Thermodynamisches System

Eigenschaften isolierter, geschlossener und offener thermodynamischer Systeme beim Austausch von Energie und Materie.

A Thermodynamisches System ist ein Körper von Angelegenheit und/oder Strahlung, im Weltraum von Wänden beschränkt, mit definierten Permeabilitäten, die es von seiner Umgebung trennen. Die Umgebung kann andere umfassen thermodynamisch Systeme oder physikalische Systeme, die keine thermodynamischen Systeme sind. Eine Wand eines thermodynamischen Systems kann rein fiktiv sein, wenn sie für alle Materie, alle Strahlung und alle Kräfte als „durchlässig“ beschrieben wird. Ein Zustand eines thermodynamischen Systems kann auf verschiedene Arten vollständig beschrieben werden, durch verschiedene verschiedene Sätze thermodynamischer Zustandsvariablen.

Eine weit verbreitete Unterscheidung ist dazwischen isoliert, abgeschlossen, und offen Thermodynamische Systeme.

Ein isoliert Das thermodynamische System hat Wände, die nicht leitend sind und die gesamte Strahlung perfekt widerspiegeln, die starr und unbeweglich sind und für alle Formen von Materie und allen Kräften undurchlässig sind. (Einige Autoren verwenden das Wort "geschlossen", wenn hier das Wort "isoliert" verwendet wird.)

A abgeschlossen Das thermodynamische System ist durch Wände begrenzt, die für Materie undurchlässig sind, aber durch thermodynamische Operationen können abwechselnd durchlässig (als „diathermal“) oder für die Wärme („adiabatisch“ bezeichnet) gemacht werden und für thermodynamische Prozesse (initiiert und abgelegt durch thermodynamische Operationen) kann abwechselnd zulässig oder nicht zulässig sein, wobei die Systemvolumenänderung oder Bewegung mit interner Reibung des Systemgehalts wie in Joule durch die ursprüngliche Demonstration des mechanischen Äquivalents der Wärme und abwechselnd rau oder glatt gemacht werden kann. Erhitzen des Systems durch Reibung auf seiner Oberfläche zuzulassen oder nicht.

Ein offen Das thermodynamische System hat mindestens eine Wand, die es von einem anderen thermodynamischen System trennt, was zu diesem Zweck als Teil der Umgebung des offenen Systems gezählt wird, wobei die Wand auf mindestens eine chemische Substanz sowie für Strahlung durchlässt. Eine solche Wand, wenn sich das offene System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, hat keinen Temperaturunterschied über sich selbst.

Ein thermodynamisches System unterliegt externen Eingriffen thermodynamische Operationen; Diese verändern die Wände des Systems oder seine Umgebung; Infolgedessen erfährt das System vorübergehend thermodynamische Prozesse nach den Prinzipien von Thermodynamik. Solche Operationen und Prozesse bewirken Veränderungen im thermodynamischen Zustand des Systems.

Wenn die intensiven Zustandsvariablen seines Inhalts im Weltraum variieren, kann ein thermodynamisches System als so viele Systeme angesehen werden, die sich miteinander zusammenhalten, wobei jeweils ein anderes thermodynamisches System ist.

Ein thermodynamisches System kann mehrere Phasen wie Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf im gegenseitigen thermodynamischen Gleichgewicht umfassen, das von jeder Wand nicht getrennt ist; oder es kann homogen sein. Solche Systeme können als "einfach" angesehen werden.

