מערכת מבודדת בתרמודינמיקה: הגדרה, תכונות ודוגמאות

2024 מְחַבֵּר: Henry Conors | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-02-12 07:19

יש כמה סוגים של מערכות בתרמודינמיקה: מבודדות ולא מבודדות. היכן הם נמצאים, מתי הם מיושמים, מראה עד כמה הם יכולים להיות שימושיים וכיצד לטפל בהם. אחרת, אם יתברר שמערכות כאלה מזיקות לעבודה אנושית, איך להיפטר מהן.

מה זה?

מערכת מבודדת היא לחלוטין כל הצטברות של אטומים ומולקולות (דבר, כוכב לכת, גוף אנושי) השומרת על האנרגיה של כל החומר. מערכת כזו מבודדת לחלוטין מהעולם החיצון, היא נקראת גם סגורה.

מהותה של מערכת מבודדת היא שעם כל הרצון שלה, היא לא תתחלק בחום, לא תבזבז אנרגיה, יהיה צורך לקחת ממנה את החומר בכוח. לדוגמה, אתה יכול להסתכל על האקווריום. מתרחשים בתוכו תהליכים: דגים מתים, מים מתדרדרים, קונכיות קורסות. אבל האקווריום לא בא במגע עם הסביבה החיצונית.

דוגמה נוספת למערכת מבודדת היא ברזל - הוא לא יוציא אנרגיה בעצמו, הוא לא יחלוק חומרים. תופעה כזו נצפית במנועי טנקים, במערכת השמש - בכל מה שלא חולק אנרגיה עם אחרים.

למערכות סגורות מבודדותאתה לא יכול לקחת את המכונית - היא נעה במהירות מסוימת מעצמה! זה גם לא כולל קומקומים, צמחים, אורגניזמים חיים - הם חולקים חומרים עם העולם החיצון. יצורים חיים פולטים מוצרים מטבוליים, צמחים - חמצן, קומקום - אדים בעת רתיחה.

עובדה מעניינת: מערכת סגורה נקראת מערכת שבה סכום הכוחות והעבודה המופקים שווה לאפס, ומבודדת - שבה הגופים פשוט פועלים בנפרד ממערכות אחרות. יחד עם זאת, מערכת מבודדת לא תמיד סגורה, אבל מערכת סגורה תהיה בהכרח מבודדת.

התנועה היא מלכודת

יש אזהרה אחת: הם לא יכולים לזוז בעצמם, אבל אם מישהו מזיז אותם, אז הכלל לא מופר. אז אם אתה לוקח מערכת מבודדת וזרוק אותה מגובה, תפיל אותה בטעות, תפיל אותה ממצנח - זה לא משנה, היא לא תפסיק להיות מבודדת. אלא אם כן, כמובן, הוא נשבר במהלך פעולות כאלה - אותו בקבוק מים שנזרק מגובה ישחרר את כל המים החוצה - שתף חומר עם מערכות אחרות - מה שאומר שהמערכת לא תהיה סגורה יותר.

התיאור הזה מתאים לאקדח ולכדור - לא עובד בלי אצבע על ההדק, גוף כבד וכדור הארץ - שום דבר לא קורה אם לא דוחפים את הגוף לקרקע.

יש לקחת בחשבון גם את החום

מערכת מבודדת בתרמודינמיקה היא מאקרו-גוף שלעולם אינו חולק דבר כלל: אנרגיה, חומר וחום אינם חורגים מגבולות המערכת. דוגמה לכך היא תרמוס. זה שומר על מידת התה שנמזג לתוכו, משקה ללא התערבות אנושית בכוח (פתח ומוזגעצמו) לא ישתף, ואינו מוציא אנרגיה בשום מקום.

יתר על כן, מערכת מבודדת תמיד שואפת להגיע לשיווי משקל תרמודינמי, ויש צורך במישהו אחר שיוציא אותה מהמצב הזה. כלומר, אם ניתן דוגמה לאותו תרמוס, אז עם שהייה ארוכה בסביבה, התה עדיין יתקרר. לכן יש צורך באדם שימלא אותו שוב בתה חם, והמערכת שוב תבודד תרמודינמית.

