ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА

Изолированная система в термодинамике: определение, особенности и примеры

ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА

В термодинамике есть несколько видов систем: изолированная и неизолированная. То, где они встречаются, когда применяются, показывает, насколько они полезными могут быть и как за ними ухаживать. В противном случае, если такие системы оказываются вредными для работы человека, – как от них избавиться.

Что это такое?

Изолированная система – это абсолютно любое скопление атомов и молекул (вещь, планета, человеческое тело), которое сохраняет в себе энергию всего вещества. Такая система полностью изолирована от внешнего мира, её ещё называют замкнутой.

Суть изолированной системы сводится к тому, что она при всём своём желании не будет делиться теплотой, не транжирит энергию, вещество у неё отнимать придётся силой. Для примера можно посмотреть на аквариум. Внутри него происходят процессы: дохнут рыбки, портится вода, разрушаются ракушки. Но с внешней средой аквариум не контактирует.

Ещё одним примером изолированной системы является утюг – энергию сам не потратит, веществами не поделится. Такое явление наблюдается у танковых двигателей, Солнечной системы – у всего, что не делится энергией с другими.

К замкнутым изолированным системам нельзя отнести автомобиль – он передвигается с определённой скорость сам! Также не относятся чайники, растения, живые организмы – они делятся с окружающим миром веществами. Живые организмы выделяют продукты обмена, растения – кислород, чайник – пар при закипании.

Интересный факт: замкнутой называют такую систему, где сумма производимых сил и работы равна нулю, а изолированной – где тела просто действуют отдельно от других систем. При этом изолированная система не всегда замкнутая, но замкнутая система обязательно будет изолированной.

В движениях – ловушка

Есть один нюанс: двигаться им самим нельзя, а вот если их кто-то передвигает, то правило не нарушается.

Так, если взять изолированную систему и кинуть её с высоты, случайно уронить, сбросить с парашюта – неважно, изолированной она быть не перестанет.

Если конечно не разбить её при таких действиях – та же бутылка с водой, скинутая с высоты, выпустит наружу всю воду – поделится с другими системами веществом – что означает, что система будет уже не замкнутой.

Под такое описание подходят пистолет и пуля – не действует без пальца на курке, тяжёлое тело и Земля – ничего не происходит, если не толкнуть тело на почву.

Теплоту учитывать тоже надо

Изолированная система в термодинамике – это макротело, которое вообще ни разу ничем не делится: энергия, вещество и тепло не выходят за пределы системы. Как пример – термос. Он сохраняет градус налитого в него чая, напитком без вмешательства человека насильно (открыть и вылить самому) не поделится, и энергию никуда не тратит.

Причем изолированная система всегда стремится прийти в термодинамическое равновесие, и нужен кто-то третий, чтобы её вывели из этого состояния. То есть, если приводить пример того же термоса, то при длительном его нахождении в окружающей среде чай все равно остынет. Поэтому нужен человек, который опять его зальёт горячим чаем, и система вновь будет термодинамически изолированной.

Зачем оно надо?

Понятие изолированной системы охватывает многие механизмы, системы и экосистемы. Человеку понимание того, как они устроены, нужно для того, чтобы правильно за ними ухаживать.

Если это аквариум, то перед тем, чтобы в него полезть с руками и ногами, пытаясь почистить, нужно сначала посмотреть, как сделать всё так, чтобы не нарушить её.

Если это механизмы или оборудование – как ими пользоваться, чтобы потом не было мучительно больно их чинить.

При этом, если брать в глобальных масштабах, пустыня — тоже изолированная система: внутри неё происходят определённые механизмы жизнедеятельности, которые за её пределы не выходят. Леса, степи, вулканы, а также атмосфера служат относительно изолированными экосистемами. Люди, не понимая, как они работают, порой сами не осознают, беды какого масштаба они создают.

Есть ещё одно «но». Изолированная система никогда не будет существовать абсолютно отдельно от других систем. Но это понятие существует. Оно удобно для того, чтобы проводить подсчеты в математике, термодинамике, химии и физике. Всю энергию и вещество, что выделяет изолированная система, принимают за ноль и оперируют теми числами, которые необходимы в данный момент.

