أنواع الأنظمة في الديناميكا الحرارية: الحدود تحسم التصنيف

الخلاصة السريعة

أنواع الأنظمة في الديناميكا الحرارية تتحدد بما تسمح حدودها بتبادله: المفتوح يتبادل المادة والطاقة، والمغلق يمنع انتقال المادة ويسمح بالطاقة، والمعزول يمنع كليهما. يجب تحديد النظام ومحيطه قبل تطبيق هذه الأسماء. ^[1][2]

• اختيار الحدود يحدد ما يعد انتقالًا مع المحيط. ^[2]
• إذا دخلت مادة وخرجت بالقدر نفسه، يبقى النظام مفتوحًا ولو ثبتت كتلته الداخلية. ^[2]
• في المثال يبدأ المخزون 20 كغ، ثم يدخل 5 ويخرج 5؛ تبقى 20، مع وجود التبادل.
• الأديباتيكي يمنع الحرارة، وقد يسمح بالشغل؛ لذلك لا يساوي العزل الكامل. ^[3]
• للمغلق مع ثبات الطاقتين الكلية الحركية والوضعية: ΔU يساوي Q ناقص W، والشغل الذي يؤديه النظام موجب هنا. ^[4]
• في مثال Q يساوي صفرًا وشغل 9 جول على النظام، التغير +9؛ للمعزول المقارن Q و W صفران والتغير صفر.

ما الذي نضعه داخل الحدود؟

النظام هو الجزء المختار للدراسة، وما عداه محيطه. تحدد الحدود معنى الدخول والخروج. ^[2] لذلك عبارة «الجهاز مغلق» تحتاج تعريفًا للجزء المقصود وظروف التبادل، لا صورة الغطاء فقط.

نرسم حدودًا رمزية حول حيز واحد في كل بطاقة. في الأولى نسمح بمادة وطاقة؛ في الثانية نسمح بالطاقة فقط؛ وفي الثالثة نمنع التبادلين. ^[1] الأسهم في الرسم تعني تبادلًا تسمح به الفرضيات، وليست تدفقات مقاسة.

إذا وسعنا الحدود لتضم جسمًا آخر، فقد يصبح التبادل الذي كان يعبرها سابقًا داخليًا. افترض صندوقين أ وب ضمن نموذج رمزي: انتقال من أ إلى ب يعبر حد أ، لكنه يبقى داخل حد يحيط بالصندوقين معًا. لا تتغير حركة التبادل نفسها عند تغيير سؤالنا عن النظام.

المفتوح قد يحافظ على كتلة ثابتة

مرور مادة عبر الحدود يجعل النظام مفتوحًا ولو ثبتت الكتلة داخله بسبب توازن الدخول والخروج. ^[2] تساوي المحصلة الصفر لا يعني منع التبادل.

في نموذج مخزون أصلي، تبدأ الكتلة داخل الحيز عند 20 كغ. خلال فترة واحدة يدخل 5 كغ ويخرج 5؛ النهاية 20 + 5 − 5 = 20 kg. الحيز بقي مفتوحًا لأن المقدارين عبرا الحد.

ولو خرج 3 بدل 5، صارت النهاية 22 كغ. المسألة الثانية غيرت المخزون بمقدار 2، لكنها لم تغير الاسم إلى نوع جديد؛ كلا السجلين يتضمن مرور المادة.

وفي مغلق افتراضي لا تدخل مادة ولا تخرج، قد تعبر الطاقة بالحرارة أو الشغل. ^[1][2] ليس ثبات الكتلة اختبارًا وحيدًا للفصل بينه وبين المثال المفتوح المتوازن؛ نحتاج قراءة التبادلين نفسيهما.

الأديباتيكي غير المعزول: ماذا عن الشغل؟

الأديباتيكي يعني عدم انتقال الحرارة في العملية. وقد يؤدي النظام شغلًا مع المحيط؛ منع الحرارة وحده لا يمنع كل انتقال للطاقة. ^[3] هذه نقطة اختلافه عن العزل الكامل في تصنيفنا.

نأخذ مغلقًا في نموذج نهمل فيه تغير طاقتي الحركة والوضع الكليتين. نختار Q موجبًا للحرارة الداخلة، و W موجبًا للشغل الذي يؤديه النظام؛ عندئذ ΔU = Q − W. ^[4]

إذا جعلنا Q = 0 J وأُدي على النظام شغل 9 جول، فـ W = −9 J وتصبح ΔU = 0 − (−9) = 9 J. هذا مثال مغلق أديباتيكي لكنه غير معزول: عبرت طاقة بالشغل دون مرور مادة.

للمقارنة معزول افتراضي في الشروط نفسها يجعل Q = 0 و W = 0، فيكون التغير صفرًا. يفصل الرسم بين الحالتين؛ عدم رسم سهم حرارة لا يكفي للحكم بالعزل.

ولمغلق آخر يدخل 12 جول بالحرارة ويؤدي 5 جول شغلًا، يكون التغير 7. الحساب فحص لاتجاه الأسهم في المثال؛ تصنيف الحدود يسبق الأرقام ولا يستنتج من حجم الناتج وحده.

للتوسع: كيفية حساب الطاقة الداخلية في الفيزياء: الغاز ودرجات الحرية.