En ciencia física , un sistema aislado es cualquiera de los siguientes:
Aunque está sujeto internamente a su propia gravedad, generalmente se considera que un sistema aislado está fuera del alcance de las fuerzas gravitacionales externas y otras fuerzas de largo alcance.
Esto puede contrastarse con lo que (en la terminología más común utilizada en termodinámica) se llama un sistema cerrado , que está rodeado por paredes selectivas a través de las cuales la energía puede pasar en forma de calor o trabajo, pero no de materia; y con un sistema abierto , en el que tanto la materia como la energía pueden entrar o salir, aunque puede tener diversas paredes impermeables en partes de sus límites.
Un sistema aislado obedece la ley de conservación de que su masa-energía total permanece constante. Muy a menudo, en termodinámica, la masa y la energía se tratan como conservadas por separado.
Debido al requisito de encierro y a la casi ubicuidad de la gravedad, los sistemas estricta e idealmente aislados en realidad no ocurren en los experimentos ni en la naturaleza. Aunque muy útiles, son estrictamente hipotéticos. [1] [2] [3]
La termodinámica clásica suele presentarse postulando la existencia de sistemas aislados. También suele presentarse como fruto de la experiencia. Obviamente, no se ha informado de ninguna experiencia con un sistema idealmente aislado.
Sin embargo, es fruto de la experiencia que algunos sistemas físicos, incluidos los aislados, parecen alcanzar sus propios estados de equilibrio termodinámico interno. La termodinámica clásica postula la existencia de sistemas en sus propios estados de equilibrio termodinámico interno. Este postulado es una idealización muy útil.
En un intento de explicar la idea de un acercamiento gradual al equilibrio termodinámico después de una operación termodinámica , con un aumento de la entropía según la segunda ley de la termodinámica , se utilizó el teorema H de Boltzmann , que suponía que un sistema (por ejemplo, un gas ) estaba aislado. . Es decir, se podrían especificar todos los grados de libertad mecánicos, tratando los muros circundantes simplemente como condiciones de contorno especulares . Esto llevó a la paradoja de Loschmidt . Sin embargo, si se tiene en cuenta el comportamiento estocástico de las moléculas y la radiación térmica en paredes reales, el sistema se encuentra en realidad en un baño térmico. Entonces puede justificarse la suposición de Boltzmann sobre el caos molecular .
El concepto de sistema aislado puede servir como modelo útil para aproximarse a muchas situaciones del mundo real. Es una idealización aceptable utilizada en la construcción de modelos matemáticos de ciertos fenómenos naturales ; por ejemplo, los planetas del Sistema Solar y el protón y el electrón de un átomo de hidrógeno a menudo se tratan como sistemas aislados. Pero, de vez en cuando, un átomo de hidrógeno interactuará con la radiación electromagnética y pasará a un estado excitado .
Para el aislamiento radiativo, las paredes deben ser perfectamente conductoras, de modo que reflejen perfectamente la radiación dentro de la cavidad, como por ejemplo imaginaba Planck .
Estaba considerando el equilibrio térmico radiativo interno de un sistema termodinámico en una cavidad inicialmente desprovista de sustancia. No mencionó lo que imaginaba que rodearía sus paredes perfectamente reflectantes y, por tanto, perfectamente conductoras. Presumiblemente, al ser perfectamente reflectantes, aíslan la cavidad de cualquier efecto electromagnético externo. Planck sostuvo que para lograr el equilibrio radiativo dentro de la cavidad aislada, era necesario añadir a su interior una mota de carbono. [4] [5] [6]
Si la cavidad con paredes perfectamente reflectantes contiene suficiente energía radiativa para mantener una temperatura de magnitud cosmológica, entonces la mota de carbono no es necesaria porque la radiación genera partículas de sustancia, como por ejemplo pares electrón-positrón, y así alcanza el equilibrio termodinámico.
Roger Balian adopta un enfoque diferente . Para cuantificar la radiación en la cavidad, imagina que sus paredes aislantes de radiación son perfectamente conductoras. Aunque no menciona la masa exterior, y por su contexto parece que pretende que el lector suponga que el interior de la cavidad está desprovisto de masa, sí imagina que algún factor causa corrientes en las paredes. Si ese factor es interno a la cavidad, sólo puede ser la radiación, que de este modo se reflejaría perfectamente. Para el problema del equilibrio térmico, sin embargo, considera paredes que contienen partículas cargadas que interactúan con la radiación dentro de la cavidad; Por supuesto, tales cavidades no están aisladas, sino que pueden considerarse como en un baño térmico. [7]