閉鎖系と開放系の大きな違いは、閉鎖系では物質が周囲の環境と交換されないのに対し、開放系では物質とエネルギーの両方が周囲の環境と交換される点である。

化学の分野では、宇宙を「システム」と「周囲」の2つに分けて考えることができる。システムとは、生物であったり、反応容器であったり、あるいは細胞であったりする。システムとその周囲の間には境界線がある。この境界線によって、システムの範囲が決まります。この境界線を介して物質やエネルギーが交換されることもある。システムは、システム間の相互作用や、行われる交換の種類によって区別することができます。さらに、これらのシステムをオープンシステムとクローズドシステムに分類することができます。

カタログ

1. 概要と主な相違点 2. クローズドシステムとは 3. オープンシステムとは 4. 横並び比較 - 表形式でのクローズドシステムとオープンシステム 5. まとめ

閉じた系は何ですか？

境界を越えて物質が移動しない場合、そのような系を閉鎖系と呼ぶ。しかし、閉じた系では、周囲とエネルギーが交換される。閉鎖系にある物質は常に同じものである。反応が起きると、系が膨張したり、温度が低ければ周囲にエネルギーを伝えたりすることができる。例えば、ピストンで流体を圧縮する場合、それは閉鎖系である。そこでは、流体の質量は変化しないが、体積は変化する可能性がある。

図01：周囲と接するシステム、その境界線

孤立した系は、閉じた系でもある。しかし、周囲と機械的にも熱的にも接触しない点で、閉鎖系とは異なる。孤立した系は、時間とともに圧力や温度などの差が均衡し、熱力学的に平衡に達する。

オープンシステム（開放型システム）は何ですか？

開放系では、物質とエネルギーは、システムとその周囲の境界を通過して移動する。オープンであるがゆえに、常に周囲と相互作用しているのです。例えば、私たちの身体はオープンシステムです。開放系では、エネルギーの流れをコントロールすることは難しい。また、エネルギーバランスも難しい。開放型なので、質量は必ずしも一定ではなく、体積が一定になる。

図01：熱力学の第一法則：開放系

熱力学の第一法則は開放系に関係するものである。開放系の内部エネルギーを表現している。システムに仕事をさせたり、加熱したりすることで、システムの内部エネルギーを変化させることができます。開放系の内部エネルギーの変化は、（加熱や仕事によって）系に加える必要のあるエネルギーから、物質の流出や系に加えられた仕事によるエネルギー損失を差し引いたものに等しくなります。

クローズドシステムとオープンシステムの違い

もし、境界を越えて物質が移動しないのであれば、そのような系は閉じた系となる。しかし、開放系では、物質もエネルギーも周囲との境界を通過して移動する。したがって、閉鎖系と開放系の決定的な違いは、閉鎖系が周囲との間で物質の交換を許さないのに対し、開放系はそれを許さないということである。また、閉じた系と開いた系のもう一つの違いは、閉じた系の質量は一定であるのに対し、開いた系の質量は可変であることです。

さらに、クローズドシステムとオープンシステムには、制御要因の違いがあります。つまり、クローズドシステムとは異なり、オープンシステムではエネルギーの流れなどをコントロールすることが難しいのです。

概要 - クローズドシステム vs. オープンシステム

システムは、それが発生する周辺環境の一部である。システムとその周囲との接触には、さまざまな種類があります。このように、システムには「オープンシステム」と「クローズドシステム」の2つがあります。閉鎖系と開放系の大きな違いは、閉鎖系では物質が周囲と交換されないのに対し、開放系では物質とエネルギーの両方が周囲と交換される点である。

引用

1歌詞。"A System and its Surroundings," Chemical Playbook, lyrics, 21 July 2016. available here.