Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы

Из первого закона термодинамики и вытекающих из него закономерностей обмена энергией между телами при различных процессах нельзя сделать вывода о том, возможен ли, вообще говоря, данный процесс и в каком направлении он протекает.

Между тем реальные процессы протекают в определенном направлении и, как правило, не изменив условий, нельзя заставить процесс пойти в обратном направлении, «повернуть вспять». Поэтому очень важной для науки и техники является возможность предвидеть направление того или иного процесса.

Реальные процессы являются неравновесными процессами.

Неравновесные процессы (непосредственный переход теплоты от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, превращение работы в теплоту при трении, смешение двух газов, взрыв гремучего газа и др.) протекают с конечной, иногда большой скоростью; при этом система, являющаяся неравновесной, изменяясь, приближается к равновесию. С наступлением равновесия процесс заканчи­вается (например, сравняются температуры тел, обменивающихся энергией в форме теплоты; механическое движение благодаря трению прекратится и полностью перейдет в молекулярное движение; два газа в результате смешения дадут равномерную смесь и т. д.).

Очевидно, что все неравновесные процессы протекают в направлении достижения равновесия и протекают «сами собой», т. е. без воздействия внешней силы. Очевидно также, что обратные по направлению процессы (переход теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, самопроизвольное разделение компонентов газовой смеси и т. д.) будут удалять систему от равновесия и без внешнего воздействия, «сами собой» не могут пойти. Перечисленные выше процессы и им подобные, протекающие сами собой и приближающие систему к равновесию, являются самопроизвольными, они называются также положительными. Процессы, которые не могут протекать сами собой, без воздействия извне, удаляющие систему от равновесия, это – несамопроизвольные процессы, называемые также отрицательными. В изолированной системе, где исключены внешние воздействия, могут протекать только самопроизвольные (положительные) процессы.

Таким образом, по эмпирическому признаку – возможности протекания процесса, без сопровождения каким-либо другим процессом, все реальные процессы делятся на два типа – положительные и отрицательные. Равновесные процессы очевидно лежат на границе между указанными двумя классами процессов, не относясь к какому-либо из них (вернее, соединяя в себе процессы обоих типов).

Обратимым процессом называется равновесный процесс, который в прямом и обратном направлениях протекает через одни и те же промежуточные состояния.

Если имеется возможность по какому-либо признаку отнести любой интересую­щий нас процесс к типу самопроизвольных процессов, а обратный – к несамопроизволь­ным, не испытывая на опыте возможность того или другого, то можно предсказать направление процесса. Эту возможность нам даёт второй закон термодинамики.