Διαφορά μεταξύ ανοιχτού και κλειστού συστήματος

Κύρια διαφορά – Ανοιχτό έναντι κλειστού συστήματος

Η θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της φυσικής που εξηγεί τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ των αντικειμένων και του περιβάλλοντος. Οι όροι στη θερμοδυναμική μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την κατανόηση της χημικής συμπεριφοράς των χημικών ειδών. Σύστημα και περιβάλλον είναι δύο βασικοί όροι που χρησιμοποιούνται στη θερμοδυναμική. Ένα σύστημα είναι ένα μέρος του σύμπαντος που μελετάται και που περιβάλλει το υπόλοιπο σύμπαν εκτός από αυτό το συγκεκριμένο σύστημα. Το περιθώριο του συστήματος που το χωρίζει από το περιβάλλον ονομάζεται όριο. Τα συστήματα μπορούν να υπάρχουν με τρεις τρόπους ως ανοιχτά συστήματα, κλειστά συστήματα και μεμονωμένα συστήματα. Η κύρια διαφορά μεταξύ ανοιχτού και κλειστού συστήματος είναι ότι σε ένα ανοιχτό σύστημα, η ύλη μπορεί να ανταλλάσσεται με το περιβάλλον ενώ, σε ένα κλειστό σύστημα, η ύλη δεν μπορεί να ανταλλάσσεται με το περιβάλλον.

Βασικές περιοχές που καλύπτονται

1. Τι είναι ένα Ανοιχτό Σύστημα
      – Ορισμός, Χαρακτηριστικά
2. Τι είναι ένα κλειστό σύστημα
      – Ορισμός, Χαρακτηριστικά
3. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ Ανοιχτών και Κλειστών Συστημάτων
      – Σύγκριση βασικών διαφορών

Βασικοί όροι:Ενέργεια, Σύστημα Κινητικής Ενέργειας, Ύλη, Δυναμική Ενέργεια, Περιβάλλον, Θερμοδυναμική

Τι είναι ένα ανοιχτό σύστημα

Ένα ανοιχτό σύστημα μπορεί να οριστεί ως ένα σύστημα που μπορεί να ανταλλάξει τόσο ύλη όσο και ενέργεια με το περιβάλλον. Για παράδειγμα, η γη μπορεί να αναγνωριστεί ως ανοιχτό σύστημα. Σε αυτή την περίπτωση, η γη είναι το σύστημα και το διάστημα είναι το περιβάλλον. Το ηλιακό φως μπορεί να φτάσει στην επιφάνεια της γης και μπορούμε να στείλουμε πυραύλους στο διάστημα. Το ηλιακό φως και ο πύραυλος μπορούν να εξηγηθούν ως ενέργεια και ύλη, αντίστοιχα.

Η ανταλλαγή ύλης μεταξύ του ανοιχτού συστήματος και του περιβάλλοντος γίνεται εύκολα. Αυτό μπορεί επίσης να εξηγηθεί εύκολα με την προσθήκη ή την αφαίρεση ύλης. Αλλά η ανταλλαγή ενέργειας είναι λίγο πιο περίπλοκη επειδή η ενέργεια μπορεί να ανταλλάσσεται με διαφορετικές μορφές και μπορεί να συμβούν διαφορετικές μετατροπές κατά τη διάρκεια αυτής της ανταλλαγής. Η ενέργεια ανταλλάσσεται ως θερμότητα ή οποιαδήποτε άλλη μορφή.

Σε θερμοδυναμικούς όρους, η ανταλλαγή ενέργειας χαρακτηρίζεται από δυναμική ενέργεια, κινητική ενέργεια και θερμική ενέργεια. Η δυναμική ενέργεια είναι η αποθηκευμένη ενέργεια. Η κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια που μεταφέρει ένα αντικείμενο ενώ κινείται. Ωστόσο, η ενέργεια ενός συστήματος υπάρχει πάντα σε μία από αυτές τις τρεις καταστάσεις ή σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, ένα ακίνητο αντικείμενο μπορεί να ανταλλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον. Τότε έχει και δυναμική και θερμική ενέργεια. Η ενέργεια μπορεί να ανταλλάσσεται ή να μεταφέρεται ως δυναμική ενέργεια ή κινητική ενέργεια. Αλλά μερικές φορές, η δυναμική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε κινητική ενέργεια ή μπορεί να συμβεί το αντίθετο. Θερμική ενέργεια ή θερμότητα ανταλλάσσεται επίσης μεταξύ των ανοιχτών συστημάτων και του περιβάλλοντός τους.

Λόγω της ικανότητας ανταλλαγής ύλης μεταξύ ανοιχτού συστήματος και περιβάλλοντος χώρου, η εσωτερική μάζα ενός ανοιχτού συστήματος ποικίλλει ανάλογα με το χρόνο. Εάν προστεθεί ύλη, η μάζα θα αυξηθεί και αν αφαιρεθεί η ύλη, η μάζα θα μειωθεί.

Εικόνα 1:Εφόσον η κούπα δεν καλύπτεται, τόσο η ενέργεια όσο και η ύλη μπορούν να ανταλλάσσονται με το περιβάλλον. Επομένως, πρόκειται για ένα ανοιχτό σύστημα.

