thumb|upright=1.65| Proprietățile sistemelor termodinamice izolate, închise și deschise în schimbul de energie și masă
Un sistem termodinamic este un corp de materie și/sau radiație termică separat de mediul înconjurător, care poate fi studiat folosind legile termodinamicii.
În funcție de interacțiunea sa cu mediul, un sistem termodinamic poate fi un sistem izolat, un sistem închis sau un sistem deschis. Un sistem izolat nu schimbă materie (masă) sau energie cu mediul înconjurător. Un sistem închis poate schimba căldură, poate fi supus la forțe sau exercita forțe, dar nu schimbă masă. Un sistem deschis poate interacționa cu mediul înconjurător prin schimbul atât de masă, cât și de energie.
thumb Situația fizică a unui sistem termodinamic la un moment dat este descrisă de „starea” sa, care poate fi specificată prin valorile unui set de variabile de stare termodinamice. Un sistem termodinamic se află în echilibru termodinamic atunci când nu există fluxuri aparente la scară macroscopică de materie sau energie în interiorul său sau între acesta și alte sisteme.
Sistemele termodinamice pot fi pasive și active în funcție de procesele interne: pasive, în care are loc o redistribuire a energiei disponibile, active, în care un tip de energie este convertit în altul.
Masa este o proprietate a materiei, nu materia însăși. Totuși, în acest articol termenul de „masă” este folosit ca o prescurtare a expresiei „materie care are masă”.
Descriere Echilibrul termodinamic este caracterizat nu doar de absența oricărui flux de materie (masă) sau energie, ci și de „absența oricărei tendințe spre schimbare la scară macroscopică”. J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, Fifth Edition (1996), p.34, italics in original.
Termodinamica de echilibru, ca subiect al fizicii, ia în considerare corpurile macroscopice formate din materie și energie aflate în stări de echilibru termodinamic intern. Folosește conceptul de procese termodinamice, prin care corpurile trec de la o stare de echilibru la alta prin schimb de materie și energie între ele. Termenul „sistem termodinamic” este folosit pentru a se referi la corpurile formate din materie și energie în contextul special al termodinamicii. Echilibrele posibile dintre corpuri sunt determinate de proprietățile fizice ale pereților care separă corpurile. Termodinamica la echilibru, în general, nu măsoară timpul. Termodinamica de echilibru este un subiect relativ simplu și bine stabilit. Un motiv pentru aceasta este existența unei mărimi fizice bine definite numite „entropia unui corp”.
Termodinamica de neechilibru, ca subiect al fizicii, ia în considerare corpuri de materie și energie care nu se află în stări de echilibru termodinamic intern, dar care participă de obicei la procese de transfer („schimb”) suficient de lente pentru a permite descrierea în termeni de cantități strâns legate de variabilele de stare termodinamice. Aceasta se caracterizează prin prezența fluxurilor de materie și energie. Pentru acest subiect, foarte des corpurile considerate au neomogenități spațiale care variază lent, astfel încât gradienții spațiali, de exemplu un gradient de temperatură, sunt suficient de bine definiți. Astfel, descrierea sistemelor termodinamice în condiții de neechilibru este o teorie de câmp, mai complicată decât teoria termodinamicii de echilibru. Termodinamica în condiții de neechilibru este un subiect în curs de dezvoltare, nu o construcție finalizată. Exemple de teorii și abordări de modelare cuprind pentru fluide complexe, viscoelasticitate și materiale moi. În general, nu este posibil să se găsească o entropie exact definită pentru problemele de neechilibru. Pentru multe probleme termodinamice aflate în afara echilibrului, o cantitate aproximativ definită numită „viteza de producere a entropiei în timp” este foarte utilă. Termodinamica de neechilibru depășește în mare parte scopul prezentului articol.
Un alt tip de sistem termodinamic este sistemul deschis, important în inginerie. Acesta conține un proces de curgere. Explicația este că în multe cazuri din practică sunt aproximate destul de bine conceptele termodinamicii de echilibru. Acest aspect depășește în mare parte scopul prezentului articol.
Istoric Clasificarea sistemelor termodinamice a apărut odată cu dezvoltarea termodinamicii ca știință. Studiile teoretice ale proceselor termodinamice în perioada de la prima teorie a mașinilor termice (Sadi Carnot, Franța, 1824) până la teoria structurilor disipative (Ilya Prigogine, Belgia, 1971) s-au ocupat în principal de modelele de interacțiune ale sistemelor termodinamice cu mediul înconjurător.
În același timp, sistemele termodinamice au fost clasificate în principal ca izolate, închise și deschise, cu proprietăți corespunzătoare în diverse stări termodinamice, de exemplu, în stări apropiate de echilibru, la neechilibru și foarte departe de echilibru.
În 2010 Boris Dobroborsky (Israel, Rusia) a propus o clasificare a sistemelor termodinamice în funcție de procesele interne: sisteme pasive – în care energia doar se redistribuie – și sisteme active – în care energia este transformată.
Sisteme pasive Dacă în interiorul sistemului termodinamic există o diferență de temperatură, de exemplu într-o tijă cu un capăt mai cald decât celălalt, atunci în aceasta au loc procese de transmiterea căldurii, în care temperatura părții mai reci crește, iar a părții mai calde scade. Drept urmare, după un timp temperatura din tijă se va egaliza – tija va ajunge într-o stare de echilibru termodinamic.
Sisteme active Dacă în interiorul unui sistem termodinamic are loc un proces de transformare a unui tip de energie în altul, de exemplu, în reacțiile chimice, în motoarele electrice sau pneumatice, când un corp solid se freacă de altul, atunci vor avea loc procesele de eliberare sau absorbție a energiei, iar sistemul termodinamic va tinde întotdeauna către o stare de neechilibru față de mediul înconjurător.
