Термодинамички систем

Во термодинамиката, термодинамички систем, првично наречен работна супстанца, се дефинира како оној дел од вселената на кој сме сосредоточени. Една хипотетичка граница го одделува овој систем од останатиот дел на вселената, наречен околина или резервоар. Многу корисна е класификацијата на термодинамичките системи која се основа на природата на границата и величините кои протекуваат низ неа, како што се материја, енергија, работа, топлина и ентропија. Систем може да биде било што, на пример раствор во епрувета, жив организам, електрична мрежа, планета итн.

Општ преглед

Термодинамиката е изградена врз основа на систем-центрирачко гледиште на универзумот. Сите величини, како притисокот или механичката работа во една равенка се однесуваат на системот, освен ако не се означени поинаку. Термодинамиката во суштина се занимава со протокот и рамнотежата (балансот) на енергијата и материјата во еден термодинамички систем. Се разликуваат три типови на термодинамички системи, разграничени според видот на заемодејство и размена на енергија која се случуваат меѓу системот и околната средина:

• Изолираните системи се целосно изолирани (на секој начин) од нивната околина. Тие не разменуваат топлина, работа или материја со нивната околина.
• Затворените системи разменуваат енергија (топлина и работа), но не и материја со околината. Стаклена градина е пример за ваков систем, бидејќи разменува топлина, но не и работа со нејзината околина. Дали еден систем разменува топлина, работа или и двете, најчесто се смета за својство на неговата граница.
• Отворените системи разменуваат енергија (топлина и работа) и материја со нивната околина. Граница која дозволува размена на материја е наречена пропустлива или пермеабилна. Океанот е добар пример за отворен систем.

Во реалноста, еден систем не може целосно да се изолира од својата околина, бидејќи секогаш постои некое мало заемодејство, кое е резултат и на минимално гравитациско привлекување. При анализирање на систем во стабилна состојба, енергијата во системот е еднаква на енергијата која го напушта системот.

Како пример нека послужи жешка течна вода и цврстата кујнска сол во добро затворена, изолирана епрувета држена во вакуум (околина). Епруветата постојано ќе губи топлина (во облик на црнотелесно зрачење), но загубата на топлина ќе оди многу бавно. Доколку во епруветата се одвива некој друг процес, на пример дисоцијација на кристалите од солта, тој веројатно ќе се одвива толку брзо, што секоја загуба на топлина за време на одвивањето на прцоесот може да се занемари. (Термодинамиката не го мери времето, но понекогаш ги прифаќа временските ограничувања за даден процес).

Системи во рамнотежа

Во изолираните системи е забележано дека со тек на времето, внатрешните преуредувања (заемодејства) постепено исчезнуваат и се доаѓа до една блиску-стабилна состојба. Притисоците и температурите тежнеат да се изедначат, додека материјата се распоредува во неколку релативно хомогени агрегатни состојби. Систем во кој сите процеси на измена дошле практично до својот крај се смета дека е во состојба на термодинамичка рамнотежа. Термодинамичките својства на системот во рамнотежа не се менуваат со времето. Рамнотежните системи се многу полесни за опишување на детерминистички начин, за разлика од оние кои не се во рамнотежа.

При термодинамичките процеси, големите отстапувања од рамнотежната состојба за време на интермедиерните чекори се резултат на зголемувањето на ентропијата и производството на повеќе топлина наместо корисна работа. Може да се покаже дека за да еден процес биде повратен, тогаш секој чекор во процесот мора да е повратен. За да еден чекор од даден процес биде повратен, системот мора да биде во рамнотежа за време на одвивањето на чекорот. Оваа идеална состојба не може да се постигне во пракса, бидејќи ниеден чекор не може да се одвива без нарушување на рамнотежата во системот, но може приближно да се дојде до неа со постепено (бавно) одвивање на промените во системот.

Отворени системи

Во отворените системи, материјата може да навлегува и излегува од границата на системот. Првиот закон на термодинамиката за отворени системи гласи: зголемувањето на внатрешната енергија на еден систем е еднаква на количината енергија додадена на системот преку проток на материја во него и со загревање, минус количината на изгубена материја во форма на работа обавена од страна на системот. Првиот закон за отворени системи е даден со изразот:

$\mathrm {d} U=\mathrm {d} U_{navleguva}+\delta Q-\mathrm {d} U_{izleguva}-\delta W\,$

каде U_in е просечната внатрешна енергија која навлегува во системот, а U_out е просечната внатрешна енергија која излегува од системот.