Ein "zusammengesetztes" thermodynamisches System kann mehrere einfache thermodynamische Subsysteme umfassen, die durch ein oder mehrere Wände bestimmter Permeabilitäten bestimmt sind. Es ist oft zweckmäßig, ein solches zusammengesetzendes System zu betrachten, das ursprünglich in einem thermodynamischen Gleichgewicht isoliert und dann durch einen thermodynamischen Betrieb einer Erhöhung eines gewissen Sub-Systems-Permeabilität beeinflusst wird, um einen transienten thermodynamischen Prozess zu initiieren, um ein Endabschluss zu erzeugen, um ein Endabschluss zu erzeugen neuer Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts. Diese Idee wurde von Carathéodory verwendet und vielleicht eingeführt. In einem zusammengesetzten System, das zunächst in einem thermodynamischen Gleichgewicht isoliert ist, wirkt sich eine Verringerung einer Wandpermeabilität weder auf einen thermodynamischen Prozess noch eine Änderung des thermodynamischen Zustands aus. Dieser Unterschied drückt die aus Zweites Gesetz der Thermodynamik. Es zeigt, dass eine Zunahme der Entropiemaßnahmen zunimmt Energieverteilung, aufgrund der Erhöhung der Zugänglichkeit von Mikrorostaten.[1]

In Gleichgewichtsthermodynamik ist der Zustand eines thermodynamischen Systems ein Zustand von Thermodynamisches Gleichgewichtim Gegensatz zu einem Nicht-Gleichgewichtszustand.

Nach den Permeabilitäten der Wände eines Systems treten Energie und Materie zwischen ihm und ihrer Umgebung auf, von denen angenommen wird, dass sie im Laufe der Zeit unverändert sind, bis ein Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts erreicht ist. Die einzigen in Gleichgewichtsthermodynamik berücksichtigten Zustände sind Gleichgewichtszustände. Die klassische Thermodynamik umfasst (a) Gleichgewichtsthermodynamik; (b) Systeme, die eher als zyklische Sequenzen von Prozessen als von Zuständen des Systems berücksichtigt werden; Dies waren historisch wichtig für die konzeptionelle Entwicklung des Subjekts. Systeme, die in Bezug auf kontinuierlich anhaltende Prozesse berücksichtigt werden, die durch stetige Strömungen beschrieben werden, sind im Ingenieurwesen wichtig.

Die Existenz des thermodynamischen Gleichgewichts, die Zustände thermodynamischer Systeme definieren, ist das wesentliche, charakteristischste und grundlegendste Postulat der Thermodynamik, obwohl es nur selten als nummeriertes Gesetz angeführt wird.[2][3][4] Laut Bailyn ist die allgemein einstudierte Erklärung der Nullengesetz der Thermodynamik ist eine Folge dieses grundlegenden Postulats.[5] In Wirklichkeit befindet sich praktisch nichts in der Natur im strengen thermodynamischen Gleichgewicht, aber das Postulat des thermodynamischen Gleichgewichts liefert häufig sehr nützliche Idealisierungen oder Näherungen, sowohl theoretisch als auch experimentell; Experimente können Szenarien des praktischen thermodynamischen Gleichgewichts liefern.

In Gleichgewichtsthermodynamik enthalten die Zustandsvariablen keine Flüsse, da in einem Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts alle Flüsse per Definition Nullwerte aufweisen. Gleichgewichtsthermodynamische Prozesse können Flüsse beinhalten, diese müssen jedoch bis zum Zeitpunkt eines thermodynamischen Prozesss oder Betriebs eingestellt haben, um ein System in den späteren thermodynamischen Zustand zu bringen. Nichtgleichgewichtsthermodynamik ermöglicht es seinen Zustandsvariablen, Flüsse ungleich Null zu enthalten, die Transfers von beschreiben Masse oder Energie oder Entropie zwischen a System und seine Umgebung.[6]

1824 Sadi Carnot beschrieb ein thermodynamisches System als das Arbeitssubstanz (wie das Dampfvolumen) eines untersuchten Wärmemotors.