Изолируем неизолируемое!

Даже открытая система может стать изолированной, если её отгородить чем-то от окружающей среды. В роли перегородки выступает адиабатическая система, которая служит оболочкой для открытой системы, делая её замкнутой. Ее можно сравнить с фольгой, которой обматывают предмет, стремясь защитить его от солнечных лучей.

Если разглядывать в более широком смысле, то примером может служить атмосфера для Земли – она защищает планету от космического влияния и служит оболочкой, которая даёт нам жизнь.

Существует закон сохранения импульса для замкнутой изолированной системы: Сумма импульсов в замкнутой системе остается постоянной, как бы тела не взаимодействовали между собой внутри системы. И это правильно: хоть сила импульсов может меняться со временем, обстоятельствами, возможностями, все равно их сумма будет оставаться постоянной.

В конце – жирная точка…

Таким образом, вывод напрашивается такой:

  • Изолированная система не зависит от окружающей среды, насколько это вообще возможно, производя внутри себя энергию, работу и вещество. Она останется постоянной, при этом стремясь к равновесию.
  • Замкнутая изолированная система тоже будет не зависеть от условий окружающей среды, из себя ничего не выделять, но работа в ней будет суммарно равна нулю. То есть закон сохранения импульсов будет распространяться скорее на такую систему, чем на незамкнутую.
  • Изолированная система в термодинамике не будет зависеть от теплоты окружающей среды. Этого состояния пытаются добиться строители, когда утепляют дома. Кстати, пенопласт легко может служить адиабатической оболочкой для дома, делая его изолированной системой.
  • Изолированной системы не существует в принципе: всё с чем-то взаимодействует. Если закрыть аквариум, вода будет бедной на кислород, и рыбки будут дохнуть. Они в любом случае остаются в минусе.

Изолированные системы нужны науке для того, чтобы была чистота эксперимента – некоторыми величинами можно пренебречь. А в жизни – за ними нужен правильный уход и использование.

Изолированная система термодинамики

ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА

Определение 1

Изолированная система термодинамики (другими словами, — замкнутая система) является термодинамической системой, которая не обеспечивает обмен ни энергией, ни веществом в условиях взаимодействия с окружающей средой.

Рисунок 1. Второе начало термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В термодинамике постулатом выступает утверждение о постепенном переходе изолированной системы в положение термодинамического равновесия, выход из которого в самостоятельном формате становится невозможным (речь идет о нулевом начале термодинамики).

Замечание 1

Адиабатически изолированная система выступает в качестве термодинамической системы, не производящей обмен энергии в формате теплоты с окружающей средой. Изменения внутренней энергии подобной системы будет в таком случае равнозначно проводимой над ней работе. Всякий, происходящий в рамках адиабатически изолированной системы, процесс будет носить название «адиабатический».

В практическом плане относительная адиабатическая изоляция будет достигаться посредством заключения системы в адиабатическую оболочку (к примеру, сосуд Дьюара). Реальный процесс также может считаться адиабатическим, в случае протекания в достаточно быстром формате (таким образом, что теплообмен с окружающими телами становится пренебрежительно малым за короткий временной промежуток).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Типы термодинамических систем

Рисунок 2. Термодинамическая система. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Термодинамическая система считается в физике объектом исследования в термодинамике. Она выступает в качестве отдельного макроскопического тела (либо группы), которые фактически отделены от окружающей среды посредством границы раздела (оболочки или перегородки).

Такая система будет характеризоваться благодаря макроскопическим параметрами, таким, как объем, давление, температура, и состоять из большого количества микроскопических частиц. Различают такие термодинамические системы:

  • изолированная (представляющая систему, не обменивающуюся ни за счет массы, ни энергии, с окружающей средой);
  • закрытая является системой (не способной обмениваться с окружающей средой массой, но производящая при этом энергетический обмен);
  • открытая производит обмен со средой, которая ее окружает, посредством массы и энергии (речь может идти, например, о живом организме).

