主な相違点 -開放系と閉鎖系

熱力学は物理学の一分野であり、物体とその周囲との間のエネルギー伝達を説明します。

熱力学の用語は、化学種の化学的挙動を理解するためにも使用されます。

熱力学で使われる基本的な用語は、「系」と「周囲」です。

システムとは、研究対象である宇宙の一部であり、周囲とは、その特定のシステム以外の宇宙の残りの部分です。

システムと周囲を隔てる縁を境界と呼ぶ。

システムは、開放系、閉鎖系、孤立系の3つの形で存在することができる。

開放系と閉鎖系の主な違いは、開放系では物質が周囲と交換できるのに対し、閉鎖系では物質が周囲と交換できないことである。

オープンシステムとは

開放系とは、物質とエネルギーの両方を周囲と交換できる系と定義することができる。

例えば、地球は開放系として認識することができる。

この場合、地球はシステムであり、宇宙はその周囲です。

太陽光は地表に届くし、宇宙へもロケットが飛ばせる。

太陽光はエネルギー、ロケットは物質として説明できる。

開放系と周囲との間で物質の交換が容易に行われる。

これも、物質を加えたり、取り除いたりすることで簡単に説明できます。

しかし、エネルギーの交換はもう少し複雑です。

なぜなら、エネルギーはさまざまな形で交換され、その交換の際にさまざまな変換が起こりうるからです。

エネルギーは熱やその他の形態で交換される。

熱力学の用語では、エネルギー交換は、位置エネルギー、運動エネルギー、および熱エネルギーによって特徴付けられる。

位置エネルギーは、蓄積されたエネルギーです。

運動エネルギーは、物体が動いているときに持っているエネルギーです。

しかし、系のエネルギーは常にこの3つの状態のいずれか、あるいは同時に2つの状態に存在する。

例えば、静止している物体は、周囲と熱交換することができる。

そのとき、その物体は位置エネルギーと熱エネルギーの両方を持つ。

エネルギーは、位置エネルギーまたは運動エネルギーとして交換または伝達することができます。

しかし、位置エネルギーが運動エネルギーに変換されることもあれば、その逆が起こることもあります。

熱エネルギーまたは熱もまた、開放系とその周囲の間で交換される。

開放系と周囲の間で物質が交換される機能により、開放系の内部質量は時間と共に変化する。

物質が加われば質量は増加し、物質が取り除かれれば質量は減少する。

したがって、これは開放系です。

クローズドシステムとは

閉じた系とは、エネルギーだけが交換され、物質が交換されない系です。

物質には粒子が含まれており、その粒子はシステムの境界を越えることができないため、閉じたシステムでは物質が交換されることはない。

しかし、エネルギーは粒子ではないので、エネルギーは光子としてこの境界を通過することができます。

したがって、閉じた系では、物質を取り除いたり、加えたりすることができないので、質量は一定に保たれます。

しかし、エネルギーは主に熱または熱エネルギーとして移動することができます。

例えば、温かいカップに水を入れて蓋をした場合、蓋があるために蒸気が系外に出ることはありません。

また、空気中の気体分子も、蓋があるためにカップの中に入ることができない。

つまり、物質の交換がないのです。

しかし、しばらくしてから蓋を触ってみると、蓋が温かいと感じることができます。

これは、エネルギーが熱エネルギーとして外部に出てきていることを示しています。

 このシステムを常温に長時間保つと、カップや蓋や水が温かくなくなることが観察されます。

これは、系の温度が周囲の温度と等しくなるまで、系が周囲と熱エネルギーを共有したためです。

これを平衡といいます。

オープンシステムとクローズドシステムの違い

定義

開放系。

 開放系とは、エネルギーと物質が周囲と交換できる熱力学的な系をいう。

閉じた系。

 エネルギーは周囲と交換できるが、物質は交換できない熱力学的な系。

物質交換

オープンシステム。

開放系：周囲と物質交換ができる。

閉じた系。

閉じた系：周囲と物質交換ができない。

内部質量

オープンシステム 開放系では、質量は時間によって変化する。

閉じた系。

閉じた系では、系の質量は一定です。

システムの境界

オープンシステム。

オープンシステム：境界が閉じていないシステム。

閉じた系。

閉じた系の境界は完全に閉じている。

結論

環境中のあらゆる場所で、システムとその周囲との間に相互作用が存在する。

システムには、開放系、閉鎖系、隔離系があります。

開放系と閉鎖系の主な違いは、開放系では物質が周囲と交換できるのに対し、閉鎖系では物質が周囲と交換できないことである。