Ізольована система в термодинаміці: визначення, особливості та приклади

Ізольована система в термодинаміці: визначення, особливості та приклади

У термодинаміці є кілька видів систем: ізольована і незольована. Те, де вони зустрічаються, коли застосовуються, показує, наскільки вони корисними можуть бути і як за ними доглядати. В іншому випадку, якщо такі системи виявляються шкідливими для роботи людини, - як від них позбутися.

Що це таке?

Ізольована система - це абсолютно будь-яке скупчення атомів і молекул (річ, планета, людське тіло), яке зберігає в собі енергію всієї речовини. Така система повністю ізольована від зовнішнього світу, її ще називають замкнутою.

Суть ізольованої системи зводиться до того, що вона при всьому своєму бажанні не буде ділитися теплотою, не тринькає енергію, речовину у неї віднімати доведеться силою. Для прикладу можна подивитися на акваріум. Всередині нього відбуваються процеси: дохнуть рибки, псується вода, руйнуються мушлі. Але із зовнішнім середовищем акваріум не контактує.

Ще одним прикладом ізольованої системи є праска - енергію сам не витратить, речовинами не поділиться. Таке явище спостерігається біля танкових двигунів, Сонячної системи - у всього, що не ділиться енергією з іншими.

До замкнутих ізольованих систем не можна віднести автомобіль - він пересувається з певною швидкість сам! Також не належать чайники, рослини, живі організми - вони діляться з навколишнім світом речовинами. Живі організми виділяють продукти обміну, рослини - кисень, чайник - пар при закипанні.

Цікавий факт: замкнутою називають таку систему, де сума вироблених сил і роботи дорівнює нулю, а ізольованою - де тіла просто діють окремо від інших систем. При цьому ізольована система не завжди замкнута, але замкнута система обов 'язково буде ізольованою.

У рухах - пастка

Є один нюанс: рухатися їм самим не можна, а от якщо їх хтось пересуває, то правило не порушується. Так, якщо взяти ізольовану систему і кинути її з висоти, випадково впустити, скинути з парашута - неважливо, ізольованою вона бути не перестане. Якщо звичайно не розбити її при таких діях - та ж пляшка з водою, скинута з висоти, випустить назовні всю воду - поділиться з іншими системами речовиною - що означає, що система буде вже не замкнутою.

Під такий опис підходять пістолет і куля - не діє без пальця на курці, важке тіло і Земля - нічого не відбувається, якщо не штовхнути тіло на ґрунт.


Теплоту враховувати теж треба

Ізольована система в термодинаміці - це макротело, яке взагалі ні разу нічим не ділиться: енергія, речовина і тепло не виходять за межі системи. Як приклад - термос. Він зберігає градус налитого в нього чаю, напоєм без втручання людини насильно (відкрити і вилити самому) не поділиться, і енергію нікуди не витрачає.

Причому ізольована система завжди прагне прийти в термодинамічну рівновагу, і потрібен хтось третій, щоб її вивели з цього стану. Тобто, якщо наводити приклад того ж термосу, то при тривалому його знаходженні в навколишньому середовищі чай все одно охолоне. Тому потрібна людина, яка знову його заллє гарячим чаєм, і система знову буде термодинамічно ізольованою.

Навіщо воно треба?

Поняття ізольованої системи охоплює багато механізмів, системи та екосистеми. Людині розуміння того, як вони влаштовані, потрібно для того, щоб правильно за ними доглядати. Якщо це акваріум, то перед тим, щоб у нього полізти з руками і ногами, намагаючись почистити, потрібно спочатку подивитися, як зробити все так, щоб не порушити її. Якщо це механізми або обладнання - як ними користуватися, щоб потім не було боляче їх лагодити.

При цьому, якщо брати в глобальних масштабах, пустеля - теж ізольована система: всередині неї відбуваються певні механізми життєдіяльності, які за її межі не виходять. Ліси, степи, вулкани, а також атмосфера служать відносно ізольованими екосистемами. Люди, не розуміючи, як вони працюють, часом самі не усвідомлюють, біди якого масштабу вони створюють.

Є ще одне "але". Ізольована система ніколи не буде існувати абсолютно окремо від інших систем. Але це поняття існує. Воно зручне для того, щоб проводити підрахунки в математиці, термодинаміці, хімії та фізиці. Всю енергію і речовину, що виділяє ізольована система, приймають за нуль і оперують тими числами, які необхідні в даний момент.

Ізолюємо невиловлене!

Навіть відкрита система може стати ізольованою, якщо її відгородити чимось від навколишнього середовища. У ролі перегородки виступає адіабатична система, яка служить оболонкою для відкритої системи, роблячи її замкнутою. Її можна порівняти з фольгою, якою обмотують предмет, прагнучи захистити його від сонячних променів.

Якщо роздивлятися в більш широкому сенсі, то прикладом може служити атмосфера для Землі - вона захищає планету від космічного впливу і служить оболонкою, яка дає нам життя.


Існує закон збереження імпульсу для замкнутої ізольованої системи: Сума імпульсів у замкненій системі залишається постійною, як би тіла не взаємодіяли між собою всередині системи. І це правильно: хоч сила імпульсів може змінюватися з часом, обставинами, можливостями, все одно їх сума буде залишатися постійною.

Наприкінці - жирна точка...

Таким чином, висновок напрошується такий:

  • Ізольована система не залежить від навколишнього середовища, наскільки це взагалі можливо, виробляючи всередині себе енергію, роботу і речовину. Вона залишиться постійною, при цьому прагнучи до рівноваги.
  • Замкнута ізольована система теж буде не залежати від умов навколишнього середовища, із себе нічого не виділяти, але робота в ній буде сумарно дорівнювати нулю. Тобто закон збереження імпульсів буде поширюватися швидше на таку систему, ніж на незамкнуту.
  • Ізольована система в термодинаміці не залежатиме від теплоти навколишнього середовища. Цього стану намагаються домогтися будівельники, коли утеплюють будинки. До речі, пінопласт легко може служити адіабатичною оболонкою для будинку, роблячи його ізольованою системою.
  • Ізольованої системи не існує в принципі: все з чимось взаємодіє. Якщо закрити акваріум, вода буде бідною на кисень, і рибки будуть дохнути. Вони в будь-якому випадку залишаються в мінусі.

Ізольовані системи потрібні науці для того, щоб була чистота експерименту - деякими величинами можна знехтувати. А в житті - за ними потрібен правильний догляд і використання.