thumb| Svojstva izolovanih, zatvorenih i otvorenih termodinamičkih sistema pri razmjeni energije i materije
Termodinamički sistem je tijelo od materije i/ili zračenja odvojeno od svoje okoline koje se može proučavati korištenjem zakona termodinamike. Termodinamički sistemi mogu biti pasivni i aktivni prema unutrašnjim procesima. Prema unutrašnjim procesima, razlikuju se pasivni i aktivni sistemi: pasivni, u kojima dolazi do preraspodjele dostupne energije, a aktivni, u kojima se jedna vrsta energije pretvara u drugu.
U zavisnosti od interakcije sa okolinom, termodinamički sistem može biti izolovani sistem, zatvoreni sistem ili otvoreni sistem. Izolovani sistem ne razmjenjuje materiju ili energiju sa svojom okolinom. Zatvoreni sistem može razmjenjivati toplotu, osjećati sile i vršiti sile, ali ne razmjenjuje materiju. Otvoreni sistem može interagovati sa svojom okolinom razmjenjujući i materiju i energiju.
Fizičko stanje termodinamičkog sistema u datom trenutku opisano je njegovim stanjem, koje se može odrediti vrijednostima skupa termodinamičkih varijabli stanja. Termodinamički sistem je u termodinamičkoj ravnoteži kada ne postoje makroskopski vidljivi tokovi materije ili energije unutar njega ili između njega i drugih sistema.
220px|thumb
Pregled
Termodinamička ravnoteža karakterizirana je ne samo odsustvom bilo kakvog protoka mase ili energije, već i "odsustvom bilo kakve tendencije ka promjenama na makroskopskoj skali".J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, Fifth Edition (1996), p.34, italics in original.
Ravnotežna termodinamika, kao predmet u fizici, razmatra makroskopska tijela materije i energije u stanjima unutrašnje termodinamičke ravnoteže. Koristi koncept termodinamičkih procesa, kojima tijela prelaze iz jednog ravnotežnog stanja u drugo prenosom materije i energije između njih. Termin "termodinamički sistem" se koristi za označavanje tijela materije i energije u posebnom kontekstu termodinamike. Moguće ravnoteže između tijela određene su fizičkim svojstvima zidova koji razdvajaju tijela. Ravnotežna termodinamika općenito ne mjeri vrijeme. Ravnotežna termodinamika je relativno jednostavna i dobro utvrđena tema. Jedan od razloga za to je postojanje dobro definirane fizičke veličine koja se naziva "entropija tijela". Neravnotežna termodinamika, kao predmet u fizici, razmatra tijela materije i energije koja nisu u stanjima unutrašnje termodinamičke ravnoteže, ali obično učestvuju u procesima prenosa koji su dovoljno spori da omoguće opis u smislu veličina koje su blisko povezane sa termodinamičkim varijablama stanja. Karakterizira ga prisustvo tokova materije i energije. Za ovu temu, vrlo često tijela koja se razmatraju imaju glatke prostorne nehomogenosti, tako da su prostorni gradijenti, na primjer temperaturni gradijent, dovoljno dobro definirani. Stoga je opis neravnotežnih termodinamičkih sistema teorija polja, složenija od teorije ravnotežne termodinamike. Neravnotežna termodinamika je rastuća tema, a ne utvrđena građevina. Primjeri teorija i pristupa modeliranju uključuju generički formalizam za složene fluide, viskoelastičnost i mehke materijale. Općenito, nije moguće pronaći tačno definiranu entropiju za neravnotežne probleme. Za mnoge neravnotežne termodinamičke probleme, približno definirana količina nazvana vremenska brzina proizvodnje entropije je vrlo korisna. Neravnotežna termodinamika uglavnom je izvan okvira ovog članka. Druga vrsta termodinamičkog sistema se razmatra u većini inženjerskih područja. Učestvuje u procesu toka. Objašnjenje se vrši u terminima koji aproksimiraju, dovoljno dobro u praksi u mnogim slučajevima, ravnotežne termodinamičke koncepte. Ovo uglavnom prevazilazi okvire ovog članka i objašnjeno je u drugim člancima, naprimjer u članku Proces toka.
Historija Klasifikacija termodinamičkih sistema nastala je s razvojem termodinamike kao nauke.
Teorijska istraživanja termodinamičkih procesa u periodu od prve teorije toplotnih motora (Saadi Carnot, Francuska, 1824.) do teorije disipativnih struktura (Ilja Prigožin, Belgija, 1971.) uglavnom su se bavila obrascima interakcije termodinamičkih sistema s okolinom.
