سیستم ایزوله در ترمودینامیک: تعریف، ویژگی ها و مثال ها

2024 نویسنده: Henry Conors | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-02-12 06:34

در ترمودینامیک انواع مختلفی از سیستم ها وجود دارد: ایزوله و غیر ایزوله. جایی که آنها پیدا می شوند، زمانی که استفاده می شوند، نشان می دهد که چقدر می توانند مفید باشند و چگونه از آنها مراقبت کنیم. در غیر این صورت، اگر چنین سیستم هایی برای کار انسان مضر باشند، چگونه می توان از شر آنها خلاص شد.

این چیست؟

سیستم ایزوله مطلقاً هرگونه تجمعی از اتم ها و مولکول ها (یک چیز، یک سیاره، یک بدن انسان) است که انرژی همه مواد را حفظ می کند. چنین سیستمی کاملاً از دنیای خارج جدا شده است و به آن بسته نیز می گویند.

ماهیت یک سیستم ایزوله این است که با تمام میلش گرما را به اشتراک نمی گذارد، انرژی را هدر نمی دهد، ماده باید به زور از آن گرفته شود. به عنوان مثال، می توانید به آکواریوم نگاه کنید. فرآیندهایی در داخل آن انجام می شود: ماهی ها می میرند، آب خراب می شود، پوسته ها فرو می ریزند. اما آکواریوم با محیط خارجی تماس ندارد.

یک مثال دیگر از یک سیستم ایزوله، آهن است - خود انرژی صرف نمی کند، مواد را به اشتراک نمی گذارد. چنین پدیده ای در موتورهای تانک، منظومه شمسی - در هر چیزی که انرژی را با دیگران به اشتراک نمی گذارد، مشاهده می شود.

به سیستم های ایزوله بستهشما نمی توانید ماشین را بردارید - به خودی خود با سرعت خاصی حرکت می کند! همچنین شامل قوری، گیاهان، موجودات زنده نمی شود - آنها مواد را با دنیای خارج به اشتراک می گذارند. موجودات زنده محصولات متابولیک، گیاهان - اکسیژن، کتری - بخار هنگام جوشیدن منتشر می کنند.

واقعیت جالب: یک سیستم بسته به سیستمی گفته می شود که در آن مجموع نیروها و کار تولید شده برابر با صفر است و مجزا است - که در آن اجسام به سادگی جدا از سایر سیستم ها عمل می کنند. در عین حال، یک سیستم ایزوله همیشه بسته نیست، اما یک سیستم بسته لزوماً ایزوله خواهد بود.

جنبش یک تله است

یک اخطار وجود دارد: آنها به تنهایی نمی توانند حرکت کنند، اما اگر کسی آنها را حرکت دهد، قانون نقض نمی شود. بنابراین، اگر یک سیستم ایزوله را بردارید و آن را از ارتفاع پرتاب کنید، به طور تصادفی آن را رها کنید، آن را از چتر نجات بیندازید - مهم نیست، منزوی شدن آن متوقف نخواهد شد. البته، مگر اینکه در حین چنین اقداماتی شکسته شود - همان بطری آبی که از ارتفاع پرتاب می شود، تمام آب را آزاد می کند - ماده را با سیستم های دیگر به اشتراک بگذارید - که به این معنی است که سیستم دیگر بسته نخواهد شد.

این توصیف برای یک تپانچه و یک گلوله مناسب است - بدون انگشت روی ماشه، بدن سنگین و زمین کار نمی کند - اگر بدن را به زمین نزنید هیچ اتفاقی نمی افتد.

گرما را نیز باید در نظر گرفت

یک سیستم ایزوله در ترمودینامیک یک کلان جسم است که هرگز هیچ چیز مشترکی ندارد: انرژی، ماده و گرما فراتر از محدودیت های سیستم نمی روند. یک نمونه قمقمه است. درجه چای ریخته شده در آن را حفظ می کند، نوشیدنی بدون دخالت انسان به زور (باز کنید و بریزیدخودش) به اشتراک نمی گذارد، و انرژی را در جایی خرج نمی کند.

علاوه بر این، یک سیستم ایزوله همیشه در تلاش است تا به تعادل ترمودینامیکی برسد و شخص دیگری برای خارج کردن آن از این حالت مورد نیاز است. یعنی اگر از همین قمقمه مثال بزنیم با ماندگاری طولانی در محیط باز هم چای خنک می شود. بنابراین به فردی نیاز است که دوباره آن را با چای داغ پر کند و سیستم دوباره از نظر ترمودینامیکی ایزوله شود.

