Изолированная система в термодинамике: определение, особенности и примеры

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.