Un sistema termodinamico o semplice è una porzione di spazio materiale, separata dal resto dell'universo termodinamico (ovvero dall'ambiente esterno) mediante una superficie di controllo (o confine) reale o immaginaria, rigida o deformabile; può essere sede di trasformazioni interne e scambi di materia e/o di energia con l'ambiente esterno (ovvero tutto ciò di esterno al sistema che interagisce con esso).

Esistono tre tipi principali di sistemi termodinamici: aperto, chiuso e isolato.^[1] In particolare:

• un sistema si dice aperto se consente un flusso con l'ambiente esterno, sia di massa sia di energia (tramite calore e/o lavoro e/o altra forma di energia), attraverso il suo confine;^[2] un esempio di sistema aperto è una piscina piena d'acqua, in cui l'acqua può entrare o uscire dalla piscina e può essere riscaldata da un sistema di riscaldamento e raffreddata dal vento;
• un sistema si dice chiuso se consente un flusso di energia con l'ambiente esterno, attraverso il suo confine, (tramite calore e/o lavoro e/o altra forma di energia), ma non di massa;^[2] ne è un esempio una bombola tenuta chiusa da una valvola, che può scaldarsi o raffreddarsi ma non perde massa (mentre la stessa bombola si comporta da sistema aperto se apriamo la valvola);
• un sistema si dice adiabatico quando non scambia calore con l'ambiente;^[2]
• un sistema si dice parzialmente isolato se consente un flusso di massa con l'ambiente esterno, attraverso il suo confine, ma non di energia;^[3]
• inoltre, un sistema si dice isolato se non permette un flusso né di energia né di massa con l'ambiente esterno.^[2]

Ognuno di questi sistemi può essere schematizzato ancora per la sua complessità interna, ovvero la possibilità di venire suddiviso in sottosistemi minori; otterremo così che un sistema aperto, aperto adiabatico, chiuso, chiuso adiabatico e isolato possono essere:

• semplici: un sistema è semplice se è delimitato da un confine, internamente al quale non esistono altre pareti;
• composti: un sistema è composto se è delimitato da un confine, internamente al quale esistono altre pareti.

Un sistema termodinamico si può vedere da un punto di vista macroscopico e microscopico.

• Non si fanno ipotesi sulla struttura del sistema.
• Le grandezze necessarie per descriverlo sono in piccolo numero: pressione, volume, temperatura, quantità del gas.
• Sono percepibili dai nostri sensi.
• Esiste l'equazione di stato del gas ideale, che è particolarmente semplice e versatile; inoltre altre equazioni di trasformazione permettono di calcolare facilmente le energie e la massa scambiati.

È una descrizione più complicata, affrontata a livello macroscopico; però normalmente le trasformazioni non sono ideali e l'approccio richiede una preparazione di base più ampia.

• Occorre fare numerose ipotesi sulla struttura del sistema, che è composto da diverse sostanze in diverse fasi.
• Le grandezze sono in numero grande.
• A volte le cause e gli effetti degli attriti sfuggono alla percezione.
• Sono composti da molti elementi che interagiscono, a volte in modo complesso.
• A volte è necessaria la competenza matematica di trattare con numeri molto grandi.

È una descrizione più complicata, l'approccio richiede una preparazione di base più ampia, di solito richiede basi di termodinamica statistica.

• Occorre fare numerose ipotesi sulla struttura del sistema, che composto da diverse sostanze in diverse fasi.
• Le grandezze sono in numero grande.
• A volte le cause e gli effetti degli attriti sfuggono alla percezione.
• Sono composti da molti elementi che interagiscono in modo indipendente.
• A volte è necessaria la competenza matematica di trattare con numeri molto grandi o con concetti abbastanza astratti.

A volte questo livello viene chiamato "microscopico", però gli atomi le molecole non sono visibili al microscopio; inoltre, al livello molecolare è quasi sempre importante il principio di indeterminazione di Heisenberg.

Per descrivere macroscopicamente un gas ideale nel cilindro basta tenere conto di pressione, temperatura, quantità del gas e volume.

Per descrivere un sistema molecolare occorre considerare le molecole e gli atomi e descrivere matematicamente tutte le posizioni che esse assumono man mano che cambiano la pressione, il volume e la temperatura, tenendo conto del principio di indeterminazione, che rende statistico il comportamento del sistema e dei suoi componenti elementari.

La superficie di controllo (più comunemente detta confine, o parete), è quell'entità, materiale o puramente geometrica, che separa il sistema dall'ambiente esterno; un esempio di parete materiale è la superficie di una bombola (solitamente di ghisa), mentre un esempio di parete geometrica è la superficie di contatto tra aria e acqua in un bicchiere (o anche tra acqua e bicchiere).

La parete di un sistema termodinamico può essere classificata per tre parametri essenziali: permeabilità, rigidità e termicità.

La parete può essere:

• impervia: non permette un flusso di materia (massa);
• porosa: permette un flusso di materia, anche selettivamente (come suggerisce il nome).

La parete può essere:

• rigida: non permette variazioni di volume, quindi di lavoro;
• mobile: permette variazioni di volume, quindi di lavoro.

La parete può essere:

• adiabatica: non permette uno scambio di calore;
• diatermica: permette lo scambio di calore.

I sistemi termodinamici sopraelencati non sono altro che una combinazione di queste proprietà:

• sistema aperto: parete porosa, mobile e diatermica
  • sistema aperto adiabatico: parete porosa, mobile e adiabatica
• sistema chiuso: parete impervia, mobile e diatermica
  • sistema chiuso adiabatico: parete impervia, mobile e adiabatica
• sistema isolato: parete impervia, rigida e adiabatica.

• (EN) Ricardo Morales-Rodriguez, Thermodynamics - Fundamentals and Its Application in Science, InTech, 2012, ISBN 978-953-51-0779-8.
• Paolo Silvestroni, Fondamenti di chimica, 10ª ed., CEA, 1996, ISBN 88-408-0998-8.

• Sistema semplice comprimibile
• Ambiente (termodinamica)
• Stato termodinamico

Portale Termodinamica: accedi alle voci di Teknopedia che trattano di termodinamica