オープンシステムとクローズドシステムの違い|化学

主な違い - オープンシステムとクローズドシステム

熱力学は、物体と周囲の間のエネルギー移動を説明する物理学の一分野です。熱力学の用語は、化学種の化学的挙動を理解するためにも使用できます。システムと周囲は、熱力学で使用される 2 つの基本的な用語です。システムは研究されている宇宙の一部であり、周囲はその特定のシステム以外の宇宙の残りの部分です。それを周囲から分離するシステムのマージンは境界と呼ばれます。システムには、オープンシステム、クローズドシステム、孤立システムの 3 つの方法があります。開放系と閉鎖系の主な違いは、開放系では物質を周囲と交換できることです。一方、閉鎖系では、物質は周囲と交換できません。

対象となる主な分野

1.オープンシステムとは
– 定義、特徴
2.クローズドシステムとは
– 定義、特徴
3.オープンシステムとクローズドシステムの違いは何ですか
– 主な違いの比較

重要な用語:エネルギー、運動エネルギーシステム、物質、ポテンシャルエネルギー、周囲、熱力学

オープンシステムとは

オープンシステムは、物質とエネルギーの両方を周囲と交換できるシステムと定義できます。たとえば、地球は開いたシステムとして認識できます。この場合、地球がシステムであり、宇宙が周囲です。太陽光は地表に届き、ロケットを宇宙に飛ばすことができます。太陽光とロケットは、それぞれエネルギーと物質として説明できます。

開放系と周囲との間の物質交換は容易に起こります。これは、物質を追加または削除することによっても簡単に説明できます。しかし、エネルギーはさまざまな形で交換でき、この交換中にさまざまな変換が発生する可能性があるため、エネルギー交換はもう少し複雑です。エネルギーは、熱またはその他の形で交換されます。

熱力学的に言えば、エネルギー交換は位置エネルギー、運動エネルギー、熱エネルギーによって特徴付けられます。位置エネルギーは蓄えられたエネルギーです。運動エネルギーとは、物体が動いているときに物体が運ぶエネルギーです。ただし、システムのエネルギーは、常にこれら 3 つの状態のいずれか、または同時に 2 つの状態で存在します。たとえば、静止している物体は周囲と熱交換できます。次に、位置エネルギーと熱エネルギーの両方を持ちます。エネルギーは、位置エネルギーまたは運動エネルギーとして交換または伝達できます。しかし、場合によっては、位置エネルギーが運動エネルギーに変換されたり、その逆が発生したりすることがあります。熱エネルギーまたは熱は、開放系とその周囲の間でも交換されます。

開放系と周囲の間で物質を交換する能力があるため、開放系の内部質量は時間とともに変化します。物質を加えると質量が増え、物質を取り除くと質量が減ります。

図 1:マグカップは覆われていないため、エネルギーと物質の両方を周囲と交換できます。したがって、これはオープンシステムです。

クローズドシステムとは

閉鎖系とは、エネルギーのみを交換できるシステムで、問題はありません。物質には系の境界を越えることができない粒子が含まれているため、閉じた系では物質を交換することはできません。しかし、エネルギーは粒子ではないため、エネルギーは光子としてこの境界を通過します。したがって、閉じたシステムでは、物質を削除または追加できないため、質量は一定のままです。しかし、エネルギーはほとんどが熱または熱エネルギーとして伝達されます。

たとえば、コップの上部に蓋を置いて温かい水の入ったコップを覆うと、蓋が原因で蒸気がシステムから逃げることができなくなります。空気中の気体分子も、蓋があるためカップに入ることができません。したがって、物質の交換はありません。でも、しばらくしてふたを触ると、ふっくらと温かく感じます。カップも暖かく感じます。これは、エネルギーが熱エネルギーとして外部に出ていることを示しています。このシステムを常温で長時間保管すると、カップ、ふた、または水が温かくなっていることが観察できます。これは、システムの温度が周囲の温度と等しくなるまで、システムが熱エネルギーを周囲と共有しているためです。これは均衡と呼ばれます。

図 2:ふたがあるため周囲と物質を交換できないため、蓋付きポットは閉鎖系の例です。