GLOBAL KNOWLEDGE ARK

Fizika · Straipsnis

Fizikinės sistemos, būsenos, ribos ir aplinka

Pasirinkite, ką tirsite, apibūdinkite pasirinktos sistemos būseną nurodytu laiko momentu ir nustatykite jos sąveikas su tuo, kas yra už jos ribos.

Ankstesnis straipsnis: Stebimieji dydžiai ir operaciniai apibrėžimai

Grįžti į fiziką

Perskaitę galėsite

  • Pasirinkti nagrinėjamam klausimui tinkamą fizikinę sistemą ir nurodyti, kas į ją įtraukta.
  • Atskirti sistemą, jos ribą ir aplinką.
  • Paaiškinti, kodėl būsenai aprašyti reikia pasirinktam modeliui būtinų kintamųjų.
  • Nustatyti, ar nurodytos sistemos sąveika yra vidinė, ar vyksta per jos ribą.
  • Atskirti atvirąsias, uždarąsias ir izoliuotąsias sistemas termodinamine prasme.
01

Pradėkite nuo klausimo ir pasirinkite sistemą

Tarkime, puodelyje vėsta vanduo. Galite tirti vandenį, vandenį kartu su puodeliu arba didesnę sritį, apimančią ir aplinkinį orą. Kiekvienas pasirinkimas reiškia, kad įtraukiami skirtingi fizikinės situacijos elementai. Fizikinė sistema yra tyrimui pasirinkta fizikinės situacijos dalis: objektas, objektų rinkinys arba apibrėžta sritis.

Sistemos pasirinkimas apibrėžia jūsų modelio objektą. Jis nekeičia fizikinės situacijos. Nurodykite, kas patenka į sistemos vidų, ir pasirinkite sistemą, kuri leidžia aiškiai suformuluoti jūsų klausimą. Tą patį įvykį galima aprašyti pasirinkus skirtingas sistemas, tačiau tuomet jo sąveikas reikia aprašyti skirtingai.

02

Nurodykite sistemos ribą

Sistemos riba atskiria tai, ką įtraukiate į sistemą, nuo jos aplinkos. Riba gali sutapti su materialiu paviršiumi arba būti įsivaizduojamas paviršius, gaubiantis sritį. Ji gali judėti. Nubrėžus ribą, neatsiranda siena ir neužkertamas kelias realiai sąveikai.

Jei sistemą sudaro tik vanduo, puodelis ir oras yra už jos ribų. Jei sistemą sudaro vanduo ir puodelis, puodelis yra sistemos viduje, o oras lieka už jos ribų. Prieš nustatydami, kurios sąveikos vyksta per pasirinktą ribą, ją apibūdinkite. Už sistemos ribų esantys objektai vis tiek gali ją veikti.

03

Aprašykite būseną modeliui reikalingu detalumu

Būsena nusako sistemos būklę nurodytu laiko momentu, remiantis modeliui reikalingomis savybėmis. Pusiausvyros termodinamikoje pakankamas makroskopinių savybių rinkinys leidžia nustatyti kitų termodinaminių savybių vertes pagal pasirinktą aprašymą. Gali būti svarbi temperatūra, slėgis, tūris ir sudėtis. Šie kintamieji nenurodo kiekvienos molekulės padėties.

Nagrinėjant paprastą judėjimą išilgai takelio, vien padėtis nepasako, kuria kryptimi juda vežimėlis. Įtraukite greitį ir padėties atskaitos tašką. Jei vandens temperatūra skirtingose vietose nevienoda, viena temperatūra negali apibūdinti visų jo vietų; naudingam modeliui gali reikėti kelių vietinių temperatūrų. Būsenos aprašymas turi atitikti nagrinėjamą klausimą ir jo prielaidas.

Būsena čia reiškia būklę. Tai platesnė sąvoka nei fazių pavadinimai „kietoji“, „skystoji“ ir „dujinė“. Abu mėginiai gali būti skysti, bet jų temperatūros gali skirtis. Pasirinkę tik tuos kintamuosius, kuriuos išmatavote, nebūtinai turėsite pakankamai informacijos pokyčiui numatyti.