Istovremeno, termodinamički sistemi su uglavnom klasifikovani kao izolovani, zatvoreni i otvoreni, sa odgovarajućim svojstvima u različitim termodinamičkim stanjima, naprimjer, u stanjima bliskim ravnoteži, neravnoteži i jakoj neravnoteži. U 2010, Boris Dobroborsky (Izrael, Rusija) predložio je klasifikaciju termodinamičkih sistema prema unutrašnjim procesima koji se sastoje od preraspodjele energije (pasivni sistemi) i konverzije energije (aktivni sistemi).
Pasivni sistemi Ako postoji temperaturna razlika unutar termodinamičkog sistema, naprimjer u štapu, čiji je jedan kraj topliji od drugog, tada se u njemu odvijaju procesi prijenosa toplinske energije, pri čemu temperatura hladnijeg dijela raste, a toplijeg dijela opada. Kao rezultat toga, nakon nekog vremena, temperatura u štapu će se izjednačiti - štap će doći u stanje termodinamičke ravnoteže.
Aktivni sistemi Ako se proces pretvaranja jedne vrste energije u drugu odvija unutar termodinamičkog sistema, naprimjer, u hemijskim reakcijama, u električnim ili pneumatskim motorima, kada se jedno čvrsto tijelo trlja o drugo, tada će se dogoditi procesi oslobađanja ili apsorpcije energije, a termodinamički sistem će uvijek težiti neravnotežnom stanju u odnosu na okolinu.
Sistemi u ravnoteži U izolovanim sistemima se dosljedno uočava da se s vremenom unutrašnja preuređenja smanjuju i približavaju se stabilnim uslovima. Pritisci i temperature teže da se izjednače, a materija se organizuje u jednu ili nekoliko relativno homogenih faza. Sistem u kojem su svi procesi promjene praktično završeni smatra se stanjem termodinamičke ravnoteže. Termodinamička svojstva sistema u ravnoteži se ne mijenjaju tokom vremena. Ravnotežna stanja sistema je mnogo lakše opisati na deterministički način nego neravnotežna stanja. U nekim slučajevima, prilikom analize termodinamičkog procesa, može se pretpostaviti da je svako međustanje u procesu u ravnoteži. Takav proces se naziva „kvazistatički“.Da bi proces bio reverzibilan, svaki korak u procesu mora biti reverzibilan. Da bi korak u procesu bio reverzibilan, sistem mora biti u ravnoteži tokom cijelog koraka. Taj ideal se ne može postići u praksi jer se nijedan korak ne može poduzeti bez poremećaja sistema iz ravnoteže, ali se idealu može približiti polaganim promjenama.
Samo postojanje termodinamičke ravnoteže, koja definira stanja termodinamičkih sistema, je suštinski, karakterističan i najfundamentalniji postulat termodinamike, iako se rijetko navodi kao numerički zakon.Marsland, R. , Brown, H.R., Valente, G. (2015). Time and irreversibility in axiomatic thermodynamics, Am. J. Phys., 83(7): 628–634. Prema Bailynu, često ponavljana tvrdnja nultog zakona termodinamike je posljedica ovog fundamentalnog postulata. U stvarnosti, praktično ništa u prirodi nije u strogoj termodinamičkoj ravnoteži, ali postulat termodinamičke ravnoteže često pruža vrlo korisne idealizacije ili aproksimacije, i teorijski i eksperimentalno; eksperimenti mogu pružiti scenarije praktične termodinamičke ravnoteže. U ravnotežnoj termodinamici, varijable stanja ne uključuju flukseve jer u stanju termodinamičke ravnoteže svi fluksevi imaju nulte vrijednosti po definiciji. Ravnotežni termodinamički procesi mogu uključivati flukseve, ali oni moraju prestati do trenutka kada se termodinamički proces ili operacija završi, dovodeći sistem u njegovo konačno termodinamičko stanje. Neravnotežna termodinamika dozvoljava da njene varijable stanja uključuju flukseve koji nisu nula, a koji opisuju prenose mase ili energije ili entropije između sistema i njegove okoline.Eu, B.C. (2002). Generalized Thermodynamics. The Thermodynamics of Irreversible Processes and Generalized Hydrodynamics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, .