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Überblick

Das thermodynamische Gleichgewicht ist durch Abwesenheit des Massen- oder Energieflussflusses gekennzeichnet. Gleichgewichtsthermodynamik als Subjekt in der Physik betrachtet makroskopische Körper und Energie in den Zuständen des internen thermodynamischen Gleichgewichts. Es verwendet das Konzept von thermodynamische Prozesse, durch die Körper durch Übertragung von Materie und Energie zwischen ihnen von einem Gleichgewichtszustand zu einem anderen übergeben. Der Begriff "thermodynamisches System" wird verwendet, um im besonderen Kontext der Thermodynamik auf Materie- und Energiekörper und Energie zu beziehen. Die möglichen Gleichgewichte zwischen den Körpern werden durch die physikalischen Eigenschaften der Wände bestimmt, die die Körper trennen. Die Gleichgewichtsthermodynamik im Allgemeinen misst die Zeit nicht. Die Gleichgewichtsthermodynamik ist ein relativ einfaches und gut festgelegtes Thema. Ein Grund dafür ist die Existenz einer gut definierten physikalischen Menge, die als "Entropie eines Körpers" bezeichnet wird.

Nichtgleichgewichtsthermodynamik als Subjekt in der Physik betrachtet Körper von Materie und Energie, die sich nicht in Zuständen des internen thermodynamischen Gleichgewichts befinden, sondern normalerweise an Übertragungsverfahren beteiligt sind, die langsam genug sind, um Beschreibung in Bezug auf Mengen, die eng miteinander verbunden sind zu Thermodynamische Zustandsvariablen. Es ist durch das Vorhandensein von Materie- und Energieströmen gekennzeichnet. Für dieses Thema haben die betrachteten Körper sehr oft glatte räumliche Inhomogenitäten, so dass räumliche Gradienten, beispielsweise ein Temperaturgradienten, gut genug definiert sind. Somit ist die Beschreibung von nichtgleichgewichtsthermodynamischen Systemen eine Feldtheorie, komplizierter als die Theorie der Gleichgewichtsthermodynamik. Nicht-Gleichgewichtsthermodynamik ist ein wachsendes Thema, kein etabliertes Gebäude. Im Allgemeinen ist es nicht möglich, eine genau definierte Entropie für Nicht-Gleichgewichtsprobleme zu finden. Bei vielen thermodynamischen Problemen mit Nicht-Gleichgewichtsausgleich ist eine ungefähr definierte Menge als "Zeitrate der Entropieproduktion" sehr nützlich. Nicht-Gleichgewichtsthermodynamik liegt hauptsächlich außerhalb des Rahmens des vorliegenden Artikels.

Eine andere Art von thermodynamischem System wird im Ingenieurwesen berücksichtigt. Es nimmt an einem Flussprozess teil. Der Bericht ist in vielen Fällen in den Tatmen, die in vielen Fällen annähern, die thermodynamischen Konzepte in vielen Fällen. Dies geht hauptsächlich über den Rahmen des vorliegenden Artikels hinaus und wird in anderen Artikeln angegeben, zum Beispiel im Artikel Flussprozess.

Geschichte

Der erste, der das Konzept eines thermodynamischen Systems erstellte, war der französische Physiker Sadi Carnot dessen 1824 Reflexionen über die Motivkraft des Feuers studierte, was er das nannte Arbeitssubstanz, z. B. typischerweise ein Körper von Wasserdampf, in DampfmaschinenIn Bezug auf die Fähigkeit des Systems, zu arbeiten, wenn Wärme darauf angewendet wird. Die funktionierende Substanz könnte entweder mit einem Wärmebehälter (einem Kessel), einem kalten Reservoir (einem Strom kaltes Wasser) oder einem Kolben (an dem der Arbeitskörper arbeiten kann, indem er sie drängt) in Kontakt gebracht werden. 1850 der deutsche Physiker Rudolf Clausius Verallgemeinert dieses Bild, um das Konzept der Umgebung einzuschließen, und bezeichnete das System als "Arbeitskörper". In seinem Manuskript von 1850 Auf die Motivkraft des Feuers, Clausius schrieb:

"Mit jeder Volumenänderung (zum Arbeitskörper) eine bestimmte Menge Arbeit Muss durch das Gas oder darauf erfolgen, da es durch seine Ausdehnung einen externen Druck überwindet, und da seine Kompression nur durch eine Anstrengung des externen Drucks verursacht werden kann. Zu diesem Überschuss an Arbeiten, die das Gas oder darauf dort erledigt haben Wärme Konsumiert oder hergestellt, und das Gas kann nicht dem "umgebenden Medium" der gleichen Wärme wie es erhält.

