A l'estudi de la termodinàmica i la química, el concepte de sistemes tancats emergeix com un pilar fonamental per a la comprensió detallada de processos energètics i reaccions químiques.
Aquests sistemes, caracteritzats per la seva incapacitat per intercanviar massa amb el seu entorn, però permetent lintercanvi denergia, tenen un paper essencial en diverses disciplines científiques.
Aquest article s'endinsarà en la naturalesa i les aplicacions dels sistemes tancats, explorant-ne la rellevància en la formulació de lleis termodinàmiques, la predicció de reaccions químiques i el seu impacte en l'enginyeria i la investigació científica.
Definició: Què és un sistema tancat?
Un sistema tancat és un concepte fonamental en termodinàmica i ciències físiques que descriu un entorn que no intercanvia massa amb el seu entorn, però sí que permet l'intercanvi d'energia. En aquest tipus de sistema, la quantitat total de massa es manté constant, però l'energia es pot transferir en forma de calor o treball.
La primera llei de la termodinàmica estableix que l'energia interna d'un sistema tancat es manté constant si no hi ha intercanvi d'energia amb el seu entorn.
Aquesta definició s'aplica a una àmplia gamma de disciplines, des de la física fins a la química, i proporciona un marc per entendre i analitzar processos energètics i reaccions.
Els sistemes tancats a la termodinàmica
Quan es treballa amb sistemes tancats en termodinàmica, és possible estudiar amb precisió com l'energia interna del sistema canvia degut a la transferència de calor oa la feina feta.
Això s'expressa matemàticament mitjançant l'equació:
ΔU=Q−W
on
- ΔU és el canvi a l'energia interna.
- Q és la calor transferida al sistema.
- W és la feina feta pel sistema.
Els sistemes tancats en química
Com que considera un sistema tancat que conté reactius i productes, és possible aplicar els principis de la termodinàmica per preveure el curs de la reacció i entendre com l'energia es redistribueix durant el procés.
El concepte d'entalpia (H), que representa la quantitat total d'energia d'un sistema de pressió constant, és particularment rellevant en aquest context. La variació d'entalpia, ΔH, es relaciona amb la quantitat de calor absorbida o alliberada durant una reacció química a pressió constant. Si ΔH és negatiu, la reacció és exotèrmica i allibera calor a l'entorn. Per contra, si ΔH és positiu, la reacció és endotèrmica i absorbeix calor de l'entorn.
L'aplicació de sistemes tancats en química permet entendre no només la direcció d'una reacció, sinó també les condicions sota les quals es duu a terme.
Exemples de sistemes tancats
Els sistemes tancats són conceptes aplicables a una varietat de disciplines, des de la física fins a la biologia, i es manifesten en situacions quotidianes.
Aquí, presentem exemples il·lustratius de sistemes tancats en diferents contextos:
- Term de cafè : Un termo ple de cafè és un sistema tancat en termes de transferència de massa, ja que no permet l'entrada ni sortida de líquid. No obstant això, podeu intercanviar calor amb l'entorn, mantenint la beguda calenta a causa del seu aïllament tèrmic.
- Cicle de refrigeració d'un frigorífic : En un sistema de refrigeració, el refrigerant circula en un bucle tancat. Tot i que no es perd refrigerant, el sistema intercanvia calor amb el seu entorn per refredar un espai específic.
- Ecosistema en un aquari Encara que la quantitat d'aigua i organismes es manté constant, es produeixen intercanvis d'energia i nutrients amb l'entorn, com la llum per a la fotosíntesi i l'absorció de nutrients de l'aigua.
- Cilindre de pistó en un motor tèrmic En un motor de combustió interna, el cilindre amb la barreja d'aire i combustible és un sistema tancat durant la fase de combustió. Tot i que no hi ha intercanvi de massa, es produeix treball mecànic i transferència de calor.
Sistema Solar A escala astronòmica, el sistema solar pot considerar-se com un sistema tancat en termes de massa, ja que la majoria dels cossos celestes mantenen la seva òrbita sense intercanviar massa significativa. Tot i això, l'energia flueix contínuament des del Sol cap als planetes.
- Matràs de reacció en química Un matràs tancat en un laboratori químic, utilitzat per realitzar reaccions, és un sistema tancat quant a la massa de reactius i productes, encara que pot intercanviar energia en forma de calor amb el seu entorn.
- Escalfador solar d'aigua : Un escalfador solar d'aigua consta de tubs col·lectors plens d'un fluid que absorbeix la radiació solar. Encara que el fluid pot transferir calor a l'aigua a través d'un intercanviador de calor, el sistema manté un cicle tancat, evitant la pèrdua de massa.
- Univers : l'univers és l'únic sistema que es pot considerar totalment tancat. Tot i les interaccions i transformacions constants de l'energia dins de l'univers, la quantitat total de matèria roman constant en escales astronòmiques.
Relació amb les lleis de la termodinàmica i de la física
A l'estudi dels sistemes tancats, convé esmentar la relació existent entre aquests sistemes i les dues primeres lleis de la termodinàmica. En aquest context, també són importants la llei de la conservació de la massa i l'equació de l'energia d'Einstein.
Primer principi de la termodinàmica
D'acord amb la primera llei de la termodinàmica, el canvi a l'energia interna en sistemes tancats és la suma algebraica del treball realitzat sobre el sistema i la calor agregada al sistema. Aquesta llei estableix un principi bàsic de conservació de lenergia, proporcionant una base per analitzar i quantificar els canvis energètics en aquests sistemes.
Segon principi de la termodinàmica
La segona llei de la termodinàmica postula que l‟entropia d‟un sistema tancat tendeix a augmentar amb l‟absorció de calor i la dissipació de treball. Aquest principi reflecteix la tendència natural dels sistemes cap a estats de més desordre o aleatorietat, fonamentant el concepte d'irreversibilitat en molts processos.
Conservació de la massa
En sistemes tancats també s'aplica el principi de conservació de la massa de la física clàssica, on la massa del sistema es manté constant.
Física relativista: equació d'Einstein
A la física relativista, s'introdueix una perspectiva addicional: la disminució del contingut d'energia d'un sistema comporta automàticament una disminució en la massa del sistema, segons la famosa equació E=mc² d'Einstein.
Aquest aspecte revela la interconnexió entre massa i energia, proporcionant una visió més profunda en entorns on les velocitats properes a la velocitat de la llum són rellevants.