En ciencias físicas , un sistema aislado es cualquiera de los siguientes:
Aunque está sujeto internamente a su propia gravedad, un sistema aislado suele considerarse fuera del alcance de la gravedad externa 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 encerrado por paredes selectivas a través de las cuales puede pasar la energía como calor o trabajo, pero no la materia; y con un sistema abierto , en el que tanto la materia como la energía pueden entrar o salir, aunque puede tener paredes impermeables en partes de sus límites.
Un sistema aislado obedece a la ley de conservación , según la cual su masa y energía totales se mantienen constantes. En la termodinámica, la masa y la energía suelen conservarse por separado.
Debido a la necesidad de un espacio cerrado y a la casi ubicuidad de la gravedad, los sistemas estrictamente aislados e idealmente no se dan en la realidad en experimentos o en la naturaleza. Aunque son muy útiles, son estrictamente hipotéticos. [1] [2] [3]
La termodinámica clásica suele presentarse como postulante de la existencia de sistemas aislados. También suele presentarse como fruto de la experiencia. Obviamente, no se ha descrito ninguna experiencia de un sistema idealmente aislado.
Sin embargo, es fruto de la experiencia que algunos sistemas físicos, incluso 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 el intento de explicar la idea de un acercamiento gradual al equilibrio termodinámico después de una operación termodinámica , con entropía creciente de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , el teorema H de Boltzmann utilizó ecuaciones , que asumían que un sistema (por ejemplo, un gas ) estaba aislado. Es decir, todos los grados de libertad mecánicos podían especificarse, tratando las paredes circundantes simplemente como condiciones de contorno especulares . Esto condujo a la paradoja de Loschmidt . Sin embargo, si se considera el comportamiento estocástico de las moléculas y la radiación térmica en paredes circundantes reales, entonces el sistema está en efecto en un baño de calor. Entonces puede justificarse la suposición de Boltzmann de caos molecular .
El concepto de sistema aislado puede servir como modelo útil para aproximarse a muchas situaciones del mundo real. Es una idealización aceptable que se utiliza para construir modelos matemáticos de ciertos fenómenos naturales ; por ejemplo, los planetas del Sistema Solar y el protón y el electrón de un átomo de hidrógeno suelen considerarse 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 imaginó Planck .
Planck estaba considerando el equilibrio radiativo térmico interno de un sistema termodinámico en una cavidad inicialmente desprovista de sustancia. No mencionó lo que imaginaba que rodeaba sus paredes perfectamente reflectantes y, por lo tanto, perfectamente conductoras. Presumiblemente, dado que son perfectamente reflectantes, aíslan la cavidad de cualquier efecto electromagnético externo. Planck sostenía que para el equilibrio radiativo dentro de la cavidad aislada, era necesario haber agregado a su interior una partícula 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 de ese modo alcanza el equilibrio termodinámico.
Roger Balian adopta un enfoque diferente . Para cuantificar la radiación en la cavidad, imagina que sus paredes, que aíslan la radiación, son perfectamente conductoras. Aunque no menciona masa en el exterior y parece, por el contexto, 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, puede ser solo la radiación, que de ese modo se reflejaría perfectamente. Sin embargo, para el problema del equilibrio térmico, considera paredes que contienen partículas cargadas que interactúan con la radiación dentro de la cavidad; dichas cavidades, por supuesto, no están aisladas, sino que pueden considerarse como si estuvieran en un baño de calor. [7]