В физике изолированной системой называется одно из следующих состояний:
Хотя изолированная система внутренне подвержена собственной гравитации, обычно считается, что она находится вне досягаемости внешних гравитационных и других дальнодействующих сил.
Это можно противопоставить тому, что (в более распространенной терминологии, используемой в термодинамике) называется закрытой системой , окруженной избирательными стенками, через которые энергия может проходить в виде тепла или работы, но не в виде материи; и с открытой системой , в которую могут входить и выходить как материя, так и энергия, хотя на некоторых границах она может иметь различные непроницаемые стены.
Изолированная система подчиняется закону сохранения , согласно которому ее полная энергия-масса остается постоянной. Чаще всего в термодинамике масса и энергия рассматриваются как сохраняющиеся по отдельности.
Из-за необходимости закрытого пространства и почти повсеместного распространения гравитации строго и идеально изолированные системы фактически не встречаются ни в экспериментах, ни в природе. Хотя они очень полезны, они строго гипотетические. [1] [2] [3]
Классическую термодинамику обычно представляют как постулирующую существование изолированных систем. Это также обычно преподносится как плод опыта. Очевидно, что об опыте создания идеально изолированной системы не сообщалось.
Однако опыт показывает, что некоторые физические системы, в том числе изолированные, действительно достигают собственных состояний внутреннего термодинамического равновесия. Классическая термодинамика постулирует существование систем в собственных состояниях внутреннего термодинамического равновесия. Этот постулат представляет собой очень полезную идеализацию.
В попытке объяснить идею постепенного приближения к термодинамическому равновесию после термодинамической операции с увеличением энтропии согласно второму началу термодинамики H-теорема Больцмана использовала уравнения , которые предполагали, что система (например, газ ) изолирована. . То есть можно было бы указать все механические степени свободы , рассматривая ограждающие стены просто как зеркальные граничные условия . Это привело к парадоксу Лошмидта . Однако если принять во внимание стохастическое поведение молекул и тепловое излучение в реальных ограждающих стенах, то система фактически находится в тепловой ванне. Тогда предположение Больцмана о молекулярном хаосе может быть оправдано.
Концепция изолированной системы может служить полезной моделью , аппроксимирующей многие реальные ситуации. Это приемлемая идеализация , используемая при построении математических моделей некоторых природных явлений ; например, планеты Солнечной системы , а также протон и электрон в атоме водорода часто рассматриваются как изолированные системы. Но время от времени атом водорода будет взаимодействовать с электромагнитным излучением и переходить в возбужденное состояние .
Для радиационной изоляции стены должны быть идеально проводящими, чтобы идеально отражать излучение внутри полости, как, например, представлял себе Планк .
Он рассматривал внутреннее терморадиационное равновесие термодинамической системы в полости, изначально лишенной вещества. Он не упомянул, что, по его мнению, окружало его идеально отражающие и, следовательно, идеально проводящие стены. Предположительно, поскольку они прекрасно отражают, они изолируют полость от любого внешнего электромагнитного воздействия. Планк считал, что для радиационного равновесия внутри изолированной полости необходимо добавить в ее внутреннюю часть частичку углерода. [4] [5] [6]
Если полость с идеально отражающими стенками содержит достаточно лучистой энергии, чтобы поддерживать температуру космологической величины, то частица углерода не нужна, поскольку излучение генерирует частицы вещества, такие как, например, электрон-позитронные пары, и тем самым достигает термодинамического равновесия.
Другого подхода придерживается Роджер Балиан . Для квантования излучения в полости он воображает, что его изолирующие излучение стены являются идеально проводящими. Хотя он не упоминает массу снаружи и из контекста кажется, что он хочет, чтобы читатель предположил, что внутренняя часть полости лишена массы, он все же воображает, что какой-то фактор вызывает токи в стенах. Если этот фактор является внутренним по отношению к полости, то это может быть только излучение, которое, таким образом, будет идеально отражаться. Однако для задачи теплового равновесия он рассматривает стенки, содержащие заряженные частицы, взаимодействующие с излучением внутри полости; такие полости, конечно, не изолированы, их можно рассматривать как тепловую ванну. [7]