システムと環境

熱力学の研究において、化学と物理の主要な分野では、「システム」と「周囲」の概念は基本的です。これらの用語は、さまざまなシナリオでエネルギーと物質がどのように相互作用するかを理解し、自然で観察されるさまざまなプロセスを説明するための枠組みを提供します。

システムとは何か？

熱力学における「システム」とは、研究、観察、または焦点が当てられている宇宙の一部を指します。システムの境界は実際である場合も想像上である場合もあり、単一の原子から全銀河に至るまでの範囲があります。

システムは3つの主要なタイプに分類されます：

1. 開放システム: 開放システムは、周囲とエネルギーと物質の両方を交換できます。開放システムの古典的な例は、沸騰する水の鍋です。水分子（物質）は蒸気として鍋から逃げることができ、熱（エネルギー）は鍋と周囲の空気の間で常に交換されます。
2. 閉鎖システム: 閉鎖システムは、周囲とエネルギーのみを交換し、物質は交換しません。ガスが逃げることのない閉鎖容器を想像してください。しかし、熱は環境と交換することができます。
3. 孤立システム: 孤立システムは、周囲とエネルギーや物質を交換しません。それは完全に自己完結しています。理想的な魔法瓶はこの例ですが、完全な孤立は実質的に不可能です。常に何らかのエネルギー交換が発生します。

システムの表現

あるプロセスや実験を視覚化するために、宇宙を「システム」と「周囲」という2つの部分に分けることを想像してください。以下に簡単なイラストを示します：

        ,
        | 環境 |
        ,
        | | システム | |
        ,
        ,
    

環境の理解

熱力学における「周囲」という用語は、システムの外側のすべてを指します。周囲はシステムとの間で交換されるエネルギーまたは物質を提供または吸収します。方程式を書いたり、変化を測定したりするとき、それらはこの周囲環境に対して相対的なものです。

例えば、化学反応が進行しているビーカーを考えると、ビーカーとその内容物はシステムを表し、実験室の空気は周囲と考えることができます。反応中に放出または吸収される熱、光、または他の形態のエネルギーは、これらの周囲と交換されます。

例と視覚化

沸騰水 - 開放システム

ストーブの上で沸騰している鍋の水を考えます。水とその蒸気がシステムを構成します。ストーブからの熱が鍋を通じて水に伝導され、水蒸気は空気中に逃げます。物質（水蒸気）とエネルギー（熱）は周囲の環境と交換されます：

        ,
        | 環境 |
        | (空気と熱源) |
        ,
        | | 沸騰水 | |
        ,
        ,
    

密封容器 - 閉鎖システム

水の浴槽に沈められたガスで満たされた密封容器を想像してください。容器内のガスがシステムです。ガスは出入りしませんが、熱は容器の壁を通じて伝わります。したがって、これは閉鎖システムです：

        ,
        |水浴 (周囲)|
        ,
        | | 密封ガス容器| |
        ,
        ,
    

魔法瓶 - 理想的な孤立システム

熱交換を最小限に抑えるように設計された魔法瓶では、内部の熱または冷の液体が唯一のシステムです。理想的には、熱や物質は出入りしませんが、実際には一部の熱が失われることがあります。魔法瓶は孤立システムを表します：

        ,
        | (環境) |
        ,
        | | 液体入り魔法瓶 | |
        ,
        ,
    

システムと環境の相互作用

熱力学において、システムが周囲とどのようにエネルギーを交換するかに関心があります。これは主に熱と仕事を通じて行われます：

• 熱 (q): システムと周囲との間の温度差によるエネルギー移動。
• 仕事 (w): 外力がシステムに仕事を行うとエネルギーが移動します。例えば、重量を持ち上げたり、ガスを圧縮したりします。

熱力学におけるこれらの相互作用を説明するために使用される基本的なエネルギー方程式は、熱力学の第一法則としてよく表現されます：

        ΔU = q + w
    

ここで、ΔU はシステムの内部エネルギー変化、q は交換された熱、w はシステムによって行われたまたはシステムに対して行われた仕事です。

エネルギー移動の例

例1: シリンダー内のガスの加熱

動くピストンを含むシリンダー内のガスを想像し、それをシステムと考えます。ガスを加熱すると膨張し、ピストンを押して仕事を行い、周囲にエネルギーを転送します：

        ,
        ピストンが上昇
        シリンダー内のガス
        , (タスク完了)
        ,
    

加えられた熱 (q) はガスのエネルギーを増加させ、ガスが膨張するとピストンに仕事 (w) を行います。

例2: グラスの飲料を冷やす

グラス内の飲料はシステムであり、周囲の空気は周囲です。それを冷蔵庫に入れると、熱は飲料から周囲に放出され、熱平衡が達成されるまで交換されます。この場合、熱移動はシステムと周囲の間のエネルギー交換です。

結論

熱力学におけるシステムと周囲の概念の理解は、エネルギー変換を分析するために不可欠です。化学反応、物理変化、熱力学プロセスのいずれを研究するにしても、システムとその周囲との相互作用を定義することで、科学者は熱力学の法則を効果的に利用できます。

熱力学は自然界を理解するのに役立つだけでなく、エンジン、冷蔵庫、さらには生物学的プロセスの理解にも大いに役立ちます。システムと周囲の明確な区別により、エネルギー変換を正確に計算でき、多くの科学的および工学的な可能性を開きます。

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