O conceito de sistemas abertos, fechados e isolados é amplamente utilizado em várias áreas do conhecimento, incluindo física, biologia, engenharia, ciência da computação e administração. Esses sistemas representam diferentes níveis de interação com o ambiente externo e têm implicações importantes para a compreensão do funcionamento e das propriedades dos sistemas.
Se denomina sistema termodinámico qualquer conjunto de objetos que seja conveniente considerar como uma unidade e que possa trocar energia com seu entorno. Desta forma, o estudo dos fenômenos que ocorrem em um sistema termodinâmico pode ser reduzido à análise de uma série de variáveis mais ou menos simples.
No estudo da termodinâmica e da física em geral, é comum classificar os sistemas em três categorias: abertos, fechados e isolados. Essas classificações são baseadas na interação do sistema com seu ambiente e nas trocas de energia e matéria. Neste artigo, exploraremos cada tipo de sistema e suas características distintas.
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Sistema Aberto
Um sistema aberto é aquele que pode trocar energia e matéria com o ambiente externo. Isso significa que tanto a entrada quanto a saída de energia e matéria são permitidas. Um exemplo prático de sistema aberto é uma panela com água fervendo. Nesse caso, o vapor de água pode escapar para o ambiente e, ao mesmo tempo, a água pode receber calor do fogão.
Sistema Fechado
Um sistema fechado é aquele que permite a troca de energia com o ambiente externo, mas não permite a troca de matéria. Isso significa que o sistema pode receber ou liberar energia na forma de calor ou trabalho, mas a quantidade total de matéria dentro do sistema permanece constante. Um exemplo comum de sistema fechado é um cilindro de um motor de combustão interna, onde a energia é transferida para dentro e para fora do sistema por meio da combustão do combustível, mas nenhum novo material é adicionado ou removido.
Sistema Isolado
Um sistema isolado é aquele que não permite a troca de energia nem de matéria com o ambiente externo. Isso significa que o sistema é totalmente fechado e não interage com o ambiente de forma alguma. Um exemplo de sistema isolado é um termosfrasco perfeitamente isolado, onde nenhuma troca de calor ou matéria é possível.
Comparação dos Sistemas
A tabela abaixo resume as características dos sistemas aberto, fechado e isolado:
| Tipo de Sistema | Troca de Energia | Troca de Matéria |
|---|---|---|
| Aberto | Sim | Sim |
| Fechado | Sim | Não |
| Isolado | Não | Não |
Obedecendo ao grau de isolamento que estes sistemas apresentam em relação ao seu ambiente, é possível reconhecer três tipos diferentes :
- Sistemas Abertos . São os mais predominantes de todos, caracterizam-se por trocar energia e/ou matéria com o meio que os cerca, seja levando-o para ele e/ou expulsando-o. Um sistema aberto é aquele que interage continuamente com seu ambiente externo, trocando energia e matéria. Isso significa que o sistema pode receber entrada de energia ou matéria do ambiente e enviar saída de energia ou matéria para o ambiente. Um exemplo comum de um sistema aberto é uma planta, que recebe energia solar e nutrientes do solo e libera oxigênio e dióxido de carbono para o ambiente. Outro exemplo é uma empresa, que recebe recursos financeiros, humanos e materiais do ambiente externo e produz bens e serviços que são vendidos no mercado.
- Sistemas Fechados . Eles trocam energia (calor, trabalho) com o exterior, mas nunca importam (sua massa permanece intacta). Um sistema fechado é aquele que não troca energia ou matéria com o ambiente externo. Nesse tipo de sistema, as entradas e saídas são limitadas e o sistema opera dentro de limites definidos. Um exemplo de um sistema fechado é um recipiente hermeticamente fechado contendo um gás. O gás não pode escapar e não há entrada ou saída de matéria ou energia do sistema.
- Sistemas Isolados. Eles não trocam energia ou matéria de nenhum tipo com seu ambiente, são considerados sistemas desconectados da dinâmica ao seu redor. Sistemas totalmente isolados não existem realmente no universo, por isso são considerados casos de abstração em determinados períodos de tempo. Deveriam equilíbrio termodinâmico. Um sistema isolado é aquele que não troca energia ou matéria com o ambiente externo e também não é afetado por ele. Isso significa que o sistema está completamente isolado do ambiente e é independente dele. Um exemplo de um sistema isolado é um universo teórico perfeito, que não tem interação com nenhum outro universo ou realidade.