למה זה נחוץ?

המושג של מערכת מבודדת מכסה מנגנונים, מערכות ומערכות אקולוגיות רבות. אדם זקוק להבנה כיצד הם מסודרים כדי לטפל בו כראוי. אם זה אקווריום, אז לפני שאתה מטפס אליו עם ידיים ורגליים, מנסה לנקות אותו, אתה צריך קודם כל לראות איך לעשות הכל כדי לא להפריע לו. אם מדובר במנגנונים או ציוד - כיצד להשתמש בהם, כדי שבהמשך לא יהיה כואב עד מאוד לתקן אותם.

במקביל, אם ניקח את זה בקנה מידה עולמי, המדבר הוא גם מערכת מבודדת: מתרחשים בתוכו מנגנונים מסוימים של פעילות חיונית, שאינם חורגים ממנה. יערות, ערבות, הרי געש והאטמוספירה משמשים כמערכות אקולוגיות מבודדות יחסית. אנשים, שלא מבינים איך הם עובדים, לפעמים לא מבינים לעצמם את היקף הצרות שהם יוצרים.

יש עוד "אבל". מערכת מבודדת לעולם לא תתקיים בנפרד לחלוטין ממערכות אחרות. אבל המושג הזה קיים. זה נוח לביצוע חישובים במתמטיקה, תרמודינמיקה, כימיה ופיזיקה. את כלהאנרגיה והחומר שמערכת מבודדת פולטת נלקחים כאפס ופועלים עם המספרים הדרושים כרגע.

בודד את הלא מבודדים

אפילו מערכת פתוחה יכולה להיות מבודדת אם משהו מפריד בינה לבין הסביבה. מערכת אדיאבטית פועלת כמחיצה, המשמשת כמעטפת למערכת פתוחה, מה שהופך אותה לסגורה. אפשר להשוות את זה לנייל עטוף סביב חפץ, בניסיון להגן עליו מקרני השמש.

אם מסתכלים על זה במובן רחב יותר, אז האטמוספירה עבור כדור הארץ יכולה לשמש דוגמה - היא מגינה על כוכב הלכת מהשפעה קוסמית ומשמשת כקליפה שנותנת לנו חיים.

יש חוק של שימור התנע למערכת מבודדת סגורה: סכום הדחפים במערכת סגורה נשאר קבוע, לא משנה איך הגופים מתקשרים זה עם זה בתוך המערכת. ובצדק: למרות שעוצמת הדחפים יכולה להשתנות עם הזמן, הנסיבות, ההזדמנויות, הסכום שלהם עדיין יישאר קבוע.

נקודה עבה בקצה…

לכן, המסקנה מציעה את עצמה כדלקמן:

• מערכת מבודדת היא בלתי תלויה ככל האפשר בסביבתה, מייצרת אנרגיה, עבודה וחומר בתוכה. הוא יישאר קבוע, תוך חתירה לאיזון.
• מערכת מבודדת סגורה גם לא תהיה תלויה בתנאי הסביבה, לא תבדיל שום דבר מעצמה, אבל העבודה בה תהיה שווה לאפס בסך הכל. כלומר, חוק שימור המומנטום יהיהלהרחיב למערכת כזו ולא למערכת פתוחה.
• מערכת מבודדת בתרמודינמיקה לא תהיה תלויה בחום הסביבה. בונים מנסים להשיג מצב זה כשהם מבודדים בתים. אגב, קצף יכול בקלות לשמש כמעטפת אדיאבטית לבית, מה שהופך אותו למערכת מבודדת.
• מערכת מבודדת לא קיימת באופן עקרוני: הכל מקיים אינטראקציה עם משהו. אם תסגור את האקווריום, המים יהיו דלים בחמצן, והדגים ימותו. הם נשארים באדום בכל מקרה.

המדע זקוק למערכות מבודדות כדי לקבל את טוהר הניסוי - ניתן להזניח כמה כמויות. אבל בחיים - הם צריכים טיפול ושימוש נאותים.