Der Artikel Carnot Heatmotor Zeigt das ursprüngliche Kolben-Zylinder-Diagramm, das Carnot bei der Diskussion seines idealen Motors verwendet hat. Im Folgenden sehen wir den Carnot -Motor, wie es normalerweise in der aktuellen Verwendung modelliert wird:

Carnot -Motordiagramm (modern) - wo Wärme aus einer hohen Temperatur fließt TH Ofen durch die Flüssigkeit des "Arbeitskörper TCso die Arbeitssubstanz dazu zwingen, dies zu tun mechanische Arbeit W auf der Umgebung über Zyklen von Kontraktionen und Erweiterungen.

In dem gezeigten Diagramm kann der "Arbeitskörper" (System), ein Begriff, der 1850 von Clausius eingeführt wurde, jeder Flüssigkeits- oder Dampfkörper sein Wärme Q kann eingeführt oder übertragen werden, um zu produzieren Arbeit. 1824 Sadi Carnot in seiner berühmten Zeitung Reflexionen über die Motivkraft des Feuers, hatte postuliert, dass der Flüssigkeitskörper jede Substanz sein könnte, die ausgeht, wie z. von Konfigurationen typischerweise QH wurde von einem Kessel geliefert, in dem Wasser über einem Ofen gekocht wurde; QC war typischerweise ein kalt fließendes Wasser in Form von a Kondensator befindet sich auf einem separaten Teil des Motors. Die Ausgabearbeit W war die Bewegung des Kolbens, als er einen Kurbelarm drehte, der typischerweise eine Riemenscheibe drehte, um Wasser aus überfluteten Salzminen zu heben. Carnot definierte die Arbeit als "Gewicht, das durch eine Höhe aufgehoben wurde".

Systeme im Gleichgewicht

Bei Thermodynamisches GleichgewichtDie Eigenschaften eines Systems sind per Definition unverändert in der Zeit. Systeme im Gleichgewicht sind viel einfacher und einfacher zu verstehen als Systeme nicht im Gleichgewicht. In einigen Fällen bei der Analyse a Thermodynamischer ProzessMan kann annehmen, dass sich jeder Zwischenzustand im Prozess im Gleichgewicht befindet. Dies vereinfacht die Analyse erheblich.

In isolierten Systemen wird konsequent beobachtet, dass mit der Zeit nach der Zeit abnimmt und stabile Bedingungen angegangen werden. Drücke und Temperaturen neigen dazu, auszugleichen, und die Materie arrangiert sich in ein oder einige relativ homogene Phasen. Ein System, in dem alle Veränderungsprozesse praktisch bis zur Fertigstellung verlaufen sind Thermodynamisches Gleichgewicht. Die thermodynamischen Eigenschaften eines Systems im Gleichgewicht sind zeitlich unverändert. Gleichgewichtssystemzustände sind viel einfacher zu beschreiben auf deterministische Weise als Nichtgleichgewichtszustände.

Für einen Prozess zu sein reversibelJeder Schritt im Prozess muss reversibel sein. Damit ein Schritt in einem Prozess reversibel ist, muss sich das System während des gesamten Schrittes im Gleichgewicht befinden. Dieses Ideal kann in der Praxis nicht erreicht werden, da kein Schritt unternommen werden kann, ohne das System aus dem Gleichgewicht zu stören, aber das Ideal kann durch langsame Änderungen angegangen werden.

