Обратимые и равновесные процессы

В термодинамике обратимыми называются процессы, в результате совершения которых в прямом и обратном направлениях термодинамическая система возвращается в исходное состояние. При этом совокупность прямого и обратного процессов не вызывает в окружающей среде никаких изменений.

Определение обратимости процесса состоит в следующем. Допустим, что в термодинамической системе протекает некий процесс от начального состояния 1 до конечного 2. В этом процессе система проходит ряд состояний. К ней может подводиться и отводиться энергия. Процесс будет называться обратимым, если из состояния 2 можно будет вернуться в состояние 1 таким образом, что в окружающей среде после процессов 1 – 2 и 2 – 1 не останется никаких изменений. В частности, окружающей среде будет возвращена вся энергия, которую система получила в процессе 1 – 2.

Необратимыми называются процессы, при проведении которых в прямом и обратном направлениях система и/или окружающая среда не возвращаются в исходное состояние.

Примеры необратимых процессов:

• Процессы с трением. Работа, затрачиваемая на преодоление трения, необратимо превращается в теплоту трения.

• Процессы передачи теплоты от горячего тела к холодному при конечной разности температур между ними. Самопроизвольно, без затраты работы из окружающей среды, теплота не будет переходить обратно от холодного тела к горячему.

• Процесс расширения газа в пустоту. После такого расширения газ, сам собой, без затраты работы из окружающей среды, не сожмётся до первоначального объёма.

Практика показывает, что все равновесные процессы одновременно являются и обратимыми (за редкими исключениями, которые всегда оговариваются отдельно). Верно и обратное. Все неравновесные процессы одновременно являются необратимыми.

Примечание:

Строго говоря, все реальные процессы в макроскопических масштабах являются необратимыми. Однако, практически, при проведении расчётов, многие процессы приближенно можно считать термодинамически обратимым. Иногда их называют квазиравновесными – то есть б у д т о б ы р а в н о в е с н ы м и. Оценки показывают, что погрешность расчётов, возникающая из-за этого допущения, обычно является несущественной.

Примеры квазиравновесных (обратимых) процессов:

• Процесс плавления – фазового перехода твёрдой фазы вещества в жидкую. Если от расплава отвести такое количество теплоты, которое было затрачено на получение жидкой фазы, то всё вещество снова станет твёрдым.

• Процесс кипения – фазового перехода жидкой фазы вещества в газообразную (с аналогичной аргументацией).