孤立系と閉鎖系の大きな違いは、孤立系は周囲と物質やエネルギーの交換ができないが、閉鎖系は周囲と物質の交換はできないが、エネルギーの交換はできることである。

化学を学ぶために、私たちは宇宙を2つに分けて考えています。研究したい部分が「システム」で、それ以外が「周辺」です。例えば、システムとは、生物、反応容器、あるいは細胞である。システムとその周囲の間には境界線があります。境界は、システムの範囲を定義します。時には、この境界線を介して物質やエネルギーが交換されることもあります。さらに、システムは「オープンシステム」と「クローズドシステム」の2つに分けることができる。アイソレートシステムはクローズドシステムの一種である。

カタログ

1. 概要と主な相違点 2. 孤立系とは 3. 閉鎖系とは 4. 横並び比較 - 孤立系と閉鎖系の表形式 5. まとめ

孤立系は何ですか？

アイソテッドシステムはクローズドシステムの一種である。しかし、周囲と機械的にも熱的にも接触しない点で、閉鎖系とは異なる。つまり、孤立したシステムは、周囲と物質やエネルギーを交換することができないのです。さらに、これらの系は、圧力や温度などのパラメータを平衡化することで、時間とともに熱力学的平衡に到達する。

実は、すべてのものが何らかの形で相互作用しているため、孤立したシステムは存在しないのです。しかし、宇宙を孤立したシステムとして捉え、見ることはできない。理論的には、モデルを構築する際に有効です。例えば、熱力学の第一法則と第二法則は、孤立した系を記述しています。

図01：アイソテッドシステムとオープンシステム、クローズドシステムの比較

熱力学の第一法則では、「孤立した系の内部エネルギーは一定である」とされている。熱力学の第二法則では、「孤立した系のエントロピーは、自発的なプロセスで増大する」とされている。ただし、この法律が適用されるのは、孤立したシステムのみです。孤立した系では、時間とともにエントロピーが増大し、平衡時に最大となる。つまり、これらのシステムの総エネルギーは決して増加しない。したがって、エントロピーは決して減少しない。

クローズドシステムは何ですか？

閉じた系では、物質は境界を通過することができない。したがって、閉鎖系にある物質は常に同じものである。しかし、このようなシステムでは、周囲とエネルギーが交換されることになります。例えば、反応が起きれば系は膨張し、温度が低ければ周囲にエネルギーを伝達することができる。

図02: 境界で区切られたシステムとその周辺

例：熱いお茶の入ったカップの上に蓋をすれば、それは閉鎖系になる。そこでは、蒸気を外に逃がすことはできません。同時に、周囲のガス分子が入り込むこともできない。その結果、物質の交換は行われない。しかし、茶葉の熱は周囲と交換される。カップの蓋を触ると、熱さを感じることができるのです。そのため、エネルギーは熱エネルギーという形で外部に存在しています。そこでは、システムの内外の温度が等しいとき、そのシステムは周囲と平衡状態にある。

孤立系とクローズドシステムの違い

境界は、あるシステムとその周囲を隔てるものです。この境界を介した物質とエネルギーのやり取りによって、あるシステムを開放系、閉鎖系と名づけることができる。アイソレートシステムもクローズドシステムの一種である。孤立系と閉鎖系の決定的な違いは、孤立系は周囲と物質やエネルギーの交換ができないが、閉鎖系は周囲と物質の交換はできないが、エネルギーの交換はできることである。

孤立系と閉鎖系のもう一つの重要な違いとして、孤立系のエントロピーは決して減少しないが、閉鎖系のエントロピーは減少しうるということができる。また、アイソレートシステムは理論的なものであり、現実には存在しない。しかし、現実には閉じた系が存在する。

概要 - 孤立系 vs. クローズドシステム

システムには「オープンシステム」と「クローズドシステム」の2種類があります。孤立した系は、閉じた系でもある。しかし、両者の間にほとんど差はありません。孤立系と閉鎖系の大きな違いは、孤立系は周囲と物質やエネルギーの交換ができないが、閉鎖系は周囲と物質の交換はできないが、エネルギーの交換はできることである。

引用

1Helmenstine, Dr. Anne Marie, "Closed System Definition (科学)".ThoughtCo, June 22, 2018.こちらから入手可能です 2Helmenstine, Dr. Anne Marie, "Isolated Systems Definition," ThoughtCo, July 12, 2017.こちらから入手可能です 2Helmenstine, Dr Anne Marie, "Isolated Systems Definition," ThoughtCo, 12 July 2017.