Wände

Arten von Überweisungen erlaubt nach Wandtypen
Art der Wand Art der Übertragung
Angelegenheit Arbeit Hitze
durchlässig zu Materie Green tick Red XN Red XN
für Energie durchlässig, aber

unvollständig zu Materie

 Red XN Green tick Green tick
adiabatisch Red XN Green tick Red XN
adynamisch und

unvollständig zu Materie

 Red XN Red XN Green tick
Isolieren Red XN Red XN Red XN

Ein System ist von Wänden eingeschlossen, die es gebunden und an seine Umgebung verbinden.[7][8][9][10][11][12] Oft schränkt eine Wand den Durchgang durch irgendeine Form von Materie oder Energie ein und macht die Verbindung indirekt. Manchmal ist eine Wand nicht mehr als eine imaginäre zweidimensionale geschlossene Oberfläche, durch die die Verbindung zur Umgebung direkt ist.

Eine Wand kann fixiert werden (z. B. ein konstantes Volumenreaktor) oder beweglich (z. B. ein Kolben). Beispielsweise bedeutet eine feste Wand in einem Hubkrockenmotor, dass der Kolben an seiner Position gesperrt ist. Dann kann ein konstanter Volumenprozess auftreten. In demselben Motor kann ein Kolben freigeschaltet und ein- und aussteigen. Idealerweise kann eine Wand deklariert werden adiabatisch, diathermal, undurchlässig, durchlässig oder Semi-Permeable. Tatsächliche physikalische Materialien, die Wände mit solchen idealisierten Eigenschaften liefern, sind nicht immer verfügbar.

Das System wird durch Wände oder Grenzen, entweder tatsächliche oder fiktive, abgegrenzt, über die konservierte (wie Materie und Energie) oder nicht vertraute (z. B. Entropie-) Größen in das System und aus dem System gelangen können. Der Raum außerhalb des thermodynamischen Systems ist als der bekannt Umfeld, a Reservoir, oder der Umgebung. Die Eigenschaften der Wände bestimmen, welche Transfers auftreten können. Eine Wand, die die Übertragung einer Menge ermöglicht, wird als durchlässiger für sie durchlässig, und ein thermodynamisches System wird durch die Permeabilitäten seiner verschiedenen Wände klassifiziert. Eine Übertragung zwischen System und Umgebung kann durch Kontakt auftreten, wie z. B. Wärmeableitungen oder durch Fernkräfte wie ein elektrisches Feld in der Umgebung.

Ein System mit Wänden, das alle Übertragungen verhindern soll isoliert. Dies ist eine idealisierte Konzeption, da in der Praxis immer ein gewisser Transfer möglich ist, beispielsweise durch Gravitationskräfte. Es ist ein Axiom der Thermodynamik, das ein isoliertes System schließlich intern erreicht Thermodynamisches Gleichgewicht, wenn sich sein Zustand nicht mehr mit der Zeit ändert.

Die Wände von a geschlossenes System Lassen Sie die Energieübertragung als Wärme und als Arbeit, aber nicht von Materie, zwischen ihm und seiner Umgebung. Die Wände eines offenes System Lassen Sie sowohl Materie als auch Energie übertragen.[13][14][15][16][17][18][19] Dieses Definitionsschema der Begriffe wird nicht einheitlich verwendet, obwohl es für einige Zwecke zweckmäßig ist. Insbesondere verwenden einige Autoren "geschlossenes System", bei dem hier "isoliertes System" verwendet wird.[20][21]

Alles, was über die Grenze geht und eine Änderung des Inhalts des Systems auswirkt, muss in einer geeigneten Saldo -Gleichung berücksichtigt werden. Das Volumen kann die Region sein, die eine einzelne Atom -Resonanz -Energie umgibt, wie z. Max Planck im Jahr 1900 definiert; Es kann ein Körper aus Dampf oder Luft in a sein Dampfmaschine, wie zum Beispiel Sadi Carnot definiert im Jahr 1824. Es könnte auch nur ein Nuklid sein (d. H. Ein System von Quarks) Wie in der Hypothese aufgenommen in Quantenthermodynamik.