Τι είναι ένα κλειστό σύστημα

Ένα κλειστό σύστημα είναι ένα σύστημα όπου μόνο ενέργεια μπορεί να ανταλλάσσεται αλλά όχι ύλη. Η ύλη δεν μπορεί να ανταλλάσσεται σε ένα κλειστό σύστημα επειδή η ύλη περιέχει σωματίδια που δεν μπορούν να διασχίσουν τα όρια του συστήματος. Αλλά η ενέργεια διέρχεται από αυτό το όριο ως φωτόνια επειδή η ενέργεια δεν είναι σωματιδιακή. Επομένως, σε ένα κλειστό σύστημα, η μάζα παραμένει σταθερή επειδή η ύλη δεν μπορεί να αφαιρεθεί ή να προστεθεί. Αλλά η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί κυρίως ως θερμότητα ή θερμική ενέργεια.

Για παράδειγμα, εάν ένα ζεστό φλιτζάνι νερό καλύπτεται τοποθετώντας ένα καπάκι στο επάνω μέρος του φλιτζανιού, τότε ο ατμός δεν μπορεί να διαφύγει από το σύστημα λόγω του καπακιού. Τα μόρια αερίου στον αέρα επίσης δεν μπορούν να εισέλθουν στο κύπελλο λόγω του καπακιού. Άρα, δεν υπάρχει ανταλλαγή ύλης. Αλλά αν αγγίξουμε το καπάκι μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, μπορούμε να νιώσουμε ότι είναι ζεστό. Το φλιτζάνι θα είναι επίσης ζεστό. Αυτό δείχνει ότι η ενέργεια έρχεται έξω ως θερμική ενέργεια. Εάν αυτό το σύστημα διατηρείται σε κανονική θερμοκρασία για μεγάλο χρονικό διάστημα, μπορεί να παρατηρηθεί ότι το φλιτζάνι, το καπάκι ή το νερό δεν είναι πλέον ζεστό. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το σύστημα μοιράζεται θερμική ενέργεια με το περιβάλλον έως ότου η θερμοκρασία του συστήματος γίνει ίση με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος χώρου. Αυτό ονομάζεται ισορροπία.

Εικόνα 2:Το καλυμμένο δοχείο είναι ένα παράδειγμα κλειστού συστήματος, καθώς δεν μπορεί να ανταλλάξει ύλη με το περιβάλλον λόγω του καπακιού.

Διαφορά μεταξύ ανοικτών και κλειστών συστημάτων

Ορισμός

Ανοιχτό σύστημα: Ένα ανοιχτό σύστημα είναι ένα θερμοδυναμικό σύστημα όπου η ενέργεια και η ύλη μπορούν να ανταλλάσσονται με το περιβάλλον του.

Κλειστό σύστημα: Ένα κλειστό σύστημα είναι ένα θερμοδυναμικό σύστημα όπου η ενέργεια μπορεί να ανταλλάσσεται με το περιβάλλον αλλά όχι με την ύλη.

Ανταλλαγή ύλης

Ανοιχτό σύστημα: Τα ανοιχτά συστήματα μπορούν να ανταλλάξουν ύλη με το περιβάλλον.

Κλειστό σύστημα: Τα κλειστά συστήματα δεν μπορούν να ανταλλάξουν ύλη με το περιβάλλον.

Εσωτερική μάζα

Ανοιχτό σύστημα: Η μάζα του συστήματος θα ποικίλλει με την πάροδο του χρόνου στα ανοιχτά συστήματα.

Κλειστό σύστημα: Σε κλειστά συστήματα, η μάζα του συστήματος είναι σταθερή.

Όριο του συστήματος

Ανοιχτό σύστημα: Τα ανοιχτά συστήματα έχουν όρια που δεν είναι κλειστά.

Κλειστό σύστημα: Τα όρια ενός κλειστού συστήματος είναι εντελώς κλειστά.

Συμπέρασμα

Οπουδήποτε στο περιβάλλον, υπάρχουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συστημάτων και του περιβάλλοντός τους. Τα συστήματα μπορούν να είναι ανοιχτά, κλειστά ή απομονωμένα. Η κύρια διαφορά μεταξύ ανοιχτού και κλειστού συστήματος είναι ότι, σε ανοιχτό σύστημα, η ύλη μπορεί να ανταλλάσσεται με το περιβάλλον, ενώ σε ένα κλειστό σύστημα, η ύλη δεν μπορεί να ανταλλάσσεται με το περιβάλλον.

Αναφορές:

1."Ένα σύστημα και τα περίχωρά του." LibreTexts Χημείας. Libretexts, 21 Ιουλίου 2016. Web. Διαθέσιμο εδώ. 16 Ιουνίου 2017.
2"Ανοιχτά, κλειστά και απομονωμένα συστήματα στη Φυσικοχημεία." Θεμέλια Φυσικής Επιστήμης. Ν.π., ν.δ. Ιστός. Διαθέσιμο εδώ. 16 Ιουνίου 2017. 

Εικόνα Ευγενική προσφορά:

1. “345707” (Δημόσιος Τομέας) μέσω Pixabay
2. “coffee steam 2” by waferboard (CC BY 2.0) μέσω Flickr