Tabla de Contenidos
W termodynamice układ zamknięty to taki, który nie wymienia materii z otoczeniem, ale może wymieniać energię na różne sposoby. Innymi słowy, jest to system, którego granice nie pozwalają atomom ani cząsteczkom wchodzić ani wychodzić, ale przez który może przepływać energia, czy to w postaci światła, ciepła, pracy itp.
Ogólnie systemy termodynamiczne to modele koncepcyjne, które są używane głównie do uproszczenia matematycznego opisu rzeczywistych systemów. W tym sensie układy doskonale zamknięte tak naprawdę nie istnieją, ponieważ musiałyby być całkowicie hermetyczne i prawie niemożliwe jest powstrzymanie choćby garstki atomów przed przekroczeniem bariery oddzielającej układ od otoczenia.
Jednak wiele systemów jest na tyle hermetycznych, że można je uznać za zamknięte, a właściwa analiza i zrozumienie takich systemów pozwala zrozumieć wiele najbardziej podstawowych pojęć termodynamiki. To ostatnie wynika z faktu, że systemy zamknięte pozwalają nam „obserwować” wpływ, jaki przepływ energii zi do systemu wywiera na system, bez dodawania komplikacji w postaci innych interakcji wynikających z wymiany materii.
Charakterystyka systemów zamkniętych
Systemy zamknięte mają pewne cechy, które odróżniają je od pozostałych dwóch typów systemów rozważanych w termodynamice:
- Nie wymieniają materii z otoczeniem.
- Są to systemy, w których materia jest zachowana.
- Są otoczone ścianami lub diatermicznymi granicami.
- Wymieniają energię z otoczeniem.
- Mogą mieć zarówno sztywne, jak i elastyczne ścianki, o ile w żadnym wypadku nie jest dozwolony przepływ materii z jednej strony na drugą.
- Oddziałują z otoczeniem poprzez wymianę energii.
- Są to systemy, które mogą wykonywać pracę w otoczeniu lub odbierać pracę z otoczenia.
Przykłady systemów zamkniętych
Chociaż, jak wspomniano powyżej, nie istnieją doskonale zamknięte systemy, istnieje wiele przykładów rzeczywistych systemów, które ze względów praktycznych są uważane za zamknięte.
Przykład 1: Zamknięta soda.
Butelka z napojem jest wystarczająco szczelna, aby zapobiec ulatnianiu się dwutlenku węgla, nawet pod ciśnieniem. Jednak jasne jest, że ścianki puszki lub butelki umożliwiają przepływ ciepła, gdy napoje bezalkoholowe schładzają się w lodówce i podgrzewają, jeśli zostaną pominięte.
Przykład 2: Szybkowar, przed gwizdaniem.
Szybkowary są często wymieniane jako przykłady systemów zamkniętych i rzeczywiście tak jest. Podczas wstępnego podgrzewania garnek jest hermetycznie zamknięty i nie pozwala na przedostawanie się ani wydostawanie się powietrza ani pary. Z drugiej strony oczywiste jest, że energia wpływa w postaci ciepła, ponieważ zarówno garnek, jak i jego zawartość powoli się nagrzewają.
Należy jednak zauważyć, że jest to prawdą tylko wtedy, gdy zawór jest zamknięty (tj. tak długo, jak garnek nie wydaje sygnału dźwiękowego). Gdy ciśnienie wewnętrzne szybkowaru przekroczy ciśnienie wywierane przez zawór i zawór się otworzy, para i inne gazy znajdujące się pod wysokim ciśnieniem wewnątrz szybkowaru ulatniają się z dużą prędkością. Oznacza to wymianę materii z otoczeniem.
Przykład 3: Nieotwarta torebka z przekąskami.
Torebki na chipsy i przekąski są również dobrym przykładem systemu zamkniętego. Oprócz tego, że nie pozwalają na wejście lub wyjście powietrza lub innych substancji, a oprócz tego, że umożliwiają przepływ energii w postaci ciepła, umożliwiają również przepływ energii w postaci pracy przez worek. Dowodem na to jest fakt, że smażone jedzenie możemy rozłupać rękami przez torebkę, bez konieczności jej otwierania. Aby złamać lub zdeformować materiał (na przykład chipsy ziemniaczane) konieczne jest wykonanie pracy, więc my (działając jako otoczenie) skutecznie wykonujemy pracę nad wnętrzem układu (składającego się z chipsów wewnątrz torby) .
Przykład 4: Konserwy.
Żywność w puszkach to wszystkie przykłady systemów zamkniętych. Widać wyraźnie, że zawartość puszek praktycznie nie wymienia żadnej substancji z otoczeniem.
Wewnątrz puszek mogą zachodzić reakcje chemiczne lub różnego rodzaju procesy biologiczne, które mogą przekształcać materię w puszkach, ale bez względu na to, co dzieje się w środku, masa wewnątrz pozostaje stała.
Przykład 5: Mięso zapieczętowane próżniowo.
Mięso i inne białka są często konserwowane poprzez pakowanie próżniowe w ciężkie plastikowe torby, które są hermetycznie zamykane. Jest to również przykład systemu zamkniętego. W rzeczywistości, w niektórych przypadkach mięso jest marynowane przed zamknięciem i może być nawet gotowane w samych opakowaniach, umożliwiając przepływ ciepła, które gotuje mięso, ale unikając utraty soków, które nadają mu wyśmienity smak.
Bibliografia
Atkins, P., z Paula J. (2014). Chemia fizyczna Atkinsa. (wyd. Rev.). Oxford, Wielka Brytania: Oxford University Press.
Brązowy, T. (2021). Chemia: nauka centralna. (11 wyd.). Londyn, Anglia: Pearson Education.
Chang, R. (2008). Chemia fizyczna ( wyd . 1). Nowy Jork, Nowy Jork: McGraw Hill.
Zasady termodynamiki (nd). Pobrane z https://www.khanacademy.org/
Podstawowe definicje – system i otoczenie. (2020, 13 sierpnia). Pobrane z https://chem.libretexts.org/@go/page/53093
