Hvad er et lukket system i termodynamik?

I termodynamik er et lukket system et, der ikke udveksler stof med sine omgivelser, men kan udveksle energi på forskellige måder. Det er med andre ord et system, hvis grænser ikke tillader atomer eller molekyler at komme ind eller ud, men hvorigennem energi kan passere, hvad enten det er i form af lys, varme, arbejde osv.

Termodynamiske systemer generelt er konceptuelle modeller, der hovedsageligt bruges til at forenkle den matematiske beskrivelse af virkelige systemer. I denne forstand eksisterer perfekt lukkede systemer ikke rigtig, da de skulle være fuldstændig hermetiske, og det er næsten umuligt at forhindre selv en håndfuld atomer i at krydse barrieren, der adskiller systemet fra omgivelserne.

Imidlertid er mange systemer hermetiske nok til at blive betragtet som lukkede, og korrekt analyse og forståelse af sådanne systemer gør det muligt at forstå mange af termodynamikkens mest fundamentale begreber. Sidstnævnte skyldes, at lukkede systemer giver os mulighed for at “observere” den effekt, som strømmen af ​​energi fra og til systemet har på et system, uden at tilføje komplikationen af ​​andre interaktioner, der kommer fra udveksling af stof.

Karakteristika for lukkede systemer

Lukkede systemer har nogle egenskaber, der adskiller dem fra de to andre typer systemer, der betragtes i termodynamik:

• De udveksler ikke stof med omgivelserne.
• De er systemer, hvor stof er bevaret.
• De er omgivet af mure eller diatermiske grænser.
• De udveksler energi med omgivelserne.
• De kan have både stive og fleksible vægge, så længe stofstrømmen fra den ene side til den anden under alle omstændigheder ikke er tilladt.
• De interagerer med omgivelserne gennem udveksling af energi.
• Det er systemer, der kan udføre arbejde mod omgivelserne eller modtage arbejde fra omgivelserne.

Eksempler på lukkede systemer

Selvom der som nævnt ovenfor ikke eksisterer perfekt lukkede systemer, er der mange eksempler på rigtige systemer, der af praktiske årsager anses for lukkede.

Eksempel 1: En lukket sodavand.

En sodavandsflaske er tilstrækkeligt forseglet til at forhindre kuldioxid i at slippe ud, selv under tryk. Det er dog tydeligt, at dåsens eller flaskens vægge tillader varmen at flyde, da læskedrikke afkøles i køleskabet og genopvarmes, hvis de holdes ude.

Eksempel 2: En trykkoger, før der fløjtes.

Trykkogere nævnes ofte som eksempler på lukkede systemer, og det er de virkelig. Under den første opvarmning er gryden hermetisk forseglet og tillader ikke luft eller damp at komme ind eller ud. På den anden side er det tydeligt, at der kommer energi ind i form af varme, da både gryden og dens indhold langsomt varmes op.

Det er dog vigtigt at bemærke, at dette kun er sandt, så længe ventilen er lukket (dvs. så længe gryden ikke bipper). Når komfurets indre tryk overstiger det tryk, ventilen udøver, og ventilen åbner, slipper dampen og andre gasser, der er under højt tryk inde i komfuret, ud med høj hastighed. Dette repræsenterer en udveksling af stof med omgivelserne.

Eksempel 3: Uåbnet snackpose.

Chip- og snackposer er også et godt eksempel på et lukket system. Ud over ikke at tillade ind- eller udgang af luft eller andre stoffer, og udover at tillade passage af energi i form af varme, tillader de også strømning af energi i form af arbejde gennem posen. Et bevis på dette er, at vi kan dele den stegte mad med hænderne gennem posen, uden at skulle åbne den. For at bryde eller deformere et materiale (som f.eks. en kartoffelchips) er det nødvendigt at udføre arbejde, så vi (der fungerer som omgivelserne) effektivt udfører arbejde på det indre af systemet (består af chipsene inde i posen) .

Eksempel 4: Konserves.

Konserves er alle eksempler på lukkede systemer. Det er tydeligt, at indholdet af dåserne praktisk talt ikke udveksler noget stof med omgivelserne.

Inde i dåserne kan der forekomme kemiske reaktioner eller forskellige typer biologiske processer, som kan omdanne stoffet i dåserne, men uanset hvad der sker indeni, forbliver massen indeni konstant.

Eksempel 5: Vakuum forseglet kød.

Kød og andre proteiner konserveres ofte ved at vakuumpakke dem i tunge plastikposer, der er hermetisk forseglet. Dette er også et eksempel på et lukket system. Faktisk er kødet i nogle tilfælde marineret, før det lukkes, og det kan endda tilberedes inde i selve pakkerne, hvilket tillader varmestrømmen, der tilbereder kødet, men undgår tab af saften, der giver det dens udsøgte smag.

Referencer

Atkins, P., fra Paula J. (2014). Atkins’ Fysisk Kemi. (Rev. red.). Oxford, Storbritannien: Oxford University Press.

Brown, T. (2021). Kemi: Centralvidenskaben. (11. udgave). London, England: Pearson Education.

Chang, R. (2008). Fysisk kemi (1. ^udg .). New York City, New York: McGraw Hill.

Termodynamikkens love (nd). Hentet fra https://www.khanacademy.org/

Grundlæggende definitioner – System og omgivelser. (2020, 13. august). Hentet fra https://chem.libretexts.org/@go/page/53093