Exemplos de sistemas abertos
Um exemplo de sistema aberto pode ser encontrado em um ecossistema natural, onde as plantas, animais e microorganismos interagem constantemente com o ambiente ao seu redor. Nesse tipo de sistema, há trocas de energia e matéria com o exterior, permitindo que haja um fluxo contínuo de informações e recursos.
Em uma empresa que adota uma política de inovação aberta, temos outro exemplo de sistema aberto. Nesse contexto, a empresa busca parcerias e colaborações com outras organizações, universidades e até mesmo clientes para desenvolver novos produtos e serviços, ampliando assim suas oportunidades de crescimento e aprendizado.
Outro exemplo de sistema aberto pode ser observado em um fórum online, onde os usuários podem contribuir com informações, ideias e opiniões de forma colaborativa. Essa interação constante entre os participantes cria um ambiente dinâmico e rico em conteúdo, permitindo que novas perspectivas e soluções surjam a partir da diversidade de pontos de vista.
Na área da saúde, os hospitais que integram seus sistemas de informação com outras instituições de saúde e laboratórios representam um exemplo de sistema aberto. Essa interoperabilidade facilita o compartilhamento de dados dos pacientes, agilizando o atendimento e melhorando a qualidade dos serviços prestados.
- O corpo humano. Necessitando de matéria para obtenção de energia, o corpo é um sistema aberto que requer a troca com o meio de insumos orgânicos, inorgânicos e de energia para seu funcionamento.
- Uma panela de água fervente. A energia introduzida no sistema pelo fogo transforma a água em gás, que é liberado no meio ambiente.
- Uma fogueira. Para manter o fogo aceso é necessário abastecer a fogueira com material inflamável, por exemplo carvão ou galhos secos. Sem essa matéria para consumir, o fogo se apagará.
- Um motor de combustão. Os motores são sistemas complexos que geram movimento a partir de um fornecimento constante de combustível: gasolina, diesel, etc.
- A maioria das plantas. As plantas requerem matéria para sua subsistência (na forma de água e nutrientes) e energia (solar) para realizar a fotossíntese vital.
- Un compostero. O processo de composto que produz adubo para adubar as lavouras opera com base na introdução constante no composto de resíduos de matéria orgânica: cascas, restos de comida, etc. Sem eles, parariam os processos de degradação da matéria e também a produção de fertilizantes.
- As saunas. Para produzir o vapor contido nas saunas, é necessária água (matéria) e energia (fogo) para produzir o vapor d’água e permitir que ele se acumule na área fechada. Após um período, o vapor desaparecerá e será necessária uma nova injeção de insumos no sistema.
- Um reator nuclear. A eletricidade gerada pelo reator é produto da fissão do urânio (ou de outros elementos) em uma reação atômica controlada que gera muita energia utilizável, mas também resíduos tóxicos que devem ir parar em algum lugar do meio ambiente.
Exemplos de sistemas fechados
Um exemplo clássico de sistema fechado é um termoossifônico. Este sistema consiste em um circuito fechado de tubos que transporta água entre um tanque de armazenamento e um coletor solar, onde a água é aquecida pela radiação solar.
Outro exemplo de sistema fechado é um termoacumulador. Este equipamento armazena água quente em um tanque isolado termicamente, mantendo-a aquecida por um longo período de tempo sem a necessidade de recarga constante.
Os sistemas de refrigeração fechados também são um exemplo de sistema fechado. Eles operam em um circuito fechado de fluido refrigerante, que é comprimido, resfriado e expandido para remover o calor de um ambiente e dissipá-lo em outro.
Por fim, um aquário com um filtro fechado é um exemplo de sistema fechado na prática. A água do aquário passa pelo filtro, que remove impurezas e devolve a água limpa, mantendo o equilíbrio químico do ambiente fechado.
