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封閉系統(Closed system)是指在熱力學之中,與外界(環境)沒有物質交換,但有能量交換的系統。[1]

目錄

定義

與環境間只有能量交換而無物質交換的系統,被稱作封閉系統。假如一個只擁有一種粒子(原子或分子)的系統進行化學反應時,過程中所有種類的粒子都可以被生成或破壞。但是,封閉系統內的元素原子數目將會守恆。一般的相變模型也是在封閉系統中討論的,幾相共存時總的粒子數不變。

與外界既有物質交換,又有能量交換的系統會被視為開放系統。與環境間既無能量交換又無物質交換的系統則是隔離系統(isolated system)。

事實上,自然界中一切事物總是相互關聯和相互影響的,有時把封閉系統和系統影響所及的環境一起作為隔離系統。

適用範疇

熱和功只有對封閉系統發生的過程才有明確的意義。熱和功的數量與過程密切相關,一旦過程結束,就談不上熱和功的存在,它們都不是狀態函數。這好比下雨是天空雲層中的水降落到地面的過程,當雨下落到河裡後,我們從來不說「河中有多少雨」,雨量針對降雨過程而言才有意義。

數學表達式

對一靜止的封閉系統,在不考慮特殊的外力場(如離心力場、電磁場等)作用下,由始態(1)變化到終態(2),此變化可通過不同的過程來實現,實驗結果表明:各個過程所對應的W和Q的量值都可能不同,但各個過程的(Q+W)量值卻都相等。這說明在系統發生狀態變化後,一定存在着一個狀態函數的變化為ΔU,U稱為熱力學能個(thermodynamic energy)或內能(internal energy),單位為J。

ΔU==Q+W ①若系統的狀態僅發生一無限小變化,則dU=δQ+δW ②

①、②兩式為熱力學第一定律用於封閉系統的數學表達式,也適用於隔離系統,它們表明了熱力學能、熱和功之間轉化的定量關係。

視頻

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參考文獻