Введение
Физические системы, не взаимодействующие с другими частями Вселенной
the song
В физической науке изолированная система – это либо: физическая система, настолько удалённая от других систем, что не взаимодействует с ними, либо термодинамическая система, окружённая жёсткими неподвижными стенками, через которые не могут проходить ни масса, ни энергия. Хотя изолированная система подвержена собственной гравитации, обычно считается, что она находится вне досягаемости внешних гравитационных и других сил дальнего действия. Это противопоставляется тому, что (в более распространённой терминологии, используемой в термодинамике) называется замкнутой системой – системой, окружённой селективными стенками, через которые энергия может проходить в виде тепла или работы, но не материя, и открытой системе, в которую могут входить или выходить как материя, так и энергия, хотя её границы могут иметь различные непроницаемые участки. Изолированная система подчиняется закону сохранения, согласно которому её общая энергия-масса остаётся постоянной. Чаще всего в термодинамике масса и энергия рассматриваются как отдельно сохраняющиеся величины. В силу требования замкнутости и почти повсеместного присутствия гравитации, строго и идеально изолированные системы фактически не встречаются в экспериментах или в природе. Хотя они очень полезны, они являются строго гипотетическими. Классическая термодинамика обычно представляется как постулирующая существование изолированных систем и как результат опыта. Очевидно, что опыт существования идеально изолированной системы не был получен. Однако опыт показывает, что некоторые физические системы, включая изолированные, действительно достигают собственного состояния внутреннего термодинамического равновесия. Классическая термодинамика постулирует существование систем, находящихся в собственном состоянии внутреннего термодинамического равновесия. Этот постулат – очень полезная идеализация. В попытке объяснить идею постепенного подхода к термодинамическому равновесию после термодинамической операции, при которой энтропия возрастает в соответствии со вторым законом термодинамики, теорема H Больцмана использовала уравнения, предполагавшие, что система (например, газ) была изолирована. То есть, все механические степени свободы могли быть определены, рассматривая ограждающие стенки просто как зеркальные граничные условия. Это привело к парадоксу Лошмидта. Однако, если учитывать стохастическое поведение молекул и теплового излучения в реальных ограждающих стенках, то система фактически находится в тепловой ванне, что оправдывает предположение Больцмана о молекулярном хаосе. Концепция изолированной системы может служить полезной моделью, аппроксимирующей многие реальные ситуации. Это допустимая идеализация, используемая при построении математических моделей определённых природных явлений; например, планеты в Солнечной системе и протон и электрон в атоме водорода часто рассматриваются как изолированные системы. Но время от времени атом водорода взаимодействует с электромагнитным излучением и переходит в возбуждённое состояние.
a physical system so far removed from other systems that it does not interact with them. a thermodynamic system enclosed by rigid immovable walls through which neither mass nor energy can pass. Though subject internally to its own gravity, an isolated system is usually taken to be outside the reach of external gravitational and other long range forces. This can be contrasted with what (in the more common terminology used in thermodynamics) is called a closed system, being enclosed by selective walls through which energy can pass as heat or work, but not matter; and with an open system, which both matter and energy can enter or exit, though it may have variously impermeable walls in parts of its boundaries. An isolated system obeys the conservation law that its total energy–mass stays constant. Most often, in thermodynamics, mass and energy are treated as separately conserved. Because of the requirement of enclosure, and the near ubiquity of gravity, strictly and ideally isolated systems do not actually occur in experiments or in nature. Though very useful, they are strictly hypothetical. Classical thermodynamics is usually presented as postulating the existence of isolated systems. It is also usually presented as the fruit of experience. Obviously, no experience has been reported of an ideally isolated system. It is, however, the fruit of experience that some physical systems, including isolated ones, do seem to reach their own states of internal thermodynamic equilibrium. Classical thermodynamics postulates the existence of systems in their own states of internal thermodynamic equilibrium. This postulate is a very useful idealization. In the attempt to explain the idea of a gradual approach to thermodynamic equilibrium after a thermodynamic operation, with entropy increasing according to the second law of thermodynamics, Boltzmann’s H theorem used equations, which assumed a system (for example, a gas) was isolated. That is, all the mechanical degrees of freedom could be specified, treating the enclosing walls simply as mirror boundary conditions. This led to Loschmidt's paradox. If, however, the stochastic behavior of the molecules and thermal radiation in real enclosing walls is considered, then the system is in effect in a heat bath. Then Boltzmann’s assumption of molecular chaos can be justified. The concept of an isolated system can serve as a useful model approximating many real world situations. It is an acceptable idealization used in constructing mathematical models of certain natural phenomena; e. g., the planets in the Solar System, and the proton and electron in a hydrogen atom are often treated as isolated systems. But, from time to time, a hydrogen atom will interact with electromagnetic radiation and go to an excited state.
Радиационная изоляция
Для радиационной изоляции стены должны быть идеально проводящими, чтобы идеально отражать излучение внутри полости, как, например, представлял себе Планк. Он рассматривал внутреннее тепловое радиационное равновесие термодинамической системы в полости, изначально лишенной вещества. Он не упомянул, что, по его мнению, окружает его идеально отражающие и, следовательно, идеально проводящие стены. Вероятно, поскольку они идеально отражают излучение, они изолируют полость от любого внешнего электромагнитного воздействия. Планк считал, что для достижения радиационного равновесия в изолированной полости необходимо добавить в её внутреннюю часть частицу углерода. Если полость с идеально отражающими стенами содержит достаточно радиационной энергии для поддержания температуры космологических масштабов, то частица углерода не нужна, поскольку излучение генерирует частицы вещества, такие как, например, электрон-позитронные пары, и тем самым достигает термодинамического равновесия. Роджер Балиан придерживается иного подхода. Для квантования излучения в полости он представляет свои радиационно изолирующие стены как идеально проводящие. Хотя он не упоминает о массе вне полости и, судя по контексту, предполагает, что внутреннее пространство полости лишено массы, он допускает, что некий фактор вызывает токи в стенах. Если этот фактор находится внутри полости, то это может быть только излучение, которое, таким образом, будет идеально отражаться. Однако для задачи теплового равновесия он рассматривает стены, содержащие заряженные частицы, взаимодействующие с излучением внутри полости; такие полости, конечно, не изолированы, но могут рассматриваться как находящиеся в тепловой ванне.