孤立系统是热力学中描述与外界无物质和能量交换的理想化模型，其定义和特性如下：

一、基本定义

孤立系统（Isolated System）是指在热力学过程中，既没有物质交换（即系统内物质总量保持不变）也没有能量交换（即系统内能量守恒）的系统。这种系统与外界完全隔离，其内部变化完全由内部因素驱动。

二、与封闭系统的区别

物质交换

- 隔离系统：无物质交换

- 封闭系统：仅有能量交换，无物质交换

- 例如：一个密封容器中的气体（封闭系统）与外界无物质交换，但可通过热交换改变温度（开放系统）。

能量交换

- 隔离系统：无能量交换

- 封闭系统：可进行能量交换（如热传导、做功）

- 例如：地球大气层可视为封闭系统，与太阳有能量交换但无物质交换。

三、现实中的近似系统

在现实世界中，完全孤立的系统不存在，但某些系统在特定条件下可近似为孤立系统。例如：

气球内气体（短时间内可视为孤立系统）

暗室中的钻石（短期内能量交换可忽略）

生物体（通过代谢与外界交换物质，但代谢活动可视为内部能量转换）

四、重要特性

能量守恒

孤立系统内的能量变化仅由内部相互作用引起，符合能量守恒定律。

熵的变化

根据热力学第二定律，孤立系统的熵（代表无序度）只会增加或保持不变，系统将自发向均匀无序状态演化。

应用领域

孤立系统模型在理论物理、化学平衡分析及工程控制等领域有重要应用，例如：

- 热力学分析（如熵增原理）

- 生物系统中的能量流动模拟

- 工程系统中的稳定性研究。

五、总结

孤立系统是理论物理中的理想化模型，用于简化复杂系统的分析。其核心特征是“无物质和能量交换”，但可通过定义大系统边界将其应用于现实世界的近似分析。