутую.

Так, она сравнима с фольгой для обматывания предмета в стремлении защитить его от солнечных лучей. В более масштабном смысле примером может быть атмосфера для Земли, выступающая в качестве защиты планеты от космических воздействий на нее и служащая оболочкой, дающей жизнь биологическим организмам.

Замечание 2

Для изолированной системы (замкнутого типа) существует закон сохранения импульса: сумма импульсов в такой системе остается постоянной величиной, несмотря на способ взаимодействия тел друг с другом внутри системы.

При этом, такая система также не будет зависимой от условий окружающей среды и выделять из себя что-то, однако работа в ней суммарно будет соответствовать нулевому значению. Закон сохранения импульсов будет распространен, скорее, именно на такую систему, чем на систему незамкнутого типа.

В термодинамике изолированная система не будет зависимой от теплоты окружающей среды. К подобному состоянию стремятся строители в плане утепления домов. Кстати, пенопласт вполне может выступить в качестве адиабатической оболочки для дома, превращая его в изолированную систему.

В природе изолированной системы, в принципе, не существует, поскольку все с чем-то будет взаимодействовать. Изолированные системы нужны в науке в экспериментальных целях.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/izolirovannaya_sistema_termodinamiki/

Термодинамика для самых маленьких

ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА

Есть 4 закона термодинамики, и они являются одними из самых важных законов во всей физике. Законы следующие

· Нулевой закон термодинамики – если две термодинамические системы находятся в тепловом равновесии с третьим, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом.

· Первый закон термодинамики – энергия ниоткуда не возникает и никуда не пропадает, она переходит из одного состояния в другое, из одного тела в другое. В любом процессе общая энергия вселенной/системы остается неизменной. Для термодинамического цикла чистая энергия, подаваемая в систему, равна чистой работе, проделанной системой.

· Второй закон термодинамики – энтропия изолированной системы, не находящейся в равновесии, будет иметь тенденцию к увеличению со временем, приближаясь к максимальному значению в равновесии.

· Третий закон термодинамики. Когда температура приближается к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянному минимуму.

Прежде чем перейти к этим законам более подробно, будет проще, если я сначала введу энтропию.

Энтропия и фазовое пространство

Энтропия – очень важная вещь в области термодинамики. Это основная идея второго и третьего законов, которая проявляется повсюду. По существу, энтропия является мерой беспорядка и случайности в системе. Вот 2 примера

Допустим, у вас есть контейнер с молекулами газа. Если все молекулы находятся в одном углу, то это будет состояние с низкой энтропией (высокоорганизованное). Когда частица выходит и заполняет остальную часть контейнера, тогда энтропия (беспорядок) увеличивается.

Если у вас есть шар, летящий по воздуху, он начнет с организованной энергией, т.е. с кинетической энергией движения. Однако при движении по воздуху некоторая часть кинетической энергии распределяется между частицами воздуха, поэтому общая энтропия системы увеличилась (однако общая энергия сохраняется благодаря первому закону)

Чтобы получить более детальную картину энтропии, нам нужно взглянуть на концепцию фазового пространства. Некоторые концепции для этого могут быть немного запутанными, но имейте в виду, как только вы обдумаете это, это не так уж и сложно.

Фазовое пространство подобно графику, но точка на этом графике представляет все состояние системы. Давайте использовать пример. Представьте, что у меня есть коробка с 4 частицами газа внутри. Каждая точка в фазовом пространстве для этой системы говорит вам, где все 4 частички находятся в коробке.

В нашем примере нас интересуют только положения 4 частиц, поэтому каждая точка в фазовом пространстве должна содержать координаты x, y и z для каждой частицы, поэтому наше фазовое пространство является 3N-мерным, где N – число частицы в системе. Таким образом, в нашем случае фазовое пространство является 12-мерным, чтобы каждая точка могла описать местоположение 4 тел.

На всех диаграммах я буду изображать фазовое пространство как 2D, чтобы было легче передать то, что оно на самом деле представляет. Для наших целей нам не нужно будет учитывать размеры.

Если мы представим, что каждая из частиц имеет разный цвет, мы можем легче отслеживать их положение. Если мы представим случай, когда все частицы расположены в одном углу контейнера, то мы имеем ситуацию

С точки зрения системы, существует множество других комбинаций из 4 частиц, которые будут организованы так же, как указано выше

и так далее. Каждый из этих наборов будет соответствовать разному положению в фазовом пространстве, поскольку все они представляют собой различные схемы системы из 4 частиц. Если мы добавим их в фазовое пространство вместе с оригиналом, мы получим что-то вроде

Эти 5 макетов 4 частиц, наряду с 11 другими комбинациями, составляют набор состояний, которые (кроме цветов) неразличимы. Таким образом, в фазовом пространстве мы могли бы поместить прямоугольник вокруг 16 состояний, который определяет все состояния внутри него как макроскопически неразличимые.

