Tabla de Contenidos
Στη θερμοδυναμική, ένα κλειστό σύστημα είναι αυτό που δεν ανταλλάσσει ύλη με το περιβάλλον του, αλλά μπορεί να ανταλλάξει ενέργεια με διαφορετικούς τρόπους. Με άλλα λόγια, είναι ένα σύστημα του οποίου τα σύνορα δεν επιτρέπουν σε άτομα ή μόρια να εισέλθουν ή να φύγουν, αλλά από το οποίο μπορεί να περάσει ενέργεια, είτε με τη μορφή φωτός, θερμότητας, εργασίας κ.λπ.
Τα θερμοδυναμικά συστήματα γενικά είναι εννοιολογικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται κυρίως για την απλοποίηση της μαθηματικής περιγραφής πραγματικών συστημάτων. Υπό αυτή την έννοια, τέλεια κλειστά συστήματα δεν υπάρχουν στην πραγματικότητα, αφού θα έπρεπε να είναι εντελώς ερμητικά και είναι σχεδόν αδύνατο να αποτραπεί έστω και μια χούφτα ατόμων να διασχίσουν το φράγμα που χωρίζει το σύστημα από το περιβάλλον.
Ωστόσο, πολλά συστήματα είναι αρκετά ερμητικά ώστε να θεωρούνται κλειστά, και η σωστή ανάλυση και κατανόηση τέτοιων συστημάτων επιτρέπει σε κάποιον να κατανοήσει πολλές από τις πιο θεμελιώδεις έννοιες της θερμοδυναμικής. Το τελευταίο οφείλεται στο γεγονός ότι τα κλειστά συστήματα μας επιτρέπουν να «παρατηρούμε» την επίδραση που έχει η ροή ενέργειας από και προς το σύστημα σε ένα σύστημα, χωρίς να προσθέτουμε την επιπλοκή άλλων αλληλεπιδράσεων που προέρχονται από την ανταλλαγή ύλης.
Χαρακτηριστικά κλειστών συστημάτων
Τα κλειστά συστήματα έχουν ορισμένα χαρακτηριστικά που τα διακρίνουν από τους άλλους δύο τύπους συστημάτων που εξετάζονται στη θερμοδυναμική:
- Δεν ανταλλάσσουν ύλη με το περιβάλλον.
- Είναι συστήματα στα οποία διατηρείται η ύλη.
- Περιβάλλονται από τοίχους ή διαθερμικά όρια.
- Ανταλλάσσουν ενέργεια με το περιβάλλον.
- Μπορούν να έχουν τόσο άκαμπτα όσο και εύκαμπτα τοιχώματα, αρκεί σε καμία περίπτωση να μην επιτρέπεται η ροή της ύλης από τη μια πλευρά στην άλλη.
- Αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον μέσω της ανταλλαγής ενέργειας.
- Είναι συστήματα που μπορούν να κάνουν δουλειά στο περιβάλλον ή να λάβουν εργασία από το περιβάλλον.
Παραδείγματα κλειστών συστημάτων
Αν και, όπως προαναφέρθηκε, δεν υπάρχουν τέλεια κλειστά συστήματα, υπάρχουν πολλά παραδείγματα πραγματικών συστημάτων που, για πρακτικούς λόγους, θεωρούνται κλειστά.
Παράδειγμα 1: Μια κλειστή σόδα.
Ένα μπουκάλι αναψυκτικού είναι επαρκώς σφραγισμένο για να αποτρέψει τη διαφυγή του διοξειδίου του άνθρακα, ακόμη και υπό πίεση. Ωστόσο, είναι σαφές ότι τα τοιχώματα της κονσέρβας ή του μπουκαλιού επιτρέπουν τη ροή της θερμότητας καθώς τα αναψυκτικά κρυώνουν στο ψυγείο και ξαναζεσταίνονται αν αφεθούν έξω.
Παράδειγμα 2: Μια χύτρα ταχύτητας, πριν σφυρίξει.