Sisteme în echilibru În sistemele izolate se observă că pe măsură ce timpul trece, rearanjările interne încetinesc și se apropie de condiții stabile. Presiunile și temperaturile tind să se uniformizeze, iar materia se organizează într-una sau câteva faze relativ omogene. Un sistem în care toate procesele de transformare s-au desfășurat practic până la finalizare este considerat într-o stare de echilibru termodinamic. Proprietățile termodinamice ale unui sistem în echilibru sunt neschimbate în timp. Stările de echilibru ale sistemului sunt mult mai ușor de descris într-o manieră deterministă decât stările de neechilibru. În unele cazuri, atunci când se analizează o transformare termodinamică se poate presupune că fiecare stare intermediară din cursul transformării este la echilibru. Un astfel de proces se numește cvasistatic.
Pentru ca un proces să fie reversibil, fiecare etapă a procesului trebuie să fie reversibilă. Pentru ca o etapă dintr-un proces să fie reversibilă, sistemul trebuie să fie în echilibru pe tot parcursul etapei. Acest ideal nu poate fi realizat în practică, deoarece nicio etapă nu poate fi făcută fără a perturba sistemul de la echilibru, dar idealul poate fi aproximat prin efectuarea lentă a modificărilor.
Însăși existența echilibrului termodinamic, care definește stările sistemelor termodinamice, este postulatul esențial, caracteristic și fundamental al termodinamicii, deși este rareori citată ca principiu numerotat. Marsland, R. , Brown, H.R., Valente, G. (2015). Time and irreversibility in axiomatic thermodynamics, Am. J. Phys., 83(7): 628–634. Conform lui Bailyn, afirmația frecvent repetată a principiului zero al termodinamicii este o consecință a acestui postulat fundamental. În realitate, practic nimic în natură nu se află în echilibru termodinamic strict, dar postulatul echilibrului termodinamic oferă adesea idealizări sau aproximări foarte utile, atât teoretice, cât și experimentale, iar experimentele pot oferi scenarii de echilibru termodinamic practic.
În termodinamica de echilibru, variabilele de stare nu descriu fluxurile deoarece într-o stare de echilibru termodinamic toate fluxurile sunt nule prin definiție. Procesele termodinamice de echilibru pot trata fluxuri, dar acestea trebuie să fi încetat până la finalizarea unui proces sau a unei operații termodinamice, aducând un sistem la starea sa termodinamică finală. Termodinamica de neechilibru permite variabilelor sale de stare să trateze fluxuri nenule, care descriu schimburi de masă, energie sau entropie între un sistem și mediul înconjurător. Eu, B.C. (2002). Generalized Thermodynamics. The Thermodynamics of Irreversible Processes and Generalized Hydrodynamics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, .
Pereți +Tipuri de schimburi permise+în funcție de tipul perețilorTipul pereteluiTipul schimbuluiMasăLucrumecanicCăldurădeschisînchisadiabaticdiatermanizolat Un sistem este înconjurat de pereți care îl delimitează și îl conectează la mediul înconjurător. Born, M. (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London, p.44 Adesea, un perete împiedică trecerea prin el a masei sau a unei forme de energie, făcând conexiunea să fie indirectă. Uneori, un perete nu este mai mult decât o suprafață bidimensională închisă imaginară prin care conexiunea cu împrejurimile este directă.
Un perete poate fi fix (de exemplu a unui vas de reacție chimică cu volum constant) sau mobil (de exemplu la un piston). De exemplu, într-un motor cu piston, un perete fix înseamnă că pistonul este blocat în poziția sa; atunci poate avea loc un proces la volum constant. În același motor, un piston poate fi deblocat și lăsat să se miște. Ideal, un perete poate fi declarat adiabatic, diaterman, impermeabil, permeabil sau semipermeabil. Nu întotdeauna există materialele fizice reale care conferă pereților astfel de proprietăți idealizate.
Sistemul este delimitat de pereți sau limite, fie reale, fie convenționale, prin mărimi care se conservă (cum ar fi masa și energia) sau care nu se conservă (cum ar fi entropia) pot trece în și din sistem. Spațiul din afara sistemului termodinamic este cunoscut sub numele de „mediul înconjurător”. Proprietățile pereților determină ce transferuri pot avea loc. Un perete care permite transferul unei mărimi se numește permeabil la aceasta, iar un sistem termodinamic este clasificat după permeabilitățile pereților săi. Un transfer între sistem și mediul înconjurător poate apărea prin contact, cum ar fi transmiterea căldurii, sau prin efecte pe distanțe lungi, cum ar fi un câmp radiativ în împrejurimi.
Un sistem cu pereți care împiedică toate transferurile se numește „sistem izolat”. Aceasta este un concept idealizat, deoarece în practică un anumit transfer este întotdeauna posibil, de exemplu prin forțe gravitaționale. Este o axiomă a termodinamicii că un sistem izolat atinge în cele din urmă echilibrul termodinamic intern, moment din care starea sa nu se mai schimbă în timp de la sine.
Pereții unui sistem închis permit transferul de energie sub formă de căldură și de lucru mecanic, dar nu și de masă, între acesta și mediul înconjurător. Pereții unui „sistem deschis” permit transferul atât de masă, cât și de energie. Prigogine, I., Defay, R. (1950/1954). Chemical Thermodynamics, Longmans, Green & Co, London, p. 66. Guggenheim, E.A. (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., Alberty, R.A., Bawendi, M.G. (1955/2005). Physical Chemistry, fourth edition, Wiley, Hoboken NJ, p. 4