Закрытая система

Тип системы

Закрытая система — это естественная физическая система , которая не допускает переноса вещества в систему или из нее, хотя — в контексте физики , химии , техники и т. д. — перенос энергии (например, в виде работы или тепла) допускается.

Физика

В классической механике

В нерелятивистской классической механике замкнутая система — это физическая система , которая не обменивается никаким веществом с окружающей средой и не подвержена действию какой-либо чистой силы , источник которой является внешним по отношению к системе. ^{[1] [2]} Замкнутая система в классической механике эквивалентна изолированной системе в термодинамике . Замкнутые системы часто используются для ограничения факторов, которые могут повлиять на результаты конкретной задачи или эксперимента.

В термодинамике

Свойства изолированных, закрытых и открытых систем в обмене энергией и веществом

В термодинамике закрытая система может обмениваться энергией (в виде тепла или работы ), но не материей , с окружающей средой. Изолированная система не может обмениваться теплом, работой или материей с окружающей средой, в то время как открытая система может обмениваться энергией и материей. ^{[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]} (Эта схема определения терминов не используется единообразно, хотя она удобна для некоторых целей. В частности, некоторые авторы используют «закрытую систему» ​​там, где здесь используется «изолированная система». ^{[10] [11]} )

Для простой системы, содержащей только один тип частиц (атом или молекула), замкнутая система представляет собой постоянное число частиц. Однако для систем, в которых происходит химическая реакция , могут быть все виды молекул, образующихся и разрушающихся в процессе реакции. В этом случае тот факт, что система замкнута, выражается утверждением, что общее число каждого элементарного атома сохраняется, независимо от того, частью какой молекулы он может быть. Математически:

${\displaystyle \sum _{j=1}^{m}a_{ij}N_{j}=b_{i}}$

где - число молекул j-типа, - число атомов элемента в молекуле , - общее число атомов элемента в системе, которое остается постоянным, поскольку система замкнута. Для каждого отдельного элемента в системе будет одно такое уравнение. ${\displaystyle N_{j}}$ ${\displaystyle a_{ij}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle j}$ ${\displaystyle b_{i}}$ ${\displaystyle i}$

В термодинамике закрытая система важна для решения сложных термодинамических задач. Она позволяет исключить некоторые внешние факторы, которые могли бы изменить результаты эксперимента или задачи, тем самым упрощая ее. Закрытую систему можно также использовать в ситуациях, когда для упрощения ситуации требуется термодинамическое равновесие .

В квантовой физике

Это уравнение, называемое уравнением Шредингера , описывает поведение изолированной или замкнутой квантовой системы, то есть, по определению, системы, которая не обменивается информацией (т. е. энергией и/или материей) с другой системой. Так что если изолированная система находится в некотором чистом состоянии |ψ(t) ∈ H в момент времени t, где H обозначает гильбертово пространство системы, то временная эволюция этого состояния (между двумя последовательными измерениями). ^[12]

$${\displaystyle i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\Psi (\mathbf {r} ,t)={\hat {H}}\Psi (\mathbf {r} ,t)}$$

где i — мнимая единица , ħ — постоянная Планка, деленная на 2π , символ ⁠∂/∂ т⁠ обозначает частную производную по времени t , Ψ (греческая буква psi ) — волновая функция квантовой системы, а Ĥ — оператор Гамильтона (который характеризует полную энергию любой заданной волновой функции и принимает различные формы в зависимости от ситуации).

В химии

В химии закрытая система — это система, в которой не могут выходить реагенты или продукты, возможен только свободный обмен теплом (например, ледяной холодильник). Закрытую систему можно использовать при проведении химических экспериментов, где температура не является фактором (т. е. достижение теплового равновесия ).

В машиностроении

В инженерном контексте замкнутая система — это связанная система, т.е. определенная, в которой каждый вход известен и каждый результат известен (или может быть известен) в течение определенного времени.

Смотрите также

• Глоссарий теории систем
• Динамическая система
• Изолированная система
• Открытая система (теория систем)
• Чувствовать и реагировать
• Термодинамическая система

Ссылки

1. Рана, NC; PS Joag (1991). Классическая механика . стр. 78. ISBN 978-0-07-460315-4.
2. Ландау, Л. Д .; Лифшиц Е. М. (1976). Механика (третье изд.). С. 8. ISBN 978-0-7506-2896-9.
3. Пригожин, И. , Дефей, Р. (1950/1954). Химическая термодинамика , Longmans, Green & Co, Лондон, стр. 66.
4. Тиса, Л. (1966). Обобщенная термодинамика , MIT Press, Кембридж, Массачусетс, стр. 112–113.
5. Гуггенхайм, Э. А. (1949/1967). Термодинамика. Расширенный курс для химиков и физиков , (1-е издание 1949 г.) 5-е издание 1967 г., Северная Голландия, Амстердам, стр. 14.
6. Мюнстер, А. (1970). Классическая термодинамика , перевод Э. С. Хальберштадта, Wiley–Interscience, Лондон, стр. 6–7.
7. Хаазе, Р. (1971). Обзор основных законов, глава 1 Термодинамики , страницы 1–97 тома 1, под ред. В. Йоста, Физическая химия. Расширенный трактат , под ред. Х. Эйринга, Д. Хендерсона, В. Йоста, Academic Press, Нью-Йорк, lcn 73–117081, стр. 3.
8. Tschoegl, NW (2000). Основы равновесной и стационарной термодинамики , Elsevier, Амстердам, ISBN 0-444-50426-5 , стр. 5. 
9. Силби, Р. Дж., Альберти, Р. А. , Бавенди, М. Г. (1955/2005). Физическая химия , четвертое издание, Wiley, Hoboken NJ, стр. 4.
10. Каллен, Х. Б. (1960/1985). Термодинамика и введение в термостатистику , (1-е издание 1960) 2-е издание 1985, Wiley, Нью-Йорк, ISBN 0-471-86256-8 , стр. 17. 
11. тер Хаар, Д. , Вергеланд, Х. (1966). Элементы термодинамики , Addison-Wesley Publishing, Reading MA, стр. 43.
12. Ривас, Анхель; Уэльга, Сусана Ф. (октябрь 2011 г.). Открытые квантовые системы . Берлин Гейдельберг: Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-23354-8.