چرا لازم است؟

مفهوم سیستم ایزوله مکانیسم ها، سیستم ها و اکوسیستم های زیادی را پوشش می دهد. یک فرد برای مراقبت صحیح از آنها به درک درستی از نحوه چیدمان آنها نیاز دارد. اگر این یک آکواریوم است، قبل از اینکه با دست ها و پاها به داخل آن بروید و سعی کنید آن را تمیز کنید، ابتدا باید ببینید که چگونه همه کارها را انجام دهید تا مزاحم آن نشوید. اگر اینها مکانیزم یا تجهیزات هستند - چگونه از آنها استفاده کنید، تا بعداً تعمیر آنها به شدت دردناک نباشد.

در عین حال، اگر آن را در مقیاس جهانی در نظر بگیریم، بیابان نیز یک سیستم منزوی است: مکانیسم های خاصی از فعالیت های حیاتی در داخل آن انجام می شود که فراتر از آن نمی رود. جنگل ها، استپ ها، آتشفشان ها و جو به عنوان اکوسیستم های نسبتاً ایزوله عمل می کنند. مردم که نمی دانند چگونه کار می کنند، گاهی اوقات متوجه مقیاس مشکلی که ایجاد می کنند، نیستند.

یک "اما" دیگر وجود دارد. یک سیستم ایزوله هرگز به طور کامل جدا از سایر سیستم ها وجود نخواهد داشت. اما این مفهوم وجود دارد. برای انجام محاسبات در ریاضیات، ترمودینامیک، شیمی و فیزیک راحت است. همهانرژی و ماده ای که یک سیستم ایزوله ساطع می کند به عنوان صفر در نظر گرفته می شود و با اعدادی که در حال حاضر مورد نیاز است عمل می کند.

انزوا را منزوی کنید

حتی یک سیستم باز می تواند منزوی شود اگر چیزی آن را از محیط جدا کند. یک سیستم آدیاباتیک به عنوان یک پارتیشن عمل می کند که به عنوان پوسته ای برای یک سیستم باز عمل می کند و آن را بسته می کند. می توان آن را با فویل پیچیده شده دور یک شی مقایسه کرد و سعی می کند از آن در برابر اشعه های خورشید محافظت کند.

اگر به معنای وسیع‌تری به آن نگاه کنید، جو زمین می‌تواند به عنوان مثال باشد - از سیاره در برابر تأثیرات کیهانی محافظت می‌کند و به عنوان پوسته‌ای عمل می‌کند که به ما حیات می‌دهد.

قانون بقای تکانه برای یک سیستم منزوی بسته وجود دارد: مجموع تکانه‌ها در یک سیستم بسته ثابت می‌ماند، مهم نیست که اجسام چگونه با یکدیگر در داخل سیستم تعامل دارند. و درست است: اگرچه قدرت تکانه ها می تواند با زمان، شرایط، فرصت ها تغییر کند، اما مجموع آنها همچنان ثابت می ماند.

یک نقطه ضخیم در انتها…

بنابراین، نتیجه گیری خود را به شرح زیر نشان می دهد:

• یک سیستم ایزوله تا حد امکان مستقل از محیط خود است و در درون خود انرژی، کار و ماده تولید می کند. در حالی که در تلاش برای تعادل است، ثابت خواهد ماند.
• یک سیستم ایزوله بسته نیز به شرایط محیطی بستگی ندارد، چیزی را از خود متمایز نمی کند، اما کار در آن در کل برابر با صفر خواهد بود. یعنی قانون بقای تکانه خواهد بودگسترش به چنین سیستمی به جای سیستم باز.
• یک سیستم ایزوله در ترمودینامیک به گرمای محیط بستگی ندارد. سازندگان هنگام عایق کاری خانه ها سعی می کنند به این حالت برسند. به هر حال، فوم به راحتی می تواند به عنوان یک پوسته آدیاباتیک برای یک خانه عمل کند و آن را به یک سیستم عایق تبدیل کند.
• یک سیستم منزوی در اصل وجود ندارد: همه چیز با چیزی تعامل دارد. اگر آکواریوم را ببندید، آب از نظر اکسیژن ضعیف می شود و ماهی ها می میرند. آنها به هر حال در قرمز باقی می مانند.

علم برای داشتن خلوص آزمایش به سیستم های جدا شده نیاز دارد - برخی از مقادیر را می توان نادیده گرفت. اما در زندگی - آنها نیاز به مراقبت و استفاده مناسب دارند.