Zidovi +Tipovu dozvoljenih transfera+Po tipu zidaTip zidaTip transferaMaterijaRadToplotaPropustnost za materijuDaNeNePropustljiv za energiju, ali nepropustljiv za materijuNeDaDaAdiabatskiNeDaNeAdinamičan i nepropustljiv za materijuNeNeDaIzoliraniNeNeNe
Sistem je okružen zidovima koji ga omeđuju i povezuju sa okolinom.Born, M. (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London, p.44 Često zid ograničava prolaz preko njega nekom obliku materije ili energije, čineći vezu indirektnom. Ponekad zid nije ništa više od zamišljene dvodimenzijske zatvorene površine kroz koju je veza s okolinom direktna.
Zid može biti fiksan (npr. reaktor konstantne zapremine) ili pokretljiv (npr. klip). Naprimjer, u klipnom motoru, fiksni zid znači da je klip zaključan u svom položaju; tada se može dogoditi proces konstantne zapremine. U istom motoru, klip se može otključati i dozvoliti mu da se kreće unutra i van. Idealno, zid se može proglasiti adijabatski, diatermni, nepropusnim, propusnim ili polupropusna. Stvarni fizički materijali koji zidovima daju takva idealizirana svojstva nisu uvijek lahko dostupni.
Sistem je ograničen zidovima ili granicama, bilo stvarnim ili nominalnim, preko kojih očuvane (kao što su materija i energija) ili neočuvane (kao što je entropija) količine mogu prelaziti u sistem i izlaziti iz njega. Prostor izvan termodinamičkog sistema poznat je kao "okolina", "rezervoar" ili "okruženje". Svojstva zidova određuju koji se prenosi mogu dogoditi. Zid koji omogućava prijenos količine se naziva propusnim za nju, a termodinamički sistem se klasificira prema propusnosti njegovih nekoliko zidova. Prijenos između sistema i okoline može nastati kontaktom, kao što je provođenje toplote, ili silama dugog dometa kao što je električno polje u okolini.
Sistem sa zidovima koji sprečavaju sve prenose naziva se izolovani. Ovo je idealizovana koncepcija, jer je u praksi neki prenos uvijek moguć, na primjer gravitacionim silama. Aksiom termodinamike je da izolovani sistem na kraju dostiže unutrašnju termodinamičku ravnotežu, kada se njegovo stanje više ne mijenja s vremenom.
Zidovi zatvorenog sistema omogućavaju prijenos energije kao toplote i kao rada, ali ne i materije, između njega i njegove okoline. Zidovi „otvorenog sistema“ omogućavaju prijenos i materije i energije.Ilya Prigogine, Defay, R. (1950/1954). Chemical Thermodynamics, Longmans, Green & Co, London, p. 66.Edward A. Guggenheim (1949/1967). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, (1st edition 1949) 5th edition 1967, North-Holland, Amsterdam, p. 14.Münster, A. (1970). Classical Thermodynamics, translated by E.S. Halberstadt, Wiley–Interscience, London, pp. 6–7.Silbey, R.J., Robert A. Alberty|Alberty, Bawendi, M.G. (1955/2005). Physical Chemistry, fourth edition, Wiley, Hoboken NJ, p. 4. Ova shema definicije termina se ne koristi jednoglasno, iako je pogodna za neke svrhe. Konkretno, neki autori koriste "zatvoreni sistem" tamo gdje se ovdje koristi "izolovani sistem".Dirk ter Haar|ter., Wergeland, H. (1966). Elements of Thermodynamics, Addison-Wesley Publishing, Reading MA, p. 43.
Sve što prelazi granicu i izaziva promjenu sadržaja sistema mora se uzeti u obzir u odgovarajućoj jednačini ravnoteže. Volumen može biti područje koje okružuje jedan atom koji rezonira energijom, kao što je Max Planck definirao 1900. godine; može biti tijelo pare ili zraka u parnoj mašini, kao što je Sadi Carnot definirao 1824. godine. Također može biti samo jedan nuklid (tj. sistem kvarkova) kako je postavljeno u kvantnoj termodinamici.
Okolina
Sistem je dio svemira koji se proučava, dok je "okolina" ostatak svemira koji se nalazi izvan granica sistema. Također je poznat kao "okolina" ili "rezervoar". U zavisnosti od tipa sistema, on može interragovati sa sistemom razmjenom mase, energije (uključujući toplotu i rad), impulsa, električnog naboja ili drugih očuvanih svojstava. Okruženje se zanemaruje u analizi sistema, osim u pogledu ovih interakcija.
Zatvoreni sistem