Umfeld

Siehe auch: Umwelt (Systeme)

Das System ist der Teil des Universums, das untersucht wird, während der Umfeld ist der Rest des Universums, das außerhalb der Grenzen des Systems liegt. Es ist auch als die bekannt Umgebung oder der Reservoir. Abhängig von der Art des Systems kann es mit dem System interagieren, indem es Masse, Energie (einschließlich Wärme und Arbeit) austauschen. Schwung, elektrische Ladung, oder Andere konservierte Eigenschaften. Die Umgebung wird in der Analyse des Systems ignoriert, außer in Bezug auf diese Wechselwirkungen.

Geschlossenes System

Hauptartikel: Geschlossenes System § in der Thermodynamik

In einem geschlossenen System darf keine Masse in oder aus den Systemgrenzen übertragen werden. Das System enthält immer die gleiche Menge an Materie, aber (sensible) Wärme und (Grenze) Arbeiten können über die Grenze des Systems ausgetauscht werden. Ob ein System Wärme, Arbeiten oder beides austauschen kann, hängt von der Eigenschaft seiner Grenze ab.

Ein Beispiel ist Flüssigkeit, das von einem Kolben in einem Zylinder komprimiert wird. Ein weiteres Beispiel für ein geschlossenes System ist ein Bombenkalorimeter, eine Art konstantem Kalorimeter, die zur Messung der Verbrennungswärme einer bestimmten Reaktion verwendet werden. Die elektrische Energie wandert über die Grenze, um einen Funken zwischen den Elektroden zu erzeugen und die Verbrennung zu initiiert. Die Wärmeübertragung tritt nach der Verbrennung über die Grenze auf, aber in beiden Fällen findet kein Massenübergang statt.

Das erste Gesetz der Thermodynamik für Energieübertragungen für geschlossenes System kann angegeben werden:

wo bezeichnet die innere Energie des Systems, Wärme zum System hinzugefügt, die Arbeit des Systems. Bei infinitesimalen Veränderungen kann das erste Gesetz für geschlossene Systeme angegeben:

Wenn die Arbeit auf eine Volumenerweiterung durch zurückzuführen ist bei einem Druck dann:

Für eine quasi-reversible Wärmeübertragung lautet das zweite Gesetz der Thermodynamik:

wo bezeichnet die thermodynamische Temperatur und Die Entropie des Systems. Mit diesen Beziehungen die grundlegende thermodynamische Beziehung, verwendet, um Änderungen der internen Energie zu berechnen, wird ausgedrückt als:

Für ein einfaches System mit nur einer Partikelart (Atom oder Molekül) beträgt ein geschlossenes System eine konstante Anzahl von Partikeln. Für Systeme a chemische ReaktionEs kann alle Arten von Molekülen geben, die durch den Reaktionsprozess erzeugt und zerstört werden. In diesem Fall wird die Tatsache, dass das System geschlossen ist, ausgedrückt, indem die Gesamtzahl jedes Elementaratoms erhalten wird, unabhängig von welcher Art von Molekül es ist. Mathematisch:

wo bezeichnet die Anzahl von -Typ -Moleküle, die Anzahl der Elementatome im Molekül , und Die Gesamtzahl der Elementatome im System, das konstant bleibt, da das System geschlossen ist. Für jedes Element im System gibt es eine solche Gleichung.

Isoliertes System

Hauptartikel: Isoliertes System

Ein isoliertes System ist restriktiver als ein geschlossenes System, da es in keiner Weise mit seiner Umgebung interagiert. Masse und Energie bleibt innerhalb des Systems konstant, und es findet keine Energie- oder Massenübertragung über die Grenze statt. Mit der Zeit in einem isolierten System neigen interne Unterschiede im System tendenziell aus, und Drücke und Temperaturen neigen dazu, ebenso wie Dichteunterschiede auszugleichen. Ein System, in dem alle Equalizationsprozesse praktisch bis zur Fertigstellung verlaufen sind Thermodynamisches Gleichgewicht.

