تعريف النظام في الفيزياء: الحدود والمحيط وأنواع التبادل

النظام والحدود والمحيط

النظام هو موضوع الدراسة، والمحيط كل ما يقع خارج حدوده. إذا اخترنا غازًا داخل أسطوانة، صار الغاز هو النظام، وصارت الجدران وما وراءها جزءًا من المحيط. يمكن أن تتحرك الحدود مع مكبس، لذلك لا يشترط أن يكون حجم النظام ثابتًا. ^[1]

وهناك اختيار آخر هو حجم التحكم: منطقة محددة من المكان نعبر حدودها بتدفقات داخلة وخارجة، مثل جزء من مسار ماء. المهم كتابة ما الذي يشمله الاختيار، ثم تتبع ما يعبر حدوده. لا نخلط كمية المادة المحفوظة بمنطقة قد تتبدل المادة الموجودة داخلها. ^[1]

تستخدم كلمة «نظام» أيضًا في الحاسوب والإدارة والأحياء. نركز هنا على معناها في دراسة المادة والطاقة؛ لا ننقل خصائص منظمة اجتماعية إلى نموذج حراري لمجرد اشتراكهما في الاسم.

مفتوح أم مغلق أم معزول؟

وفق الاصطلاح الذي نستخدمه هنا، يسمح النظام المفتوح بعبور المادة، وقد تتبادل الطاقة معه أيضًا. النظام المغلق لا تعبر حدوده مادة، لكن يمكن أن تعبر الطاقة على صورة حرارة أو شغل. أما المعزول المثالي فلا يتبادل مادة ولا طاقة مع المحيط. ^[1][2]

كلمة «ممكن» لا تعني وجود تدفق غير صفري في كل لحظة. فقد لا تعبر حرارة حدًا خلال فترة معينة، لكن ذلك وحده لا يخبرنا إن كان شغل أو مادة يعبرانه. يجب تحديد جميع صور التبادل التي تهم النموذج.

ثبات كمية الماء لا يمنع أن يكون النظام مفتوحًا

افترض أن منطقة الدراسة تحتوي 12 كغ من الماء في بداية فترة. دخلت إليها 3 كغ، وخرجت منها 2 كغ، دون مصادر أو مسارات أخرى للمادة. تصبح الكتلة النهائية 12+3−2=13 kg. هذه موازنة كتلة أصلية لا تخص جهازًا مقاسًا.

في حالة ثانية، بدأت المنطقة بكتلة 4 كغ، ودخلت إليها 2 كغ وخرجت 2 كغ خلال الفترة نفسها. تصبح الكتلة النهائية 4+2−2=4 kg. لم تتغير الكمية الكلية، لكن مادة عبرت الحد في الاتجاهين؛ إذن النظام ما زال مفتوحًا. ^[3]

لذلك نسأل: هل عبرت مادة الحدود؟ ولا نكتفي بسؤال: هل تغيرت الكتلة الموجودة؟ الحساب الثاني يبين الفرق بين صافي التغير ومقادير الدخول والخروج.

ولم نفترض من هذه الأرقام تساوي درجة الحرارة أو الطاقة الداخلة والخارجة. ثبات الكتلة وحده لا يثبت ثبات جميع خصائص النظام.

لماذا يؤثر اختيار الحدود في وصف انتقال الطاقة؟

نتخيل ماء يسخنه عنصر كهربائي، ولا تعبر حدود الاختيار مادة خلال الفترة المدروسة. إذا كان النظام هو الماء وحده، يقع العنصر خارجه وتنتقل الطاقة من العنصر إلى الماء بالحرارة. إذا وسعنا الحدود لتضم الماء والعنصر، يعبرها انتقال الطاقة الكهربائي، وهو صورة من الشغل في هذا الوصف. ^[4]

لا تتعارض الدراستان؛ لقد تغير ما نعده جزءًا من النظام. الحرارة والشغل يصفان انتقال الطاقة عبر حد محدد، وليسا مادتين مخزنتين داخل الماء. الرسم الداخلي يقارن الحدين دون فرض قدرة أو كفاءة أو سرعة تسخين.

ولهذا يكون رسم الحد قبل كتابة العلاقة الحسابية خطوة عملية: ما يبدو انتقالًا بين مكونين داخل اختيار كبير قد يكون تبادلًا مع المحيط في اختيار أصغر.

العزل الحراري ليس عزلًا كاملًا

تعني العملية الأديباتية، في النموذج، غياب انتقال الحرارة. لكنها لا تستبعد الشغل تلقائيًا؛ ضغط غاز في أسطوانة ذات جدار عازل حراريًا قد يتضمن شغلًا على الغاز مع افتراض عدم عبور مادة. بهذا يكون النموذج مغلقًا وأديباتيًا، ولا يكون معزولًا إذا عبره الشغل. ^[4]

والنظام المغلق لا يلزم أن تكون حرارته أو حجمه ثابتين، أو أن يتبادل مقدارًا ضئيلًا فقط من الطاقة. التصنيف يصف ما يسمح الحد بعبوره، بينما تصف الحالة قيم الخصائص التي ندرسها. ^[1][2]

اكتب حدودك والفترة المدروسة أولًا، ثم حدد عبور المادة، ثم الحرارة والشغل. بهذه الخطوات تستطيع تقييم نموذج معين دون الاعتماد على قائمة جاهزة تجعل كل جهاز مغلقًا أو مفتوحًا في جميع الظروف.