04

Sekite sąveikas per pasirinktą ribą

Nustatykite, ar medžiaga patenka į sistemą arba iš jos išeina ir kaip perduodama energija. Energija gali pereiti per ribą perduodant šilumą arba atliekant darbą, įskaitant mechanines ar elektrines sąveikas; judanti medžiaga taip pat gali pernešti energiją. Termodinamikoje šiluma vadinamas energijos perdavimas dėl temperatūrų skirtumo.

Kai šiltesnis vanduo perduoda energiją vėsesniam puodeliui, energija perduodama per sistemos, kurią sudaro tik vanduo, ribą. Jei sistemą sudaro vanduo ir puodelis, energija perduodama jos viduje. Energijos perdavimas tarp bet kurios iš šių dalių ir išorinio oro vis tiek vyksta per didesnės sistemos ribą. Pakeitus sistemą, pasikeičia šis priskyrimas, nors pats fizinis energijos perdavimas lieka toks pat.

05

Atskirkite atvirąsias, uždarąsias ir izoliuotąsias sistemas

Termodinamikoje šie pavadinimai apibūdina mainus per nurodytą ribą. Uždaroji sistema nesikeičia medžiaga, bet gali keistis energija. Atviroji sistema gali keistis medžiaga, o energiją gali pernešti ši medžiaga arba ji gali būti perduodama kitais būdais. Izoliuotoji sistema su aplinka nesikeičia nei medžiaga, nei energija.

Sandarus indas gali sušilti, taigi uždarumas nereiškia nekintamumo. Šilumos perdavimo nebuvimas, vadinamas adiabatine sąlyga, taip pat neužtikrina izoliuotumo: energija vis tiek gali būti perduodama atliekant darbą. Realiai sistemai izoliuotosios sistemos artinį taikykite tik tokiu laikotarpiu ir tokiu tikslumu, kai nepaisomi mainai yra pakankamai maži nagrinėjamam klausimui.

Termodinaminė klasifikacija pagal nurodytą ribą
Sistemos tipasMedžiagos mainaiEnergijos mainai
AtvirojiGalimiGalimi
UždarojiNegalimiGalimi
IzoliuotojiNegalimiNegalimi
06

Pritaikykite sistemos aprašą prognozei

Užrašykite klausimą, į sistemą įtrauktus objektus ar sritį, sistemos ribą, stebėjimo laiką, būsenos kintamuosius ir svarbius aplinkos elementus. Nurodykite, į kurias sąveikas atsižvelgiama, o kurios ignoruojamos. Prognozei reikia modelio, nusakančio, kaip dėl šių sąveikų kinta būsena; vien sistemos įvardijimas nesuteikia jokio kitimo dėsnio.

Patikrinkite rezultatą, palygindami jį su nurodytų dydžių stebėjimais. Jei vežimėlio greitis kinta arba puodelyje yra temperatūros gradientas, iš naujo įvertinkite prielaidas, kad greitis pastovus, o temperatūra visoje nagrinėjamoje srityje vienoda. Patogi riba ir trumpas būsenos aprašas naudingi tik tada, kai padeda atlikti tyrimą.

Vienas vėsimo atvejis – du sistemos pasirinkimai

  1. 1. Tik vanduo

    Įtraukite vandenį į sistemą. Puodelis ir kambario oras priklauso aplinkai.

  2. 2. Per vandens sistemos ribą

    Nurodytas perdavimas iš šiltesnio vandens vėsesniam puodeliui vyksta per šią ribą.

  3. 3. Vanduo ir puodelis

    Įtraukite abu sąveikos dalyvius į sistemą. Perdavimo tarp jų procesas yra vidinis šios didesnės sistemos procesas.

  4. 4. Patikrinkite aplinką

    Atskirai nustatykite energijos arba medžiagos mainus su aplinkos oru. Nurodykite, į kuriuos mainus atsižvelgiama, o kurių nepaisoma.

Tas pats energijos perdavimas iš vandens puodeliui klasifikuojamas skirtingai, kai pasikeičia pasirinkta sistemos riba. Nė vienas pasirinkimas savaime neįrodo, kad sistema izoliuota.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Ta pati padėtis gali atitikti skirtingas būsenas

Tarkime, kad per du bandymus pradiniu laiko momentu žymė vežimėlio priekyje yra ties 1.00 m. Per bandymą A vežimėlis juda pastoviu +0.20 m/s greičiu, o per bandymą B – pastoviu -0.20 m/s greičiu. Naudokite tą pačią nekintamą koordinačių pradžią takelyje, teigiamąją kryptį pasirinkę į dešinę. Kur bus žymė po 2.0 s?