- Uma garrafa de água fria exposta à temperatura ambiente. Como a garrafa está fechada, a transferência de matéria entre o sistema e o ambiente é impossível: nenhum líquido pode entrar ou sair. Porém, é possível trocar energia – a água vai esquentando gradativamente.
- Um termômetro. Por ser hermeticamente fechado, o conteúdo de um termômetro nunca varia, mas reage de acordo com a temperatura que percebe, ou seja, é sensível à entrada de calor (energia).
- O sol. Desconsiderando a matéria que ele transforma em energia, o sol é um exemplo de sistema fechado, que não troca matéria com o meio, mas troca energia (radiação solar, luz solar, calor).
- O planeta Terra. A Terra opera sem trocas de matéria com relação ao vácuo que a cerca ou com os demais planetas e objetos celestes, mas recebe constantemente energia solar, sem a qual a vida seria improvável.
- Um recipiente com comida quente. Selado hermeticamente, o recipiente impedirá que a matéria de dentro saia ou que nada entre, mas ainda irradiará calor do alimento para o exterior.
- Televisões. Esses artefatos funcionam a partir do consumo de energia elétrica, para emitir luz de diversos tipos e modulações, juntamente com ondas sonoras, para o ambiente externo. Mas eles não requerem injeção de matéria, nem a massa dentro deles é alterada.
- Panelas de pressão. Não permitem a fuga dos gases gerados no seu interior para que atuem nos alimentos que estão a ser cozinhados. Por isso, as panelas de pressão funcionam como sistemas fechados que impedem que a matéria escape, mas não a energia que sai na forma de calor ou a energia necessária para iniciar o cozimento, também vinda de fora.
Exemplos de sistemas isolados
- Um cofre. O conteúdo dos cofres é separado por espessas camadas herméticas de metal de seu entorno, isolado de matéria e energia, pelo menos em condições normais: se o jogarmos em um vulcão, é certo que derreterá e incinerará seu conteúdo.
- Roupas de neoprene. O uso dessas roupas protege por um período de tempo da troca de calor entre a água e o corpo e impede que ela (matéria) penetre em seu interior.
- A garrafa térmica. Por um certo tempo, as garrafas térmicas conseguem isolar o calor contido em seu interior e impedir o vazamento e a entrada de energia e matéria.
- Um dissipador de calor. As caves funcionam com base na redução extrema da entrada de calor, mantendo o seu conteúdo frio durante um determinado período. Uma vez excedido esse intervalo de tempo, o conteúdo começará a aquecer.
- Iglus dos esquimós. Eles são projetados de forma que nem calor nem matéria entrem ou saiam.
- Uma garrafa de gás. Contido sob pressão em seu interior, o gás fica isolado da matéria e da energia ao seu redor em condições normais, pois é possível que o aquecimento do cilindro force a expansão do gás e ocorra uma tragédia.
- O universo. O universo é um sistema isolado, pois nada entra ou sai dele, nem matéria nem energia.
- Comida enlatada. Em condições normais, esses alimentos estão longe de qualquer troca de matéria ou energia. Claro, seria possível aquecer ou resfriar a lata, e até derretê-la em temperaturas extremas, mas mesmo assim por alguns (breves) momentos a comida ficará completamente isolada do calor.
- Uma câmara hiperbárica. Úteis para isolar mergulhadores com bolhas de nitrogênio no sangue das condições atmosféricas, as câmaras hiperbáricas não permitem a troca de matéria ou energia, ou pelo menos não em quantidades apreciáveis e significativas.
Diferença entre Sistema Aberto, Fechado E Isolado
A diferença entre esses três tipos de sistemas tem implicações importantes para sua dinâmica e propriedades. Sistemas abertos são mais suscetíveis a mudanças no ambiente externo, o que pode afetar seu funcionamento e estabilidade. Por outro lado, sistemas fechados e isolados têm uma maior estabilidade, mas são limitados em sua capacidade de se adaptar a mudanças no ambiente externo.
A classificação de um sistema como aberto, fechado ou isolado depende de sua capacidade de interagir com o ambiente externo. Essa classificação é útil para entender como um sistema funciona e como ele é afetado por mudanças no ambiente. Compreender essas diferenças é fundamental para desenvolver estratégias eficazes de gestão de sistemas em vários campos do conhecimento.