В условиях изолированной системы общее изменение энтропии оказывается всегда положительным, иными словами, всегда возрастающей будет общая энтропия изолированной системы. При этом в одной части системы энтропия склонна к уменьшению, например, однако, это обязательно должно компенсироваться за счет увеличения ее в остальных частях системы.

Второе начало термодинамики для изолированных систем

Рисунок 3. Второе начало термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Термодинамическая вероятность представляет количество вариантов размещения молекул и также распределения их скоростей, соответствующее данному состоянию системы.

Исходя из самого смысла этого понятия, любая предоставленная сама себе (то есть изолированная) система будет переходящей из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей. Обратный переход становится в таких условиях принципиально возможным (теоретически), но практически невероятным.

На основании формулы Больцмана, формулируется второе начало термодинамики: все реальные процессы в условиях изолированной системы выполняются в сторону состояний с большей вероятностью, то есть с повышением энтропии. То есть, второе начало будет представлять вероятностный закон.

Флуктуации считаются демонстрационным примером вероятностного характера физических процессов. Так, невозможно с абсолютной уверенностью и точностью предвидеть направление и место изменений плотности, например, в данном объеме газа. Но вполне возможным становится при этом расчет вероятности определенной флуктуации.

Флуктуации присутствуют и в живых организмах. Вследствие флуктуаций молекул мембраны, например, каналы, через которые осуществляется ионный перенос через мембрану, случайным образом могут то закрываться, то открываться, что демонстрируют опыты.

Флуктуации в рецепторных клетках ощутимо воздействуют на восприятие слабых сигналов (света, звука и пр.), которые теряются на фоне так называемого «флуктуационного шума» (хаотичных колебаний на мембране разности потенциалов вследствие флуктуаций).

Изолированная система в окружающем мире

Изолированная система в окружающем мире проявляется следующим образом:

Даже для открытой системы возможна изоляция при условии ее отгораживания от окружающей среды посредством чего-то.Перегородкой выступит в таком случае адиабатическая система, служащая оболочкой для открытой системы и превращающая ее в замкнутую.

Так, она сравнима с фольгой для обматывания предмета в стремлении защитить его от солнечных лучей. В более масштабном смысле примером может быть атмосфера для Земли, выступающая в качестве защиты планеты от космических воздействий на нее и служащая оболочкой, дающей жизнь биологическим организмам.

Замечание 2

Для изолированной системы (замкнутого типа) существует закон сохранения импульса: сумма импульсов в такой системе остается постоянной величиной, несмотря на способ взаимодействия тел друг с другом внутри системы.

При этом, такая система также не будет зависимой от условий окружающей среды и выделять из себя что-то, однако работа в ней суммарно будет соответствовать нулевому значению. Закон сохранения импульсов будет распространен, скорее, именно на такую систему, чем на систему незамкнутого типа.

В термодинамике изолированная система не будет зависимой от теплоты окружающей среды. К подобному состоянию стремятся строители в плане утепления домов. Кстати, пенопласт вполне может выступить в качестве адиабатической оболочки для дома, превращая его в изолированную систему.

В природе изолированной системы, в принципе, не существует, поскольку все с чем-то будет взаимодействовать. Изолированные системы нужны в науке в экспериментальных целях.

Портал педагога | Законы сохранения

ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА

Варфоломеева Анна Николаевна
Должность: учитель физики
Учебное заведение: МБОУ СШ №41
Населённый пункт: город Ульяновск
Наименование материала: методическая разработка
Тема: Законы сохранения
12.05.2019
Раздел: полное образование

Законы сохранения

Импульс

тела

(материальной

точки)

физическая

векторная

величина,

равная

произведению массы тела на его скорость.

p

= m·

υ

[p] = кг·м/с

p

↑↑

υ

Импульс силы – векторная физическая величина, равная произведению среднего значения

силы на время ее действия

F

∙∆t.[F·∆t] = Н·м.

Второй закон Ньютона изменение импульса тела равно импульсу действующей на него

силы: т.к.

F

∙∆t = ∆

p

m

υ

2

— m

υ

1

=

F

∙∆t

Ударом (или столкновением) принято называть кратковременное взаимодействие тел, в

результате которого их скорости испытывают значительные изменения.

Удар

Абсолютно неупругим ударом Абсолютно упругим ударом

называют такое ударное взаимодействие, при называется столкновение,

при котором тела соединяются друг с другом и котором сохраняется

механическая движутся дальше как одно тело. энергия

системы тел.

Механическая энергия не сохраняется

(она частично или полностью переходит υ

01

υ

02

во внутреннюю энергию тел )

υ

01

υ

02

m

1

υ

1

m

2

υ

2

m

1

+m

2

υ

общ

Закон сохранения импульса.

Замкнутая (изолированная) система – система тел, взаимодействующих только между

собой и не взаимодействующих с телами, не входящими в эту систему.

Закон сохранения импульса: векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую

систему, не изменяется.

m

υ

01

+ m

υ

02

+ m

υ

03

+ … = m

υ

1

+ m

υ

2

+ m

υ

3

+ …

Энергия

– скалярная физическая величина, являющаяся мерой способности тела (или

системы тел) совершить работу.

Энергия

Кинетическая энергия —

энергия движущегося тела.

Потенциальная энергия –

обусловлена взаимодействием различных тел или частей

тела

E

к

=

2

2

Теорема о кинетической

э н е р г и и

изменение

кинетической

энергии

тела

при

переходе

из

одного

пол ожения

в

другое равноработе всех

сил,

действующих

на

Потенциальная

энергия тела

поднятого над землей

E=mgh

m-масса тела

g-ускорение

свободного падения

Потенциальная энергия

упругодеформированного тела

E

п

=

kx

2

2

k — коэффициент жесткости

пружины

x- величина деформации

тело.

h-

высота

тела

над

землей

Закон

сохранения

энергии

в

механических

процессах

сумма

кинетической

и

потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих

между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной.

Е = Е

k1

+ E

p1

= Е

k2

+ E

p2

= const при F

тр

= 0

Если F

тр

≠ 0, механическая энергия переходит во внутреннюю (тепловую) энергию тела:

Q = Е

2

– Е

1

, где Q =А

тр

Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит

от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями.

Такие силы называются консервативными (силы тяжести и силы упругости)

Работа силы.

Механической

работой A,

совершаемой

постоянной

силой,

называется

скалярная

физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на

косинус угла α между векторами силы и перемещения.

А = F∙s∙cos α [А] = Дж 1Дж =1Н∙1м

Работа в зависимости от угла α:

Графически работа определяется по площади фигуры под

графиком F

s

(x) : А = S

фиг

Работа силы равна изменению его кинетической или

потенциальной энергии: А = │∆Е

к

│ = │∆Е

п

α

формула

рисунок

1

= 0

о

cosα = 1

А = F∙s (υ↑)

F

s

2

0º < α < 90º

сosα > 0

А = F∙s∙cos α >0 (υ↑)

F

s

3

α = 90 º

cosα = 0

A = 0 υ =0

F

s

4

90 º < α < 180º

cosα < 0

А = F∙s∙cos α < 0 (υ↓)

F

s

5

α = 180 º

cosα = -1

А = -F∙s < 0 (υ↓)

F

s

Работа силы тяжести не зависит от формы траектории и равна изменению

потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

А

тяж.

= mg(h

1

– h

2

) = — ( mgh

1

— mgh

2

) = — (Е

р2

– Е

р1

)

Работа силы тяжести по замкнутой траектории равна нулю.

Мощность – скалярная физическая величина, равная отношению совершенной работы к

промежутку времени, за который она совершена.

N=

A

t

N= F∙υ [N] = Вт 1 Вт =

1 Дж

1 с

Коэффициент полезного действия механизмов КПД – величина, равная отношению

полезной работы к полной работ, выраженная в процентах.

=

А

полезная

А

полная

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть