主な相違点 – 断熱系と孤立系
物理化学では、系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系以外の宇宙の残りの部分です。
ある系では、その系と周囲との間に相互作用が存在する。
しかし、システムと周囲との間に何の関係もないシステムもあります。
断熱系と孤立系がその2種類です。
これらの系は両方とも周囲とのエネルギーや物質の交換を示さない。
しかし、これらの系は互いに異なっている。
断熱系と孤立系の主な違いは、断熱系は周囲に環境があるのに対し、孤立系は周囲に環境がないことである。
断熱系とは？
断熱系とは、周囲の環境とエネルギーや物質の交換がない系のことである。
つまり、断熱系ではエネルギーが失われたり、得られたりすることはない。
このような系は断熱的に孤立した系と呼ばれる。
∆U = Q – W
ここで、U は系の内部エネルギーです。
Q は系とその周囲の間で交換されるエネルギーです。
W は系が周囲に及ぼす仕事です。
断熱系の場合、Q = 0 となる。
∆U = – W
混合気体からなる系が膨張すると断熱系として働くと考えると、Wの値は正となり、内部エネルギーが減少する。
しかし、系が収縮すれば、Wの値は負になり、内部エネルギーは増加する。
これは、断熱過程でのエネルギーは、仕事としてのみ周囲に伝達されることを示している。
ある種の化学反応を伴う系は、これらの反応が急速に起こるため、エネルギーを外に放出したり、外からエネルギーを得たりするのに十分な時間を与えず、近似的に断熱系と考えることができる。
Isolated Systemとは
孤立系とは、エネルギーや物質がその境界を通過することがなく、周囲に環境を持たない系のことである。
別の言い方をすれば、「他のシステムから分離され、他のシステムとの間に相互作用が存在しないシステム」と定義することもできる。
図2：開放系・閉鎖系と孤立系の比較
閉じた系は、物質の移動を否定するだけで、エネルギーの移動を否定しないので、孤立系は閉じた系と異なる。
しかし、孤立系はエネルギーさえも逃がさないし、入り込ませない。
孤立系は保存則に従う。
これは、エネルギーと物質が系内で一定であることを示しています。
Adiabatic と Isolated System の違い
定義
断熱系。
断熱系とは、周囲の環境とエネルギーや物質の交換がない系をいう。
孤立系。
孤立系：エネルギーや物質が境界を越えて移動せず、周囲の環境もない系。
周辺環境
断熱系。
断熱系は周囲に環境があります。
孤立系。
孤立系は周囲に環境がない。
エネルギー交換
断熱系。
断熱系はエネルギーを得たり失ったりしないが、内部エネルギーは系で行われる仕事によって変化することがあります。
孤立系。
孤立系のエネルギーは保存される。
内部エネルギー
断熱系。
断熱系の内部エネルギーは変化させることができる。
孤立系。
孤立系の内部エネルギーは変化させることができない。
結論
ある系の振る舞いを熱力学的に説明するとき、周囲との相互作用を考慮し ていくつかのタイプの系を用いる。
断熱系と孤立系は、環境とのエネルギーや物質の移動がない系を説明するのに使われる2つのタイプです。
断熱系と孤立系の大きな違いは、断熱系が周囲に環境を持つのに対し、孤立系は周囲に環境を持たないことである。
