Główna różnica – system otwarty a zamknięty
Termodynamika jest dziedziną fizyki, która wyjaśnia transfer energii między obiektami a otoczeniem. Termodynamika może być również używana do zrozumienia zachowania chemicznego gatunków chemicznych. System i otoczenie to dwa podstawowe pojęcia używane w termodynamice. System to część wszechświata, która jest badana, a otoczenie to reszta wszechświata inna niż ten konkretny system. Granica układu, która oddziela go od otoczenia nazywana jest granicą. Systemy mogą istnieć na trzy sposoby jako systemy otwarte, systemy zamknięte i systemy izolowane. Główna różnica między systemem otwartym a zamkniętym polega na tym, że w systemie otwartym materia może być wymieniana z otoczeniem, podczas gdy w systemie zamkniętym nie może być wymieniana z otoczeniem.
Kluczowe omawiane obszary
1. Co to jest system otwarty
– definicja, charakterystyka
2. Co to jest system zamknięty
– definicja, charakterystyka
3. Jaka jest różnica między systemami otwartymi i zamkniętymi
– porównanie kluczowych różnic
Kluczowe pojęcia: Energia, Kinetyczny Układ Energetyczny, Materia, Energia Potencjalna, Otoczenie, Termodynamika
Co to jest system otwarty
System otwarty można zdefiniować jako system, który może wymieniać zarówno materię jak i energię z otoczeniem. Na przykład, Ziemia może być uznana za system otwarty. W tym przypadku, Ziemia jest systemem, a przestrzeń kosmiczna jest otoczeniem. Światło słoneczne może dotrzeć do powierzchni Ziemi, a my możemy wysyłać rakiety w kosmos. Światło słoneczne i rakieta mogą być wyjaśnione jako energia i materia, odpowiednio.
Wymiana materii między systemem otwartym i otoczeniem występuje łatwo. To również może być łatwo wyjaśnione przez dodanie materii lub usunięcie materii. Ale wymiana energii jest nieco bardziej skomplikowana, ponieważ energia może być wymieniana w różnych formach i różne konwersje mogą wystąpić podczas tej wymiany. Energia jest wymieniana jako ciepło lub w jakiejkolwiek innej formie.
W terminach termodynamicznych, wymiana energii jest charakteryzowana przez energię potencjalną, energię kinetyczną i energię cieplną. Energia potencjalna jest energią zmagazynowaną. Energia kinetyczna jest energią przenoszoną przez obiekt podczas ruchu. Jednakże, energia układu zawsze istnieje w jednym z tych trzech stanów lub w dwóch stanach jednocześnie. Na przykład, nieruchomy obiekt może wymieniać ciepło z otoczeniem. Wówczas posiada zarówno energię potencjalną jak i energię cieplną. Energia może być wymieniana lub przenoszona jako energia potencjalna lub energia kinetyczna. Czasami jednak energia potencjalna może być przekształcona w energię kinetyczną lub może wystąpić sytuacja odwrotna. Energia termiczna lub ciepło jest również wymieniana pomiędzy układami otwartymi a ich otoczeniem.
Dzięki możliwości wymiany materii pomiędzy układem otwartym a otoczeniem, masa wewnętrzna układu otwartego zmienia się w czasie. Jeżeli materia jest dodawana, masa ta będzie wzrastać, a jeżeli materia jest usuwana, masa będzie maleć.
Rysunek 1: Ponieważ kubek nie jest przykryty, zarówno energia, jak i materia mogą być wymieniane z otoczeniem. Jest to więc system otwarty.
Co to jest system zamknięty
System zamknięty to system, w którym tylko energia może być wymieniana, ale nie materia. Materia nie może być wymieniana w systemie zamkniętym, ponieważ materia zawiera cząsteczki, które nie mogą przekroczyć granicy systemu. Ale energia jest przekazywana przez tę granicę jako fotony, ponieważ energia nie jest cząsteczkowa. Dlatego w układzie zamkniętym masa pozostaje stała, ponieważ materii nie można usunąć ani dodać. Ale energia może być przekazywana głównie jako ciepło lub energia cieplna.
Na przykład, jeśli ciepła filiżanka wody jest pokryta przez umieszczenie pokrywki na górze filiżanki, to para nie może uciec z systemu z powodu pokrywki. Cząsteczki gazu w powietrzu również nie mogą wejść do kubka z powodu pokrywki. Nie dochodzi więc do wymiany materii. Jeśli jednak po pewnym czasie dotkniemy pokrywki, poczujemy, że jest ona ciepła. Kubek również będzie ciepły, co wskazuje na to, że energia wychodzi na zewnątrz jako energia cieplna. Jeśli ten system jest utrzymywany w normalnej temperaturze przez dłuższy czas, można zauważyć, że filiżanka, pokrywka lub woda nie są już ciepłe. Dzieje się tak dlatego, że system dzieli się energią cieplną z otoczeniem do momentu, gdy temperatura systemu zrówna się z temperaturą otoczenia. Nazywa się to równowagą.
Rysunek 2: Przykryty garnek jest przykładem układu zamkniętego, ponieważ nie może wymieniać materii z otoczeniem ze względu na pokrywkę.
Różnica między układami otwartymi i zamkniętymi
Definicja
Układ otwarty: Układ otwarty to układ termodynamiczny, w którym energia i materia mogą być wymieniane z otoczeniem.
Układ zamknięty: Układ zamknięty to układ termodynamiczny, w którym energia może być wymieniana z otoczeniem, ale nie materia.
Wymiana materii
Układ otwarty: Układy otwarte mogą wymieniać materię z otoczeniem.
Układ zamknięty: Układy zamknięte nie mogą wymieniać materii z otoczeniem.
Masa wewnętrzna
Układ otwarty: W układach otwartych masa układu będzie się zmieniać z czasem.
System zamknięty: W układach zamkniętych masa układu jest stała.
Granica układu
Układ otwarty: Układy otwarte mają granice, które nie są zamknięte.
Układ zamknięty: Granica układu zamkniętego jest całkowicie zamknięta.
Wniosek
Wszędzie w środowisku występują interakcje między układami a ich otoczeniem. Systemy mogą być otwarte, zamknięte lub odizolowane. Główna różnica między systemem otwartym i zamkniętym polega na tym, że w systemie otwartym materia może być wymieniana z otoczeniem, podczas gdy w systemie zamkniętym materia nie może być wymieniana z otoczeniem.