Οι χύτρες ταχύτητας αναφέρονται συχνά ως παραδείγματα κλειστών συστημάτων, και πράγματι είναι. Κατά την αρχική θέρμανση, η κατσαρόλα είναι ερμητικά σφραγισμένη και δεν επιτρέπει την είσοδο ή την έξοδο αέρα ή ατμού. Από την άλλη πλευρά, είναι προφανές ότι η ενέργεια εισέρχεται με τη μορφή θερμότητας, αφού τόσο η κατσαρόλα όσο και το περιεχόμενό της θερμαίνονται σιγά σιγά.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί, ωστόσο, ότι αυτό ισχύει μόνο εφόσον η βαλβίδα είναι κλειστή (δηλαδή, εφόσον το δοχείο δεν εκπέμπει ηχητικό σήμα). Όταν η εσωτερική πίεση της κουζίνας υπερβαίνει την πίεση που ασκεί η βαλβίδα και η βαλβίδα ανοίγει, ο ατμός και τα άλλα αέρια που βρίσκονται υπό υψηλή πίεση στο εσωτερικό της κουζίνας διαφεύγουν με υψηλή ταχύτητα. Αυτό αντιπροσωπεύει μια ανταλλαγή ύλης με το περιβάλλον.
Παράδειγμα 3: Σακούλα σνακ που δεν έχει ανοίξει.
Οι σακούλες με τσιπ και σνακ είναι επίσης ένα καλό παράδειγμα κλειστού συστήματος. Εκτός από το ότι δεν επιτρέπουν την είσοδο ή την έξοδο αέρα ή άλλων ουσιών και εκτός από το ότι επιτρέπουν τη διέλευση ενέργειας με τη μορφή θερμότητας, επιτρέπουν επίσης τη ροή ενέργειας με τη μορφή εργασίας μέσω του σάκου. Απόδειξη αυτού είναι το γεγονός ότι μπορούμε να χωρίσουμε το τηγανητό φαγητό με τα χέρια μας μέσα από το σακουλάκι, χωρίς να χρειαστεί να το ανοίξουμε. Για να σπάσουμε ή να παραμορφώσουμε ένα υλικό (όπως ένα τσιπ πατάτας, για παράδειγμα) είναι απαραίτητο να κάνουμε δουλειά, έτσι (ενεργώντας ως το περιβάλλον) κάνουμε αποτελεσματικά εργασίες στο εσωτερικό του συστήματος (που αποτελείται από τα τσιπς μέσα στη σακούλα) .
Παράδειγμα 4: Κονσερβοποιημένα τρόφιμα.
Τα κονσερβοποιημένα τρόφιμα είναι όλα παραδείγματα κλειστών συστημάτων. Είναι προφανές ότι το περιεχόμενο των κουτιών πρακτικά δεν ανταλλάσσει καμία ουσία με το περιβάλλον.
Μέσα στα κουτιά, μπορεί να συμβαίνουν χημικές αντιδράσεις ή διαφορετικοί τύποι βιολογικών διεργασιών που μπορεί να μεταμορφώνουν την ύλη στα κουτιά, αλλά ανεξάρτητα από το τι συμβαίνει μέσα, η μάζα μέσα παραμένει σταθερή.
Παράδειγμα 5: Κενό σφραγισμένα κρέατα.
Τα κρέατα και άλλες πρωτεΐνες συχνά συντηρούνται με τη συσκευασία τους σε κενό σε βαριές πλαστικές σακούλες που είναι ερμητικά σφραγισμένες. Αυτό είναι επίσης ένα παράδειγμα κλειστού συστήματος. Μάλιστα, σε ορισμένες περιπτώσεις, τα κρέατα μαρινάρονται πριν σφραγιστούν και μπορούν να μαγειρευτούν ακόμη και μέσα στις ίδιες τις συσκευασίες, επιτρέποντας τη ροή της θερμότητας που μαγειρεύει το κρέας, αποφεύγοντας όμως την απώλεια των χυμών που του δίνουν την εξαιρετική του γεύση.
βιβλιογραφικές αναφορές
Atkins, P., από την Paula J. (2014). Φυσική Χημεία του Atkins. (Εκδ. επιμ.). Οξφόρδη, Ηνωμένο Βασίλειο: Oxford University Press.
Brown, T. (2021). Χημεία: Η Κεντρική Επιστήμη. (11η έκδ.). Λονδίνο, Αγγλία: Εκπαίδευση Pearson.
Chang, R. (2008). Physical Chemistry (1st ed .). Νέα Υόρκη, Νέα Υόρκη: McGraw Hill.
Νόμοι της θερμοδυναμικής (nd). Ανακτήθηκε από https://www.khanacademy.org/
Βασικοί ορισμοί – Σύστημα και περιβάλλοντα χώρο. (2020, 13 Αυγούστου). Ανακτήθηκε από https://chem.libretexts.org/@go/page/53093
