В термодинамике обратимый процесс — это процесс , в котором участвует система и ее окружение , направление которого может быть изменено на противоположное при бесконечно малых изменениях некоторых свойств окружающей среды, таких как давление или температура. [1] [2] [3]
На протяжении всего обратимого процесса система находится в термодинамическом равновесии , как физическом, так и химическом, и почти в равновесии давления и температуры с окружающей средой. Это предотвращает появление несбалансированных сил и ускорение движущихся границ системы, что, в свою очередь, позволяет избежать трения и других рассеяний.
Для поддержания равновесия обратимые процессы происходят крайне медленно ( квазистатические ). Процесс должен происходить достаточно медленно, чтобы после некоторого небольшого изменения термодинамического параметра физические процессы в системе имели достаточно времени для того, чтобы другие параметры самонастраивались в соответствии с новым, измененным значением параметра. Например, если контейнер с водой находился в комнате достаточно долго, чтобы соответствовать постоянной температуре окружающего воздуха, то для того, чтобы небольшое изменение температуры воздуха стало обратимым, вся система воздуха, воды и контейнера должна долго ждать. достаточно, чтобы контейнер и воздух приобрели новую, соответствующую температуру, прежде чем произойдет следующее небольшое изменение. [a] Хотя процессы в изолированных системах никогда не являются обратимыми, [3] циклические процессы могут быть обратимыми или необратимыми. [4] Обратимые процессы являются гипотетическими или идеализированными, но занимают центральное место во втором законе термодинамики . [3] Таяние или замерзание льда в воде является примером реального процесса, который практически обратим.
Кроме того, чтобы процесс считался обратимым, система должна постоянно находиться в (квазистатическом) равновесии с окружающей средой и не должно быть никаких диссипативных эффектов, таких как трение. [5]
Обратимые процессы полезны в термодинамике, поскольку они настолько идеализированы, что уравнения для теплоты и работы расширения/сжатия просты. [6] Это позволяет анализировать модельные процессы , которые обычно определяют максимальную эффективность, достижимую в соответствующих реальных процессах. Другие приложения используют тот факт, что энтропия и внутренняя энергия являются функциями состояния , изменение которых зависит только от начального и конечного состояний системы, а не от того, как произошел процесс. [6] Следовательно, изменение энтропии и внутренней энергии в реальном процессе можно довольно легко рассчитать, анализируя обратимый процесс, соединяющий реальные начальное и конечное состояния системы. Кроме того, обратимость определяет термодинамическое условие химического равновесия .
Термодинамические процессы могут осуществляться одним из двух способов: обратимо или необратимо. Идеальный термодинамически обратимый процесс не имеет диссипативных потерь, и поэтому величина работы , выполняемой системой или над ней , будет максимальной. Однако неполное преобразование тепла в работу в циклическом процессе относится как к обратимым, так и к необратимым циклам. Зависимость работы от пути термодинамического процесса также не связана с обратимостью, поскольку работа расширения, которую можно представить на диаграмме давление-объем как площадь под кривой равновесия, различна для разных обратимых процессов расширения (например, адиабатического, затем изотермическое, затем изотермическое, затем адиабатическое), соединяющее одни и те же начальное и конечное состояния.
В необратимом процессе происходят конечные изменения; следовательно, система не находится в равновесии на протяжении всего процесса. В циклическом процессе разница между обратимой работой и фактической работой процесса показана в следующем уравнении:
Простые [3] обратимые процессы изменяют состояние системы таким образом, что чистое изменение совокупной энтропии системы и ее окружения равно нулю. (Только энтропия системы сохраняется только в обратимых адиабатических процессах.) Тем не менее цикл Карно демонстрирует, что состояние окружающей среды может измениться в обратимом процессе, когда система возвращается в исходное состояние. Обратимые процессы определяют границы того, насколько эффективными могут быть тепловые двигатели в термодинамике и технике: обратимый процесс — это процесс, при котором машина имеет максимальный КПД (см. Цикл Карно ).
В некоторых случаях может быть важно различать обратимые и квазистатические процессы . Обратимые процессы всегда квазистатичны, но обратное не всегда верно. [2] Например, бесконечно малое сжатие газа в цилиндре, где существует трение между поршнем и цилиндром, является квазистатическим , но необратимым процессом. [7] Хотя система была выведена из состояния равновесия лишь на бесконечно малую величину, энергия была необратимо потеряна в виде отработанного тепла из-за трения и не может быть восстановлена простым перемещением поршня в противоположном направлении на бесконечно малую величину. .
Исторически термин « принцип Теслы» использовался для описания (помимо прочего) некоторых обратимых процессов, изобретенных Николой Теслой . [8] Однако эта фраза больше не используется в общепринятом употреблении. Принцип гласил, что некоторые системы можно повернуть вспять и эксплуатировать взаимодополняющим образом. Он был разработан во время исследований Теслы переменного тока , где величина и направление тока менялись циклически. Во время демонстрации турбины Теслы диски вращались, а механизмы, закрепленные на валу, приводились в движение двигателем. Если работа турбины была реверсированной, диски действовали как насос . [9]
Это признак обратимого процесса: бесконечно малое изменение внешних условий меняет направление изменения.