Общее фазовое пространство системы будет иметь много областей всех форм и размеров и может выглядеть следующим образом

Но как все это абстрактное представление связано с энтропией? Энтропия, заданная в уравнениях как символ S, определяется тогда так:

Где K постоянная Больцмана ( 1,38*10 в минус 23 степени ДЖ/К) и V объем коробки в фазовом пространстве. Все точки в области фазового пространства имеют одинаковую энтропию, и значение энтропии связано с логарифмом объема (первоначально Больцман никогда не ставил константу K в формуле, поскольку он не имел отношения к единицам. Вставка К, первым использовал Планк).

Энтропия также может быть определена как изменение при передаче энергии при постоянной температуре.

Где дельта S изменение энтропии, Q энергия или тепло, а Т постоянная температура.

Нулевой закон

Нулевой закон назван так, так-как он появился после других 3. Законы 1, 2 и 3 были известны некоторое время, прежде чем важность этого закона была полностью понята.

Оказалось, что этот закон был настолько важен и фундаментален, что он должен был идти перед другими 3, и вместо того, чтобы переименовать уже хорошо известные 3 закона, они назвали новый закон Нулевым и поместили его в начале списка.

Но что это на самом деле означает? Закон гласит

«Если две термодинамические системы находятся в тепловом равновесии с третьим, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом».

В основном, если A = B и C = B, то A = C. Это может показаться настолько очевидным, что это не нужно указывать, но без этого закона мы не смогли бы определить температуру и не смогли бы построить термометры.

Первый Закон

Первый закон термодинамики в основном утверждает, что энергия сохраняется; оно не может быть ни создано, ни уничтожено, просто может быть изменено с одного на другое,

«Общее количество энергии в изолированной системе сохраняется».

Энергия в системе может быть преобразована в тепло, работу или другие вещи, но у вас всегда будет то же самое количество, с которого вы начали.

Как аналогия, думайте об энергии как о неразрушимых блоках. Если у вас есть 30 блоков, то, что бы вы ни делали с блоками или из них, у вас всегда будет 30 в конце. Вы не можете уничтожить их, только переместить их или разделить, но всегда будет их 30. Иногда вы можете потерять один или несколько, но они все равно должны быть приняты во внимание, потому что энергия сохраняется.

Фундаментальное термодинамическое соотношение

Из второго закона мы можем написать, что изменение внутренней энергии системы равно теплу/энергии подаваемому в систему Q, минус любая работа, выполненная системой W:

Из приведенного выше определения энтропии мы можем:

Теперь, если у нас есть система частиц, которые отличаются друг от друга – мы можем получить химические реакции, поэтому нам нужно добавить еще один термин, чтобы принять это во внимание

Второй Закон

Это, пожалуй, самый известный (по крайней мере среди ученых) и важный закон науки. Здесь утверждается;

«Энтропия вселенной стремится к максимуму».

Другими словами, энтропия либо остается неизменной, либо увеличивается, энтропия вселенной никогда не может уменьшиться.

Проблема в том, что это не всегда так. Если вы возьмете наш пример с 4 атомами в коробке, то все они, находящиеся в одном углу, являются высокоупорядоченной системой и поэтому будут иметь низкую энтропию, а затем со временем они станут более беспорядочными и увеличат энтропию. Но ничто не мешает им все случайно вернуться в угол. Это невероятно маловероятно, но на самом деле невозможно.

Если вы посмотрите на проблему с точки зрения фазового пространства, то увидите, что с течением времени более вероятно, что вы переместитесь в большую коробку, что означает более высокую энтропию, но нет никакого реального барьера, мешающего вам вернуться в меньшую коробку.

Третий Закон

Третий закон обеспечивает абсолютную точку отсчета для измерения энтропии, утверждая, что

«Когда температура системы приближается к абсолютному нулю (-273,15 ° C, 0 K), тогда значение энтропии приближается к минимуму».

Значение энтропии обычно равно 0 при 0К, однако в некоторых случаях в системе все еще остается небольшое количество остаточной энтропии.

Основы

Когда вы нагреваете что-то, в зависимости от того, из чего оно сделано, нагревание занимает разное время.

Предполагая, что мощность, количество энергии, передаваемой за единицу времени, остается постоянной, это должно означать, что некоторым материалам требуется больше энергии, чтобы повысить свою температуру на 1 К (1 К фактически равен 1 ° С, они просто начинаются в другом месте), чем другие. Деревянная ложка нагревается намного дольше, чем металлическая.

Мы говорим, что металл – хороший проводник тепла, а дерево – плохой проводник тепла. Энергия, необходимая для поднятия 1 кг вещества на 1 К, называется его удельной теплоемкостью. Формула, которую мы используем, чтобы найти, сколько энергии требуется, чтобы поднять 1 кг вещества на 1 К, имеет вид:

Максвелла Отношения

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5e246f04df944400b9510264/termodinamika-dlia-samyh-malenkih-5efa7aaa71854f76fa0485b3

Ваш педагог
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: