Hệ kín (Closed System)

Ví dụ về các hệ kín:

• Một chai nước đóng kín: Nước bên trong chai có thể nóng lên hoặc nguội đi do trao đổi nhiệt với môi trường, nhưng lượng nước bên trong chai vẫn không đổi.
• Một xi lanh chứa khí nén kín: Khí bên trong có thể thực hiện công bằng cách đẩy piston, nhưng khối lượng khí bên trong xi lanh vẫn không thay đổi nếu piston kín. Ở đây, ta giả định rằng không có rò rỉ khí qua các khe hở của piston.
• Trái Đất (xấp xỉ): Mặc dù một lượng rất nhỏ khí và bụi có thể thoát khỏi khí quyển Trái Đất và một số thiên thạch rơi xuống, nhưng về tổng thể, Trái Đất có thể được coi là một hệ kín vì lượng vật chất trao đổi là rất nhỏ so với tổng khối lượng của nó. Trái Đất trao đổi năng lượng với không gian vũ trụ chủ yếu dưới dạng bức xạ. Việc coi Trái đất là hệ kín hay không phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu và mức độ chính xác cần thiết.

Phân biệt với Hệ Hở và Hệ Cô Lập

Để hiểu rõ hơn về hệ kín, ta cần phân biệt nó với hai loại hệ khác là hệ hở và hệ cô lập:

• Hệ hở (Open System): Trao đổi cả năng lượng và khối lượng với môi trường xung quanh. Ví dụ: một nồi nước đang sôi không có nắp. Không khí và hơi nước có thể thoát ra khỏi nồi, đồng thời nhiệt cũng được trao đổi với môi trường.
• Hệ cô lập (Isolated System): Không trao đổi năng lượng cũng như khối lượng với môi trường xung quanh. Ví dụ lý tưởng là một bình giữ nhiệt hoàn hảo chứa vật chất bên trong. Trong thực tế, hệ cô lập hoàn hảo không tồn tại. Ngay cả những bình giữ nhiệt tốt nhất cũng có một lượng nhỏ trao đổi nhiệt với môi trường theo thời gian.

Ứng dụng

Khái niệm hệ kín rất hữu ích trong việc phân tích và mô hình hóa nhiều hiện tượng trong khoa học và kỹ thuật. Ví dụ:

• Nhiệt động lực học: Định luật bảo toàn năng lượng (Định luật thứ nhất nhiệt động lực học) được áp dụng cho các hệ kín. Sự thay đổi năng lượng nội tại ($\Delta U$) của một hệ kín bằng với tổng nhiệt ($Q$) truyền vào hệ và công ($W$) thực hiện lên hệ: $\Delta U = Q + W$. Công thức này cho phép ta tính toán sự thay đổi năng lượng nội tại của hệ kín khi biết lượng nhiệt trao đổi và công thực hiện.
• Hóa học: Nhiều phản ứng hóa học được thực hiện trong các hệ kín để kiểm soát lượng chất phản ứng và sản phẩm. Điều này giúp xác định hiệu suất phản ứng và tối ưu hóa điều kiện phản ứng.
• Kỹ thuật: Việc thiết kế các hệ thống như động cơ nhiệt thường liên quan đến việc phân tích các hệ kín để tối ưu hóa hiệu suất. Việc xem xét hệ kín giúp đơn giản hóa việc phân tích và tính toán các thông số quan trọng của hệ thống.

Lưu ý: Trong thực tế, hoàn toàn “kín” là một khái niệm lý tưởng hóa. Hầu hết các hệ được coi là “kín” trong thực tế đều có một mức độ trao đổi khối lượng nhỏ nào đó, nhưng mức độ này đủ nhỏ để có thể bỏ qua trong phân tích. Việc xem xét một hệ là kín hay không phụ thuộc vào bài toán cụ thể và mức độ chính xác mong muốn.

Các ví dụ khác về hệ kín:

Dưới đây là một số ví dụ khác về hệ kín, giúp minh họa rõ hơn về khái niệm này:

• Pin sạc (trong quá trình sạc/xả): Mặc dù năng lượng được trao đổi với môi trường dưới dạng điện năng, khối lượng của pin vẫn không đổi. Phản ứng hóa học bên trong pin chuyển đổi giữa năng lượng hóa học và điện năng, nhưng không có vật chất nào đi vào hay ra khỏi pin.
• Hệ thống sưởi kín: Nước được làm nóng và lưu thông trong một hệ thống kín, trao đổi nhiệt với môi trường trong nhà nhưng không bị thất thoát ra ngoài (lý tưởng hóa). Trong thực tế, một số hệ thống sưởi có thể có sự thất thoát nhỏ do bay hơi hoặc rò rỉ.
• Quả bóng bay được buộc kín: Không khí bên trong quả bóng có thể giãn nở hoặc co lại do thay đổi nhiệt độ, nhưng lượng không khí bên trong vẫn không đổi nếu không có rò rỉ. Ta giả định rằng vỏ bóng bay không cho phép không khí đi qua.

Phân tích hệ kín trong nhiệt động lực học:

Như đã đề cập, hệ kín đóng vai trò quan trọng trong nhiệt động lực học. Phân tích năng lượng của một hệ kín dựa trên định luật thứ nhất nhiệt động lực học: $\Delta U = Q + W$.

• $\Delta U$: Biến thiên nội năng của hệ. Nội năng là tổng năng lượng của các phân tử cấu tạo nên hệ.
• $Q$: Nhiệt lượng truyền vào hệ ($Q > 0$) hoặc truyền ra khỏi hệ ($Q < 0$). Nhiệt lượng được truyền do sự chênh lệch nhiệt độ giữa hệ và môi trường.
• $W$: Công thực hiện lên hệ ($W > 0$) hoặc công do hệ thực hiện ($W < 0$). Công có thể được thực hiện bằng cách thay đổi thể tích của hệ hoặc bằng các quá trình khác.

Hạn chế của mô hình hệ kín:

Mặc dù mô hình hệ kín rất hữu ích, cần lưu ý rằng nó là một sự lý tưởng hóa. Trong thực tế, rất khó để tạo ra một hệ hoàn toàn kín. Luôn luôn có một mức độ trao đổi khối lượng hoặc năng lượng nhỏ với môi trường. Ví dụ, một chai nước được coi là hệ kín, nhưng một lượng nước rất nhỏ vẫn có thể bay hơi qua nắp chai. Do đó, khi áp dụng mô hình hệ kín, cần xem xét mức độ xấp xỉ và ảnh hưởng của các yếu tố không được xem xét đến.

Tầm quan trọng của việc xác định ranh giới hệ:

Khi phân tích một hệ kín, việc xác định rõ ràng ranh giới của hệ là rất quan trọng. Ranh giới hệ phân tách hệ với môi trường xung quanh. Việc xác định ranh giới hệ sẽ ảnh hưởng đến cách chúng ta tính toán năng lượng và khối lượng trao đổi. Ranh giới hệ cần được xác định rõ ràng để phân tích hệ một cách chính xác.

• Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (2011). Thermodynamics: An engineering approach. McGraw-Hill Education.
• Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2010). Fundamentals of engineering thermodynamics. John Wiley & Sons.
• Smith, J. M., Van Ness, H. C., & Abbott, M. M. (2005). Introduction to chemical engineering thermodynamics. McGraw-Hill Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Nếu một hệ kín chỉ trao đổi năng lượng với môi trường, vậy entropy của hệ kín có thể thay đổi như thế nào?

Trả lời: Entropy của một hệ kín có thể tăng hoặc không đổi. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, entropy của một hệ cô lập luôn tăng hoặc không đổi theo thời gian. Đối với hệ kín, mặc dù có trao đổi năng lượng với môi trường, entropy của hệ vẫn có thể tăng do các quá trình không thuận nghịch xảy ra bên trong hệ. Tuy nhiên, nếu quá trình diễn ra thuận nghịch, entropy của hệ kín sẽ không đổi.

Làm thế nào để xác định ranh giới của một hệ kín trong thực tế, khi mà việc “kín” hoàn toàn là không thể?

Trả lời: Việc xác định ranh giới của một hệ kín trong thực tế phụ thuộc vào mục đích của nghiên cứu và mức độ xấp xỉ chấp nhận được. Ranh giới được chọn sao cho sự trao đổi khối lượng qua ranh giới là không đáng kể so với khối lượng của hệ. Ví dụ, khi nghiên cứu phản ứng hóa học trong bình phản ứng, ta có thể coi bình phản ứng là một hệ kín nếu lượng chất thoát ra ngoài do bay hơi là rất nhỏ.

Có những loại năng lượng nào có thể được trao đổi giữa một hệ kín và môi trường xung quanh?

Trả lời: Hệ kín có thể trao đổi năng lượng với môi trường dưới dạng nhiệt ($Q$) và công ($W$). Nhiệt có thể được truyền qua dẫn nhiệt, đối lưu hoặc bức xạ. Công có thể được thực hiện bởi hệ lên môi trường hoặc ngược lại, ví dụ như công do sự giãn nở hoặc nén của khí.

Nếu $\Delta U = Q + W$ áp dụng cho hệ kín, vậy phương trình nào mô tả sự thay đổi năng lượng của hệ hở?

Trả lời: Đối với hệ hở, cần xem xét thêm năng lượng liên quan đến khối lượng đi vào và ra khỏi hệ. Phương trình cân bằng năng lượng cho hệ hở phức tạp hơn và thường được biểu diễn dưới dạng: $\Delta E{hệ} = Q – W + \sum{vào} m(h + \frac{v^2}{2} + gz) – \sum_{ra} m(h + \frac{v^2}{2} + gz)$, trong đó $m$ là khối lượng, $h$ là enthalpy riêng, $v$ là vận tốc, $g$ là gia tốc trọng trường và $z$ là độ cao.

Tại sao việc hiểu về hệ kín lại quan trọng trong kỹ thuật?

Trả lời: Hiểu về hệ kín rất quan trọng trong kỹ thuật vì nhiều hệ thống kỹ thuật có thể được xấp xỉ như hệ kín. Ví dụ, việc phân tích chu trình nhiệt động lực học của động cơ đốt trong thường dựa trên mô hình hệ kín. Việc đơn giản hóa này cho phép các kỹ sư tính toán hiệu suất và tối ưu hóa thiết kế của động cơ.