Hauptunterschied – offenes vs. geschlossenes System
Die Thermodynamik ist ein Zweig der Physik, der die Energieübertragung zwischen Objekten und Umgebung erklärt. Begriffe aus der Thermodynamik können auch verwendet werden, um das chemische Verhalten von chemischen Spezies zu verstehen. System und Umgebung sind zwei grundlegende Begriffe, die in der Thermodynamik verwendet werden. Ein System ist ein Teil des Universums, der untersucht wird, und die Umgebung ist der Rest des Universums außer diesem speziellen System. Der Rand des Systems, der es von der Umgebung trennt, wird Begrenzung genannt. Systeme können auf drei Arten existieren: als offene Systeme, geschlossene Systeme und isolierte Systeme. Der Hauptunterschied zwischen einem offenen und einem geschlossenen System ist, dass in einem offenen System Materie mit der Umgebung ausgetauscht werden kann, während in einem geschlossenen System keine Materie mit der Umgebung ausgetauscht werden kann.
Hauptbereiche
1. Was ist ein offenes System
– Definition, Merkmale
2. Was ist ein geschlossenes System
– Definition, Merkmale
3. Was ist der Unterschied zwischen offenen und geschlossenen Systemen
– Gegenüberstellung der Hauptunterschiede
Schlüsselbegriffe: Energie, Kinetisches Energiesystem, Materie, Potentielle Energie, Umweltenergie, Thermodynamik
Was ist ein offenes System
Ein offenes System kann definiert werden als ein System, das sowohl Materie als auch Energie mit der Umgebung austauschen kann. So kann beispielsweise die Erde als offenes System erkannt werden. In diesem Fall ist die Erde das System, und der Weltraum ist die Umgebung. Das Sonnenlicht kann die Erdoberfläche erreichen und wir können Raketen in den Weltraum schicken. Sonnenlicht und Rakete können als Energie bzw. Materie erklärt werden.
Ein Austausch von Materie zwischen dem offenen System und der Umgebung findet leicht statt. Dieser lässt sich auch leicht durch Hinzufügen von Materie oder Entfernen von Materie erklären. Der Energieaustausch ist jedoch etwas komplizierter, da Energie in verschiedenen Formen ausgetauscht werden kann und bei diesem Austausch verschiedene Umwandlungen stattfinden können. Energie wird als Wärme oder in einer anderen Form ausgetauscht.
In der Thermodynamik wird der Energieaustausch durch potentielle Energie, kinetische Energie und thermische Energie charakterisiert. Die potentielle Energie ist die gespeicherte Energie. Die kinetische Energie ist die Energie, die ein Objekt bei seiner Bewegung mit sich führt. Die Energie eines Systems existiert jedoch immer in einem dieser drei Zustände oder in zwei Zuständen gleichzeitig. Zum Beispiel kann ein stationäres Objekt Wärme mit der Umgebung austauschen. Dann hat es sowohl potentielle Energie als auch thermische Energie. Energie kann als potentielle Energie oder als kinetische Energie ausgetauscht oder übertragen werden. Manchmal kann aber auch potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt werden oder das Gegenteil ist der Fall. Thermische Energie oder Wärme wird ebenfalls zwischen offenen Systemen und ihrer Umgebung ausgetauscht.
Durch die Möglichkeit des Stoffaustausches zwischen offenem System und Umgebung ändert sich die innere Masse eines offenen Systems mit der Zeit. Wird Materie hinzugefügt, nimmt die Masse zu, wird Materie entfernt, nimmt die Masse ab.
Abbildung 1: Da der Becher nicht abgedeckt ist, können sowohl Energie als auch Materie mit der Umgebung ausgetauscht werden. Es handelt sich also um ein offenes System.
Was ist ein geschlossenes System
Ein geschlossenes System ist ein System, in dem nur Energie ausgetauscht werden kann, nicht aber Materie. Materie kann in einem geschlossenen System nicht ausgetauscht werden, weil Materie Teilchen enthält, die die Grenze des Systems nicht überschreiten können. Aber Energie wird als Photonen durch diese Grenze hindurchgelassen, weil Energie nicht teilchenförmig ist. Daher bleibt in einem geschlossenen System die Masse konstant, weil die Materie nicht entfernt oder hinzugefügt werden kann. Energie kann aber vor allem als Wärme oder thermische Energie übertragen werden.
Wird zum Beispiel eine warme Tasse mit Wasser durch einen Deckel abgedeckt, so kann der Dampf wegen des Deckels nicht aus dem System entweichen. Auch die Gasmoleküle der Luft können wegen des Deckels nicht in die Tasse eindringen. Es findet also kein Austausch von Materie statt. Wenn wir aber nach einiger Zeit den Deckel berühren, können wir spüren, dass er warm ist. Der Becher fühlt sich ebenfalls warm an; dies zeigt an, dass Energie als Wärmeenergie nach außen gelangt. Wenn dieses System über einen längeren Zeitraum auf einer normalen Temperatur gehalten wird, kann man beobachten, dass die Tasse, der Deckel oder das Wasser nicht mehr warm sind. Das liegt daran, dass das System Wärmeenergie mit der Umgebung geteilt hat, bis die Temperatur des Systems gleich der Temperatur der Umgebung wird. Dies wird als Gleichgewicht bezeichnet.
Abbildung 2: Der abgedeckte Topf ist ein Beispiel für ein geschlossenes System, da er aufgrund des Deckels keinen Stoffaustausch mit der Umgebung vornehmen kann.
Unterschied zwischen offenen und geschlossenen Systemen
Definition
Offenes System: Ein offenes System ist ein thermodynamisches System, in dem Energie und Materie mit seiner Umgebung ausgetauscht werden können.
Geschlossenes System: Ein geschlossenes System ist ein thermodynamisches System, in dem Energie mit seiner Umgebung ausgetauscht werden kann, nicht aber Materie.
Materieaustausch
Offenes System: Offene Systeme können Materie mit der Umgebung austauschen.
Geschlossenes System: Geschlossene Systeme können keine Materie mit der Umgebung austauschen.
Interne Masse
Offenes System: In offenen Systemen ändert sich die Masse des Systems mit der Zeit.
Geschlossenes System: In geschlossenen Systemen ist die Masse des Systems konstant.
Grenze des Systems
Offenes System: Offene Systeme haben Grenzen, die nicht geschlossen sind.
Geschlossenes System: Die Grenze eines geschlossenen Systems ist vollständig geschlossen.
Fazit
Überall in der Umwelt gibt es Wechselwirkungen zwischen Systemen und ihrer Umgebung. Systeme können entweder offen, geschlossen oder isoliert sein. Der Hauptunterschied zwischen offenem und geschlossenem System ist, dass in einem offenen System Materie mit der Umgebung ausgetauscht werden kann, während in einem geschlossenen System keine Materie mit der Umgebung ausgetauscht werden kann.