ההבדל העיקרי - מערכת פתוחה מול מערכת סגורה

התרמודינמיקה היא ענף של הפיזיקה המסביר את העברת האנרגיה בין אובייקטים לסביבה. ניתן להשתמש במונחים תרמודינמיים גם להבנת התנהגות כימית של מינים כימיים. המערכת והסביבה הם שני מונחים בסיסיים המשמשים תרמודינמיקה. מערכת היא חלק מהיקום הנחקר והסביבה היא שאר היקום מלבד המערכת הספציפית הזו. שוליים של המערכת המפרידה בינה לבין הסביבה נקרא גבול. מערכות יכולות להתקיים בשלוש דרכים כמו מערכות פתוחות, מערכות סגורות ומערכות מבודדות. ההבדל העיקרי בין מערכת פתוחה לסגורה הוא זה במערכת פתוחה, ניתן להחליף חומר עם הסביבה ואילו, במערכת סגורה, לא ניתן להחליף חומר עם הסובבים אותו.

אזורי מפתח מכוסים

1. מהי מערכת פתוחה - הגדרה, מאפיינים 2. מהי מערכת סגורה - הגדרה, מאפיינים 3. מה ההבדל בין מערכות פתוחות לסגורות - השוואה בין הבדלים מרכזיים

מונחי מפתח: אנרגיה, מערכת אנרגיה קינטית, חומר, אנרגיה פוטנציאלית, סביבה, תרמודינמיקה

מהי מערכת פתוחה

ניתן להגדיר מערכת פתוחה כמערכת שיכולה להחליף חומרים ואנרגיה עם הסביבה. לדוגמה, ניתן לזהות את כדור הארץ כמערכת פתוחה. במקרה זה, כדור הארץ הוא המערכת והחלל הוא הסביבה. אור השמש יכול להגיע אל פני כדור הארץ ואנו יכולים לשלוח רקטות לחלל. ניתן להסביר את אור השמש ואת הרקטות כאנרגיה וחומר, בהתאמה.

חילופי החומרים בין המערכת הפתוחה והסביבה מתרחשים בקלות. ניתן להסביר זאת בקלות גם על ידי הוספת חומר או הסרת חומר. אבל החלפת אנרגיה היא קצת יותר מסובכת מכיוון שניתן להחליף אנרגיה בצורות שונות ועלולות להתרחש המרות שונות במהלך חילופי זה. אנרגיה מוחלפת כחום או בכל צורה אחרת.

במונחים תרמודינמיים, חילופי האנרגיה מאופיינים באנרגיה פוטנציאלית, אנרגיה קינטית ואנרגיה תרמית. אנרגיה פוטנציאלית היא האנרגיה המאוחסנת. אנרגיה קינטית היא האנרגיה שנושאת אובייקט תוך כדי תנועה. עם זאת, האנרגיה של מערכת קיימת תמיד באחת משלוש המצבים הללו או בשתי מצבים בו זמנית. לדוגמה, אובייקט נייח יכול להחליף חום עם הסביבה. אז יש לו גם אנרגיה פוטנציאלית וגם אנרגיה תרמית. ניתן להחליף או להעביר אנרגיה כאנרגיה פוטנציאלית או אנרגיה קינטית. אך לפעמים, ניתן להמיר אנרגיה פוטנציאלית לאנרגיה קינטית או שההפך יכול להתרחש. אנרגיה תרמית או חום מתחלפים גם בין מערכות פתוחות וסביבתן.

בשל היכולת להחליף חומר בין מערכת פתוחה לסביבה, המסה הפנימית של מערכת פתוחה משתנה עם הזמן. אם מוסיפים חומר המסה תגדל ואם החומר יוסר המסה תפחת.

איור 1: מכיוון שהספל אינו מכוסה, ניתן להחליף הן את האנרגיה והן את החומר עם הסביבה. לפיכך, זוהי מערכת פתוחה.

מהי מערכת סגורה

מערכת סגורה היא מערכת שבה ניתן להחליף אנרגיה אך לא משנה. לא ניתן להחליף חומר במערכת סגורה מכיוון שהחומר מכיל חלקיקים שאינם יכולים לחצות את גבול המערכת. אבל אנרגיה עוברת דרך הגבול הזה כפוטונים מכיוון שהאנרגיה אינה חלקיקית. לכן, במערכת סגורה, המסה נשארת קבועה מכיוון שלא ניתן להסיר או להוסיף את החומר. אך ניתן להעביר אנרגיה בעיקר כחום או כאנרגיה תרמית.

לדוגמה, אם כוס מים חמימה מכוסה על ידי הנחת מכסה על החלק העליון של הכוס, אדים לא יכולים להימלט מהמערכת בגלל המכסה. מולקולות הגז באוויר גם אינן יכולות להיכנס לכוס בגלל המכסה. אז אין חילופי חומרים. אבל אם נגע במכסה לאחר זמן מה, נוכל להרגיש שהוא חם. הכוס גם תרגיש חמימה; זה מצביע על כך שאנרגיה יוצאת החוצה כאנרגיה תרמית. אם מערכת זו נשמרת בטמפרטורה רגילה במשך זמן רב, ניתן להבחין כי הכוס, המכסה או המים כבר אינם חמים. הסיבה לכך היא שלמערכת יש אנרגיית חום משותפת עם הסביבה עד שהטמפרטורה של המערכת הופכת שווה לטמפרטורה של הסביבה. זה נקרא שיווי משקל.

איור 2: הסיר המכוסה הוא דוגמה למערכת סגורה מכיוון שהוא אינו יכול להחליף חומר עם הסביבה בגלל המכסה.

ההבדל בין מערכות פתוחות וסגורות

הַגדָרָה

מערכת פתוחה: מערכת פתוחה היא מערכת תרמודינמית שבה ניתן להחליף אנרגיה וחומר עם סביבתה.

מערכת סגורה: מערכת סגורה היא מערכת תרמודינמית שבה ניתן להחליף אנרגיה עם הסביבה שלה אך לא משנה.

החלפת חומר

מערכת פתוחה: מערכות פתוחות יכולות להחליף חומר עם הסביבה.

מערכת סגורה: מערכות סגורות אינן יכולות להחליף חומרים עם הסביבה.

מסה פנימית

מערכת פתוחה: מסת המערכת משתנה עם הזמן במערכות פתוחות.

מערכת סגורה: במערכות סגורות, מסת המערכת קבועה.

גבול המערכת

מערכת פתוחה: למערכות פתוחות יש גבולות שאינם סגורים.

מערכת סגורה: הגבול של מערכת סגורה סגור לחלוטין.

סיכום

בכל מקום בסביבה מתקיימות אינטראקציות בין מערכות וסביבתן. ניתן לפתוח, לסגור או לבודד מערכות. ההבדל העיקרי בין מערכת פתוחה לסגורה הוא שבמערכת פתוחה ניתן להחליף חומר עם הסביבה בעוד שבמערכת סגורה לא ניתן להחליף חומר עם הסביבה.

הפניות:

1. "מערכת וסביבתה". כימיה LibreTexts. Libretexts, 21 ביולי 2016. אינטרנט. זמין פה. 16 ביוני 2017.2. "מערכות פתוחות, סגורות ומבודדות בכימיה פיזיקלית." יסודות מדעי הפיזיקה. נ.פ., נ.ד. אינטרנט. זמין פה. 16 ביוני 2017.

באדיבות התמונה:

1. "345707" (תחום ציבורי) באמצעות Pixabay2. "קפה אדים 2" מאת waferboard (CC BY 2.0) באמצעות פליקר