  1. Pradinė padėtis yra ta pati, tačiau greičiai skiriasi. Teigiamas ir neigiamas ženklai nurodo priešingas kryptis.
  2. Esant nurodytiems pastoviems greičiams, poslinkis lygus greičio ir praėjusio laiko sandaugai: A poslinkis yra +0.40 m, o B – -0.40 m.
  3. Prie 1.00 m pridėkite kiekvieną poslinkį: A pasiekia 1.40 m, o B – 0.60 m.

A yra ties 1.40 m, o B – ties 0.60 m. Vien padėtis neapibrėžė judėjimo, kurį reikia žinoti taikant šį modelį. Skaičiavimas remiasi pastovaus greičio prielaida; jis neįrodo, kad tikras vežimėlis išlaikys tokį greitį.

Pakeiskite ribą ir stebėkite tą patį energijos perdavimą

Tarkime, vyksta vienas procesas: energija perduodama iš šiltesnio vandens vėsesniam puodeliui. Palyginkite sistemą, kurią sudaro tik vanduo, su sistema, kurią sudaro vanduo ir puodelis. Ar šio proceso metu energija kerta kiekvienos sistemos ribą?

  1. Kai sistemą sudaro tik vanduo, energiją gaunantis puodelis yra už sistemos ribos, todėl perduodama energija kerta sistemos ribą.
  2. Kai sistemą sudaro vanduo ir puodelis, abu dalyviai yra jos viduje, todėl tas pats perdavimas yra vidinis.
  3. Paties fizinio įvykio nekeiskite. Atskirai patikrinkite, ar kas nors perduodama aplinkos orui.

Šis perdavimas kerta vien vandens sistemos ribą, o vandens ir puodelio sistemoje yra vidinis. Pasirinkus didesnę sistemą, aušimas nesustoja ir nenustatoma, kad bendra sistema yra izoliuota.

Nekintamą sritį užpildanti medžiaga gali keistis

Vandeniui tekant per baką, pasirinkite nekintamą sritį, apimančią bako vidų ir jo įtekėjimo bei ištekėjimo angų skerspjūvius. Tada apsvarstykite sandariai uždarytą butelį, kurį šildo šiltesnė patalpa ir kurio ribos nekerta jokia medžiaga, bei idealų modelį, kuriame nėra nei medžiagos, nei energijos mainų. Kiekvieną sistemą priskirkite atitinkamam termodinaminiam tipui.

  1. Vanduo kerta bako srities įtekėjimo ir ištekėjimo angų skerspjūvius, todėl tai yra atvira sistema. Sritį užpildanti medžiaga gali keistis.
  2. Pagal prielaidą sandariai uždarytas butelis nesikeičia medžiaga su aplinka. Nurodytas šildymas perduoda energiją iš patalpos į butelį, todėl tai yra uždara sistema.
  3. Idealiame modelyje nėra nei vienų, nei kitų mainų, todėl tai yra izoliuota sistema.

Atvira, uždara ir izoliuota sistema, atitinkamai. Bako srities riba nekinta net ir vandeniui ją kertant. Vienodi įtekančio ir ištekančio vandens srautai nepanaikintų šių ribos kirtimų ir nepaverstų sistemos uždara.

Pabandykite patys

  1. Sistema pasirenkate sandariai uždarytą butelį ir viską, kas yra jo viduje. Kur yra jos išorinė riba ir ar patalpos oras bei stalviršis yra sistemos dalis?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Riba eina butelio išoriniu paviršiumi. Patalpos oras ir stalviršis priklauso aplinkai.

    Tai išplaukia iš nurodyto į sistemą įtrauktų objektų pasirinkimo. Sąlytis su stalu ar oru vis tiek gali veikti butelį; buvimas už sistemos ribų nereiškia, kad poveikis nesvarbus.

  2. Sandarus standus indas gauna energijos šildant, o medžiaga į jį nepatenka ir iš jo neišeina. Ar jis uždaras, ar izoliuotas? Ar jo būsena būtinai turi likti nepakitusi?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Jis yra uždaras, bet ne izoliuotas. Jo būsena gali keistis.

    Nurodytas energijos perdavimas reiškia, kad indas nėra izoliuotas. Uždara sistema nesikeičia medžiaga, bet gali keistis energija; vien standumas neužkerta kelio šildymui.

  3. Ataskaitoje nurodyta, kad vežimėlio padėtis yra 1.00 m, o vanduo yra skystas. Ar to pakanka numatyti kitą vežimėlio padėtį arba palyginti vandens vėsimą skirtingose vietose?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Ne. Judėjimo modeliui reikia greičio ir atskaitos sistemos, kurios atžvilgiu jis nurodytas; vėsimo aprašymui reikia atitinkamos informacijos apie temperatūrą, laiką ir sąlygas.

    Padėtis nepasako, kaip vežimėlis juda. Fazės pavadinimas nepasako nei temperatūros, nei jos kitimo erdvėje. Pasirinktiems klausimams atsakyti reikia papildomų kintamųjų ir kitimo modelio.

  4. Idealus sandarus, termiškai izoliuotas indas gauna energijos iš išorinio variklio per veleną, sukantį maišyklę. Medžiaga nepereina per indo ribą, o šiluma neperduodama. Ar indas yra izoliuotas?

    Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

    Ne. Šiame modelyje jis yra uždaras ir adiabatinis, tačiau atliekant darbą energija perduodama per jo ribą.

    Izoliuotoji sistema su aplinka nesikeičia energija jokiu būdu, ne vien šilumos perdavimo būdu. Išorinio variklio mechaninis poveikis yra energijos perdavimas net ir esant nurodytai sąlygai, kad šiluma neperduodama.

Ką verta įsidėmėti

  • Pasirinkite sistemą pagal nagrinėjamą klausimą ir nurodykite, ką ji apima.
  • Riba atskiria sistemos vidų nuo išorės; jos nubrėžimas neužkerta kelio sąveikai.
  • Būsenos aprašymui reikia modeliui būtinų kintamųjų ir reikiamo aprašymo detalumo.
  • Priklausomai nuo sistemos pasirinkimo, sąveika gali būti vidinė arba vykti per sistemos ribą.
  • Termodinamikoje uždaroji sistema nesikeičia medžiaga su aplinka, o izoliuotoji nesikeičia nei medžiaga, nei energija.

Šaltiniai

Šio straipsnio sąvokų ir mokymo būdų šaltiniai.

  1. Massachusetts Institute of Technology2 šaltiniai
    1. Lectures on Thermodynamics, Chapter 1: Energy Accounting, Variables and Properties of SystemsGerbrand Ceder · Massachusetts Institute of TechnologyPaskaitų medžiaga · PDFocw.mit.eduSkaityti šaltinį
    2. MIT Unified Engineering Thermodynamics — State, heat and workIan A. Waitz (course instructor) · Massachusetts Institute of TechnologyPaskaitų medžiagaUnified Engineering Thermodynamics, Chapter 2: Thermodynamics ConceptsUnified Engineering Thermodynamics, Chapter 3: Changing the State of a System with Heat and Workocw.mit.edu
  2. NPTEL Advanced Engineering Thermodynamics — Systems and exchange classificationP. Mahanta · Indian Institute of Technology Guwahati / NPTELPaskaitų medžiagaAdvanced Engineering Thermodynamics, Module 1: Classical Thermodynamics, Lecture 1: Review of Thermodynamics — Concepts of classical thermodynamicsAdvanced Engineering Thermodynamics, Module 1: Classical Thermodynamics, Lecture 1: Review of Thermodynamics — System approach and classification of systemarchive.nptel.ac.in
  3. University Physics Volume 1, 3.1 Position, Displacement, and Average VelocityWilliam Moebs, Samuel J. Ling, Jeff Sanny · OpenStax / Rice UniversityVadovėlio skyriusopenstax.orgSkaityti šaltinį
  4. Introduction to Engineering Thermodynamics — Systems, state and boundary heatClaire Yu Yan · University of British Columbia Okanagan / BCcampusVadovėlio skyriusIntroduction to Engineering Thermodynamics, 1.2 System and surroundingsIntroduction to Engineering Thermodynamics, 1.4 State, process, and cycleIntroduction to Engineering Thermodynamics, 4.2 Heat transfer across a boundarypressbooks.bccampus.ca