Sistem deschis

Proprietățile sistemelor izolat, închis și deschis cu privire la schimburile de energie și masă

Termodinamică
Schema unei mașini termice Carnot
Ramuri Clasică Statistică Chimică Cuantică la echilibru / nu la echilibru
Principii Zero Primul Al doilea Al treilea
Sisteme Izolat Închis Deschis Adiabatic Stare Ecuație de stare Gaz ideal Gaz real Stare de agregare Fază Echilibru Volum de control Instrumente Procese Destindere liberă Izobar Izocor Izotermic Adiabatic exponent Izentropic Izentalpic Politropic Cvasistatic Reversibil Ireversibil disipare Cicluri Carnot Direct Inversat Randament și eficiență Diagrame termodinamice p-V T-s h-s p-h Psihro
Propertăți ale sistemelor Notă: Parametri conjugați cu italice Proprietăți intensive și extensive Funcții de proces Lucru mecanic Căldură Funcții de stare Temperatură / Entropie Presiune (internă, parțială) / Volum Potențial chimic / Număr de particule Titlul vaporilor Proprietăți reduse
Proprietăți ale materialelor Baze de date cu proprietăți Capacitate termică masică  $c=$ $T$ $\partial S$ $N$ $\partial T$ Coeficient de compresibilitate  $\beta =-$ $1$ $\partial V$ $V$ $\partial p$ Coeficient de dilatare volumică  $\alpha =$ $1$ $\partial V$ $V$ $\partial T$
Ecuații Teorema lui Carnot Teorema lui Clausius Relația fundamentală Legea gazelor ideale Stări corespondente Relațiile Maxwell Relațiile Onsager Ecuațiile Bridgman Tabel cu ecuații termodinamice
Potențiale Energie internă: $U(S,V)$ Energie liberă: $A(T,V)=U-TS$ Entalpie: $H(S,p)=U+pV$ Entalpie liberă: $G(T,p)=H-TS$ Entropie liberă
Istorie Cultură Istorie Generală Istoria entropiei Legile gazelor Istoria perpetuum mobilelor Filozofie Entropie și timp Entropie și viață Clichetul brownian Demonul lui Maxwell Paradoxul morții termice Paradoxul lui Loschmidt Sinergetică Teorii Teoria caloricului Forța vie Echivalentul mecanic al caloriei Putere motrice Lucrări fundamentale An Experimental Enquiry Concerning ... Heat On the Equilibrium of Heterogeneous Substances Réflexions sur la puissance motrice du feu Cronologii Termodinamică mașini termice Artă Învățământ Suprafața termodinamică a lui Maxwell Entropia ca disipare a energiei
Personalități Bernoulli Boltzmann Bridgman Carathéodory Carnot Clapeyron Clausius de Donder Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Kelvin Lewis Massieu Maxwell von Mayer Nernst Onsager Planck Rankine Smeaton Stahl Tait Thompson van der Waals Waterston
Altele Nucleație Autoasamblare Autoorganizare Ordine și dezordine
Categorie

În termodinamică un sistem deschis este un sistem fizic natural care permite atât transferul de materie, cât și de energie sub formă de lucru mecanic sau căldură în sau în afara sistemului.

În domeniul mașinilor termice

În domeniul mașinilor termice un exemplu de sistem termodinamic deschis este o turbină cu abur. Limita sistemului este o suprafață imaginară care înconjoară turbina. Aburul „viu” (la presiune și temperatură mare) intră în turbină, iar după ce se destinde în turbină este evacuat, realizându-se un schimb de substanță între sistem și exterior. Deoarece aburul este evacuat la o temperatură mai mică decât cea de la intrare, există un schimb (de fapt o introducere) de căldură în sistem. Turbina produce lucru mecanic, care iese din sistem, apărând un schimb de lucru mecanic între sistem și exterior. Deși există toate aceste schimburi, iar parametrii de stare ai aburului (presiunea și temperatura) variază de-a lungul turbinei, la funcționarea în regim stabilizat acești parametri de stare sunt constanți în fiecare punct, iar întregul sistem se află într-o stare staționară însă nu în echilibru termodinamic.

În chimie

În chimie un exemplu de sistem termodinamic deschis este un pahar deschis care conține niște reactanți. Aici limita sistemului este o suprafață imaginară care înconjoară paharul și reactanții.

Un astfel de sistem nu poate exista în stare de echilibru termodinamic. Pentru a descrie abaterea sistemului termodinamic de la echilibru, pe lângă variabilele de stare este necesar un set de variabile de stare interne $\xi _{1},\xi _{2},\ldots$. Starea de echilibru este considerată a fi stabilă, iar proprietatea principală a variabilelor de stare interne, ca măsuri ale neechilibrului sistemului, este tendința lor de a se anula. Legea locală a anulării poate fi scrisă ca ecuație de relaxare pentru fiecare variabilă de stare internă

${\frac {d\xi _{i}}{dt}}=-{\frac {1}{\tau _{i}}}\,\left(\xi _{i}-\xi _{0,i}\right),\quad i=1,\,2,\ldots$

unde $\tau _{i}=\tau _{i}(T,x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})$ este timpul de relaxare a variabilei i. Este convenabil să se considere valoarea inițială $\xi _{0,i}$ egală cu zero.

Contribuția specifică la termodinamica sistemelor deschise care nu sunt în echilibru a fost făcută de Ilya Prigogine, care a cercetat un sistem de substanțe care reacționează chimic. În acest caz, variabilele interne par a fi măsuri ale reacțiilor chimice incomplete în timp, adică măsuri ale dezechilibrului sistemului considerat cu reacții chimice. Teoria poate fi generalizată, să considere variabile interne orice abateri de la starea de echilibru, cum ar fi compoziția sistemului, gradienții de temperatură, diferența de concentrație a substanțelor, gradele de completitudine ale tuturor reacțiilor chimice etc.

Creșterea energiei libere Gibbs $G$ și a entropiei $S$ la temperatura $T$ și presiunea $p$ constante sunt date de

$dG=\sum _{j}\,\Xi _{j}\,\Delta \xi _{j}+\sum _{\alpha }\,\mu _{\alpha }\,\Delta N_{\alpha }$

$T\,dS=\Delta Q-\sum _{j}\,\Xi _{j}\,\Delta \xi _{j}+\sum _{\alpha =1}^{k}\,\eta _{\alpha }\,\Delta N_{\alpha }$

Stările staționare ale sistemului există datorită schimbului atât de căldură ($\Delta Q_{\alpha }$) cât și de un flux de particule. Suma ultimilor termeni din ecuațiile precedente prezintă energia totală care intră în sistem cu fluxul de particule de substanțe $\Delta N_{\alpha }$ care pot fi pozitive sau negative; cantitatea $\mu _{\alpha }$ fiind potențialul chimic al substanței $\alpha$. Termenii din mijloc descriu disiparea energiei (producția de entropie) datorită relaxării variabilelor interne $\xi _{j}$, în timp ce $\Xi _{j}$ sunt forțe termodinamice.

Această abordare a sistemelor deschise permite și descrierea creșterii și dezvoltării organismelor vii în termeni termodinamici.

Bibliografie

• Ioan Vlădea, Tratat de termodinamică tehnică și transmiterea căldurii, București: Editura Didactică și Pedagogică, 1974

Vezi și

• Sistem izolat
• sistem închis
• Sistem termodinamic