Wirklich isolierte physikalische Systeme existieren in der Realität nicht (außer vielleicht für das Universum als Ganzes), da beispielsweise immer die Schwerkraft zwischen einem System mit Masse und Massen an anderer Stelle besteht.[22][23][24][25][26] Reale Systeme verhalten sich jedoch fast ein isoliertes System für endliche (möglicherweise sehr lange) Mal. Das Konzept eines isolierten Systems kann als nützlich dienen Modell Annäherung an viele reale Situationen. Es ist akzeptabel Idealisierung verwendet beim Konstruktion Mathematische Modelle von sicherem Natural Phänomene.

In dem Versuch, das Postulat von zu rechtfertigen Entropie Erhöhung der Zweites Gesetz der Thermodynamik, Boltzmanns H-Theorem Gebraucht Gleichungen, was annahm, dass ein System (zum Beispiel a Gas) war isoliert. Das ist alles mechanisch Freiheitsgrade könnte spezifiziert werden und die Wände einfach als behandeln Spiegel Randbedingungen. Dies führte unweigerlich zu Loschmidts Paradoxon. Aber wenn die stochastisch Verhalten der Moleküle In den tatsächlichen Wänden wird zusammen mit dem berücksichtigt Randomisierung Auswirkung des Umgebungs Hintergrund Wärmestrahlung, Boltzmanns Annahme von Molekulares Chaos kann gerechtfertigt sein.

Das zweite Gesetz der Thermodynamik für isolierte Systeme besagt, dass die Entropie eines isolierten Systems, das nicht im Gleichgewicht ist, im Laufe der Zeit tendenziell zunimmt und sich dem Maximalwert im Gleichgewicht nähert. Insgesamt ist die interne Energie in einem isolierten System konstant und die Entropie kann niemals abnehmen. EIN abgeschlossen Die Entropie des Systems kann z. Wenn Wärme aus dem System extrahiert wird.

Es ist wichtig zu beachten, dass isolierte Systeme nicht den geschlossenen Systemen entsprechen. Geschlossene Systeme können keine Materie mit der Umgebung austauschen, sondern können Energie austauschen. Isolierte Systeme können weder Materie noch Energie mit ihrer Umgebung austauschen, und als solche sind nur theoretisch und existieren in der Realität nicht (außer möglicherweise das gesamte Universum).

Es ist erwähnenswert, dass "geschlossenes System" häufig in Thermodynamik -Diskussionen verwendet wird, wenn „isoliertes System“ korrekt wäre - d. H. Es besteht die Annahme, dass Energie das System nicht betritt oder verlässt.

Selektive Übertragung von Materie

Für einen thermodynamischen Prozess sind die genauen physikalischen Eigenschaften der Wände und der Umgebung des Systems wichtig, da sie die möglichen Prozesse bestimmen.

Ein offenes System verfügt über eine oder mehrere Wände, die eine Materie ermöglichen. Um die interne Energie des offenen Systems zu berücksichtigen, erfordert dies zusätzlich zu denen für Wärme und Arbeit Energieübertragungsbedingungen. Es führt auch zur Idee der Chemisches Potential.

Eine Wand, die nur für eine reine Substanz selektiv durchlässig ist, kann das System in diffusivem Kontakt mit einem Reservoir dieser reinen Substanz in der Umgebung versetzen. Anschließend ist ein Prozess möglich, bei dem diese reine Substanz zwischen System und Umgebung übertragen wird. Außerdem ist über diese Wand ein Kontaktgleichgewicht in Bezug auf diese Substanz möglich. Von geeignet thermodynamische OperationenDas reine Substanzreservoir kann als geschlossenes System behandelt werden. Seine interne Energie und ihre Entropie können als Funktionen seiner Temperatur, Druck und Molzahl bestimmt werden.

