Izolovaný systém - Isolated system

Viz také: Termodynamický systém
Vlastnosti izolovaných, uzavřených a otevřených systémů při výměně energie a hmoty.

Ve fyzice je izolovaný systém jedním z následujících:

  1. fyzikální systém tak daleko od jiných systémů, že nereaguje s nimi.
  2. termodynamický systém uzavřený od tuhých nepohyblivých stěn , přes který ani hmotnost , ani energie může procházet.

I když je interně vystaven své vlastní gravitaci, je izolovaný systém obvykle považován za mimo dosah vnějších gravitačních a jiných sil dlouhého dosahu.

To může být v kontrastu s tím, co (v běžnější terminologii používané v termodynamice) se nazývá uzavřený systém , který je uzavřen selektivními stěnami, kterými může energie procházet jako teplo nebo práce, ale ne hmota; a s otevřeným systémem , do kterého jak hmota, tak energie mohou vstoupit nebo vystoupit, i když v částech svých hranic může mít různě nepropustné stěny.

Izolovaný systém se řídí zákonem zachování, že jeho celková energie – hmotnost zůstává konstantní. Nejčastěji se v termodynamice s hmotou a energií zachází jako s odděleně konzervovanými.

Kvůli požadavku na krytí a téměř všudypřítomnosti gravitace se striktně a ideálně izolované systémy ve skutečnosti nevyskytují v experimentech ani v přírodě. I když jsou velmi užitečné, jsou přísně hypotetické.

Klasická termodynamika se obvykle prezentuje jako postulující existenci izolovaných systémů. Obvykle se také prezentuje jako ovoce zkušenosti. Je zřejmé, že nebyly hlášeny žádné zkušenosti s ideálně izolovaným systémem.

Je však výsledkem zkušeností, že se zdá, že některé fyzikální systémy, včetně těch izolovaných, dosahují svých vlastních stavů vnitřní termodynamické rovnováhy. Klasická termodynamika předpokládá existenci systémů v jejich vlastních stavech vnitřní termodynamické rovnováhy. Tento postulát je velmi užitečná idealizace.

Při pokusu vysvětlit myšlenku postupného přístupu k termodynamické rovnováze po termodynamické operaci , kdy entropie rostla podle druhého termodynamického zákona , použila Boltzmannova H-věta rovnice , které předpokládaly izolování systému (například plynu ) . To znamená, že lze specifikovat všechny mechanické stupně volnosti , zacházet s obklopujícími zdmi jednoduše jako s hraničními podmínkami zrcadla . To vedlo k Loschmidtovu paradoxu . Pokud se však vezme v úvahu stochastické chování molekul a tepelné záření ve skutečných obklopujících stěnách, pak je systém ve skutečnosti v tepelné lázni. Pak lze ospravedlnit Boltzmannův předpoklad molekulárního chaosu .

Koncept izolovaného systému může sloužit jako užitečný model přibližující mnoho situací v reálném světě. Je to přijatelná idealizace používaná při konstrukci matematických modelů určitých přírodních jevů ; např. planety ve sluneční soustavě a proton a elektron v atomu vodíku jsou často považovány za izolované systémy. Ale čas od času bude atom vodíku interagovat s elektromagnetickým zářením a přejde do vzrušeného stavu .

Někdy lidé spekulují o „izolaci“ pro vesmír jako celek, ale význam takových spekulací je pochybný.

Radiační izolace

Pro radiační izolaci by stěny měly být dokonale vodivé, aby dokonale odrážely záření v dutině, jak si to například představoval Planck .

Uvažoval o vnitřní tepelné radiační rovnováze termodynamického systému v dutině zpočátku bez látky. Nezmínil, co si představoval, aby obklopil jeho dokonale reflexní a tím dokonale vodivé stěny. Pravděpodobně, protože jsou dokonale reflexní, izolují dutinu od jakéhokoli vnějšího elektromagnetického účinku. Planck se domníval, že pro radiační rovnováhu v izolované dutině je třeba do jejího vnitřku přidat skvrnu uhlíku.

Pokud dutina s dokonale odrážejícími stěnami obsahuje dostatek radiační energie k udržení teploty kosmologické velikosti, pak skvrna uhlíku není nutná, protože záření generuje částice látky, jako jsou například páry elektron-pozitron, a tím dosahuje termodynamické rovnováhy.

Odlišný přístup zaujímá Balian . Pro kvantování záření v dutině si představuje své radiačně izolační stěny jako dokonale vodivé. Ačkoli nezmiňuje hmotu venku a z jeho kontextu se zdá, že má v úmyslu čtenáře předpokládat, že vnitřek dutiny bude bez hmoty, představuje si, že nějaký faktor způsobuje proudy ve stěnách. Pokud je tento faktor v dutině vnitřní, může to být pouze záření, které by se tím dokonale odrazilo. U problému tepelné rovnováhy však uvažuje o stěnách, které obsahují nabité částice, které interagují s radiací uvnitř dutiny; takové dutiny samozřejmě nejsou izolované, ale lze je považovat za tepelné lázně.

Viz také

Reference