System izolowany - Isolated system
W fizyce , system wydzielony jest jedną z następujących czynności:
- system fizyczny tak daleko od innych systemów, że nie ma interakcji z nimi.
- System termodynamiczny zamknięty przez sztywne nieruchomych ścianek , przez które nie masa , ani energii może przechodzić.
Chociaż wewnętrznie podlega własnej grawitacji, izolowany system jest zwykle uważany za znajdujący się poza zasięgiem zewnętrznych sił grawitacyjnych i innych sił dalekiego zasięgu.
Można to skontrastować z tym, co (w bardziej powszechnej terminologii stosowanej w termodynamice) nazywa się systemem zamkniętym , otoczonym selektywnymi ścianami, przez które energia może przechodzić jako ciepło lub praca, ale nie materia; oraz z systemem otwartym , do którego zarówno materia, jak i energia mogą wchodzić lub wychodzić, chociaż w niektórych częściach granic może mieć różnorodnie nieprzepuszczalne ściany.
System izolowany podlega prawu zachowania, zgodnie z którym jego całkowita energia-masa pozostaje stała. Najczęściej w termodynamice masę i energię traktuje się jako oddzielnie zachowane.
Ze względu na wymóg zamknięcia i niemal wszechobecność grawitacji, ściśle i idealnie izolowane systemy nie występują w rzeczywistości ani w eksperymentach, ani w przyrodzie. Choć bardzo przydatne, są czysto hipotetyczne.
Klasyczna termodynamika jest zwykle przedstawiana jako postulująca istnienie systemów izolowanych. Jest też zwykle przedstawiany jako owoc doświadczenia. Oczywiście nie zgłoszono żadnych doświadczeń z idealnie izolowanym systemem.
Z doświadczenia wynika jednak, że niektóre układy fizyczne, w tym izolowane, zdają się osiągać własne stany wewnętrznej równowagi termodynamicznej. Termodynamika klasyczna postuluje istnienie układów we własnych stanach wewnętrznej równowagi termodynamicznej. Ten postulat jest bardzo pożyteczną idealizacją.
Próbując wyjaśnić ideę stopniowego podejścia do równowagi termodynamicznej po operacji termodynamicznej , z entropią rosnącą zgodnie z drugą zasadą termodynamiki , twierdzenie H Boltzmanna wykorzystało równania , które zakładały, że układ (na przykład gaz ) został wyizolowany . Oznacza to, że można określić wszystkie mechaniczne stopnie swobody , traktując otaczające ściany po prostu jako lustrzane warunki brzegowe . Doprowadziło to do paradoksu Loschmidta . Jeśli jednak weźmie się pod uwagę stochastyczne zachowanie cząsteczek i promieniowanie cieplne w rzeczywistych ścianach otaczających, wówczas system działa w kąpieli cieplnej. Wtedy można uzasadnić założenie Boltzmanna o chaosie molekularnym .
Koncepcja systemu izolowanego może służyć jako użyteczny model przybliżający wiele rzeczywistych sytuacji. Jest to dopuszczalna idealizacja stosowana przy konstruowaniu matematycznych modeli pewnych zjawisk przyrodniczych ; np. planety w Układzie Słonecznym oraz proton i elektron w atomie wodoru są często traktowane jako układy izolowane. Ale od czasu do czasu atom wodoru wchodzi w interakcję z promieniowaniem elektromagnetycznym i przechodzi w stan wzbudzony .
Czasami ludzie spekulują na temat „izolacji” wszechświata jako całości, ale sens takich spekulacji jest wątpliwy.
Izolacja radiacyjna
W przypadku izolacji radiacyjnej ściany powinny być doskonale przewodzące, aby doskonale odbijały promieniowanie wewnątrz wnęki, jak na przykład wyobrażał sobie Planck .
Rozważał wewnętrzną równowagę cieplną radiacyjną układu termodynamicznego we wnęce początkowo pozbawionej substancji. Nie wspomniał o tym, co wyobrażał sobie, by otaczać jego doskonale odbijające, a przez to doskonale przewodzące ściany. Przypuszczalnie, ponieważ doskonale odbijają światło, izolują wnękę od wszelkich zewnętrznych efektów elektromagnetycznych. Planck utrzymywał, że aby uzyskać równowagę radiacyjną w izolowanej wnęce, musiała ona dodać do jej wnętrza drobinkę węgla.
Jeśli wnęka o idealnie odbijających ściankach zawiera wystarczająco dużo energii promieniowania, aby utrzymać temperaturę o kosmologicznej wielkości, to drobinka węgla nie jest potrzebna, ponieważ promieniowanie generuje cząstki substancji, takie jak np. pary elektron-pozyton, a tym samym osiąga równowagę termodynamiczną.
Inne podejście przyjmuje Balian . Do kwantyzacji promieniowania we wnęce wyobraża sobie, że jego promieniście izolujące ściany są doskonale przewodzące. Chociaż nie wspomina o masie na zewnątrz, a z jego kontekstu wydaje się, że zamierza przyjąć, iż wnętrze wnęki jest pozbawione masy, to jednak wyobraża sobie, że jakiś czynnik powoduje prądy w ścianach. Jeśli ten czynnik jest wewnętrzny w jamie, może to być tylko promieniowanie, które w ten sposób zostałoby doskonale odbite. Jednak w przypadku problemu równowagi termicznej rozważa ściany zawierające naładowane cząstki, które oddziałują z promieniowaniem wewnątrz wnęki; takie wnęki nie są oczywiście izolowane, ale mogą być traktowane jak w kąpieli cieplnej.
Zobacz też
- Zamknięty system
- Układ dynamiczny
- Otwarty system
- System termodynamiczny
- System otwarty (termodynamika)