Immer wieder taucht die Frage auf, warum bei chemischen Reaktionen bekannt sein sollte, wie die Reaktion mit ihrer Umgebung in Kontakt steht (beziehungsweise in welchem “System / Reaktionsraum” findet die Reaktion statt).
Warum ist die Antwort auf diese Frage so wichtig:
Betrachten wir uns hierzu folgende Reaktion: Wir verbrennen in einem (offenen) Glasgefäß ein Stück Holz (mit einer bestimmten Masse). Nach der Reaktion bleibt Asche als sichtbares Reaktionsprodukt übrig. Beim Bestimmen der Masse der Asche stellen wir fest, dass diese Masse deutlich geringer ist, als die Masse des ursprünglichen Holzes. Das offene Glasgefäß mit der Asche hat insgesamt eine geringere Masse, als das Glasgefäß mit dem ursprünglichen Holz. Würden wir die Verbrennung in einem geschlossenen Glasgefäß durchführen, hätten wir vor und nach der Reaktion die gleiche Gesamtmasse des “Reaktionssysteme”. Dies liegt daran, dass bei der Verbrennung von Holz Kohlenstoffdioxid gebildet wird, dass in einem offenen System aus dem “Reaktionsraum” (dem System) entweichen kann.
Damit Reaktionen durchgeführt und berechnet werden können, muss ein System für jede Betrachtung klar beschrieben werden. Dabei steht ein System immer mit der Umgebung in einer Beziehung (offenes, geschlossenes und abgeschlossenes System).
Ein offenes System kann mit seiner Umgebung sowohl Masse als auch Energie austauschen. m # const und E # const. In anderen Worten: Bei einem offenen System kann ein Stoffaustausch des Reaktionsraumes mit der Umgebung stattfinden, d. h. einzelne Stoffe können aus dem Reaktionsraum in die Umgebung entweichen oder aus der Umgebung in den Reaktionsraum “gelangen”.
Ein geschlossenes System lässt nur noch den Energieaustausch zu. m = const und E # const. In anderen Worten: Ein System wird als geschlossen bezeichnet, wenn ein Stoffaustausch mit der Umgebung unmöglich ist, aber zwischen dem System und der Umgebung ein Energieaustausch (beispielsweise Wärme) möglich ist.
Bei einem abgeschlossenen (isolierten) System ist sowohl der Masse- als auch der Energieaustausch unterbunden. m = const und E = const. In anderen Worten: ein System wird als abgeschlossen bezeichnet, wenn ein Stoffaustausch (bzw. Energieaustausch) mit der Umgebung unmöglich ist.
Darüber hinaus werden Vorgänge beschrieben, die eine Veränderung des Systems bzw. Reaktion bewirken.
Um auch über diese Prozesswege klare Aussagen machen zu können, werden Prozesse eingeteilt in :
Ein offenes System ist ein System, das in ständigem Austausch mit seiner Umgebung steht. Es kann sowohl Materie als auch Energie mit seiner Umgebung austauschen.
Ein geschlossenes System ist eins, das keinen Austausch von Materie mit seiner Umgebung zulässt, aber Energie kann ausgetauscht werden.
Ein Beispiel für ein offenes System könnte ein Teich sein, in den Wasser und Nährstoffe eindringen und daraus verdunsten können.
Ein Beispiel für ein geschlossenes System könnte eine Flasche Wasser sein, in die keine neue Materie eindringt, die jedoch Wärme aufnehmen und abgeben kann.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass ein offenes System sowohl Energie als auch Materie mit seiner Umgebung austauscht, während ein geschlossenes System nur Energie austauscht.
Offene Systeme beeinflussen ihre Umgebung und werden von ihr beeinflusst durch den kontinuierlichen Austausch von Energie und Materie.
Änderungen der Energie können dazu führen, dass sich Zustände in geschlossenen Systemen ändern, da diese Systeme Energie mit ihrer Umgebung austauschen können.
Biologische Systeme sind offene Systeme, da sie kontinuierlich Energie und Materie mit ihrer Umgebung austauschen (z.B. Nahrungsaufnahme, Atmung, Ausscheidung).
Das Verständnis, ob ein System offen oder geschlossen ist, hilft uns dabei, besser zu verstehen, wie Ökosysteme funktionieren und interagieren und wie Veränderungen in einem Teil des Systems das gesamte System beeinflussen können.
In der Thermodynamik werden offene und geschlossene Systeme verwendet, um zu untersuchen und zu verstehen, wie Energie und Materie in verschiedenen Systemen fließen und um Prozesse wie Wärmeübertragung und chemische Reaktionen zu verstehen.