Eine thermodynamische Operation kann für diese Substanz alle Systemwände als die Kontaktgleichgewichtswand unvollständig machen. Dies ermöglicht die Definition einer intensiven staatlichen Variablen in Bezug auf einen Referenzzustand der Umgebung für diese Substanz. Die intensive Variable wird als chemisches Potential bezeichnet. Für Komponentensubstanz i es ist normalerweise bezeichnet μi. Die entsprechende umfangreiche Variable kann die Anzahl der Maulwürfe sein Ni der Komponentensubstanz im System.

Für ein Kontaktgleichgewicht über eine auf einer Substanz durchlässige Wand müssen die chemischen Potentiale der Substanz auf beiden Seiten der Wand gleich sein. Dies ist Teil der Natur des thermodynamischen Gleichgewichts und kann als im Zusammenhang mit dem Zeroth -Gesetz der Thermodynamik angesehen werden.[27]

Offenes System

In einem offenen System gibt es einen Austausch von Energie und Materie zwischen dem System und der Umgebung. Das Vorhandensein von Reaktanten in einem offenen Bechern ist ein Beispiel für ein offenes System. Hier ist die Grenze eine imaginäre Oberfläche, die den Becher und Reaktanten einschließt. Es heißt abgeschlossen, wenn Grenzen für Substanz undurchdringlich sind, aber Energietransit in Form von Wärme und und isoliert, wenn es keinen Austausch von Wärme und Substanzen gibt. Das offene System kann im Gleichgewichtszustand nicht existieren. Um die Abweichung des thermodynamischen Systems vom Gleichgewicht zu beschreiben, zusätzlich zu den oben beschriebenen konstitutiven Variablen, die eine Reihe von internen Variablen beschrieben wurden das werden genannt Interne Variablen wurde vorgestellt. Der Gleichgewichtszustand wird als stabil angesehen. und die Haupteigenschaft der internen Variablen als Maßnahmen von Nichtgleichgewicht des Systems ist ihr Trend, zu verschwinden; Das lokale Verschwindengesetz kann für jede interne Variable als Entspannungsgleichung geschrieben werden

 

 

 

 

(1)

wo ist eine Entspannungszeit einer entsprechenden Variablen. Es ist zweckmäßig, den Anfangswert zu berücksichtigen sind gleich Null.

Der spezifische Beitrag zur Thermodynamik offener Nichtgleichgewichtssysteme wurde gemacht von Ilya Prigogine, der ein System chemisch reagierender Substanzen untersuchte.[28] In diesem Fall scheinen die internen Variablen Maßnahmen für die Unvollständigkeit chemischer Reaktionen zu sein, dh Maßnahmen zum Abstand, wie viel das betrachtete System mit chemischen Reaktionen aus dem Gleichgewicht ist. Die Theorie kann verallgemeinert werden,[29][30][31] Um Abweichungen vom Gleichgewichtszustand zu berücksichtigen, wie z. B. Struktur des Systems, Temperaturgradienten, Differenz der Substanzenkonzentrationen usw.

Die Schritte von Gibbs freie Energie und Entropie bei und werden bestimmt als

 

 

 

 

(2)

 

 

 

 

(3)

Die stationären Zustände des Systems existieren aufgrund des Austauschs beider thermischer Energie und ein Strom von Partikeln. Die Summe der letzten Begriffe in Gleichungen zeigt die Gesamtenergie, die mit dem Strom von Substanzen in das System eingeht das kann positiv oder negativ sein; Die Quantität ist Chemisches Potential Substanz . Die mittleren Begriffe in Gleichungen (2) und (3) zeigen energiedissipation (Entropieproduktion) aufgrund der Entspannung interner Variablen , während sind thermodynamische Kräfte.

Dieser Ansatz zum offenen System ermöglicht die Beschreibung des Wachstums und der Entwicklung lebender Objekte in thermodynamischen Begriffen.[32]

Siehe auch

Verweise

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Quellen

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