Обратимый процесс (термодинамика)

Термодинамический процесс, направление которого можно изменить, чтобы вернуть систему в исходное состояние.

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 .

Обзор

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.

Необратимость

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: ${\displaystyle (\,W_{\mathsf {rev}}\,)}$ ${\displaystyle (\,W_{\mathsf {act}}\,)}$ ${\displaystyle \;I=W_{\mathsf {rev}}-W_{\mathsf {act}}~.}$

Границы и государства

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 ).

Обратимый адиабатический процесс : состояние слева может быть достигнуто из состояния справа, а также наоборот без обмена теплом с окружающей средой.

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. .

Инженерные архаизмы

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]

Сноски

1. Абсолютным стандартом «быстрых» и «медленных» термодинамических изменений является максимальное количество времени, необходимое для того, чтобы изменение температуры (и последующие изменения давления и т. д.) прошли через каждую из частей всей системы. Однако, в зависимости от рассматриваемой системы или процесса, термодинамически «медленное» иногда может показаться «быстрым» с человеческой точки зрения: в примере с контейнером и воздухом в помещении, если контейнер представляет собой просто фарфоровую кофейную чашку, тепло может течь довольно быстро. между маленьким объектом и большой комнатой. В другой версии того же процесса, где контейнер представляет собой металлический бак с водой емкостью 40 галлонов, можно интуитивно ожидать, что повторное согласование температур ( « уравновешивание » ) кофейной чашки займет всего несколько минут, что быстро по сравнению с часов, которые можно было бы ожидать для резервуара с водой емкостью 40 галлонов.
   Каждый отдельный физический аспект системы либо увеличивает, либо уменьшает количество времени, необходимое всей системе для восстановления термодинамического равновесия после небольшого возмущения, и, следовательно, изменяет время, необходимое для «квазистатического» изменения. Количество аспектов, которые можно учитывать, может оказаться либо утомительным, либо ошеломляющим: металлическая оболочка резервуара будет проводить тепло быстрее, чем фарфоровая, что ускоряет уравновешивание, но гораздо большая масса воды, поверхность которой на самом деле меньше пропорционально к своему объему – замедлит восстановление равновесия. Если у кофейной чашки нет крышки, то испарительное охлаждение может еще больше ускорить ее уравновешивание по сравнению с почти герметичным резервуаром с открытым узким краном. Если патрубок закрыт и резервуар герметичен, то, насколько «пружинными» будут его стенки, способные адаптироваться к последующему изменению давления, влияет на скорость достижения равновесия. Дополнительные проблемы связаны с тем, застойен ли воздух в помещении или имеется принудительная циркуляция воздуха (вентилятор); если бак почти заполняет комнату, меньшее количество тепла в воздухе по сравнению с теплом в баке может ускорить стабилизацию температуры; скорости радиационного охлаждения зависят даже от того, какого цвета резервуар; и так далее.
   Хотя стандартной практикой является игнорирование как можно большего количества деталей, игнорируемый процесс на самом деле может быть самым медленным процессом в системе и, следовательно, устанавливать стандарт того, что такое «медленный» для квазистатических изменений. Физики и инженеры, как правило, уклончиво объясняют, как долго нужно ждать, и на практике дают достаточно или слишком много времени для восстановления равновесия.
   Экспериментатор, желающий действовать как можно быстрее, может определить время стабилизации эмпирически, разместив точные термометры по всей системе: Уравновешивание завершается, когда каждый из термометров в системе возобновляет показания того же значения, что и все остальные, и система тогда он готов к следующему небольшому изменению температуры.

Смотрите также

• Обратимость времени
• Цикл Карно
• Производство энтропии
• Ворота Тоффоли
• Эволюция времени
• Квантовая схема
• Реверсивные вычисления
• Демон Максвелла
• двигатель Стирлинга

Рекомендации

1. Макговерн, Джудит (17 марта 2020 г.). «Обратимые процессы». PHYS20352 Тепловая и статистическая физика . Университет Манчестера . Проверено 2 ноября 2020 г. Это признак обратимого процесса: бесконечно малое изменение внешних условий меняет направление изменения.
2. Sears, FW и Сэлинджер, GL (1986). Термодинамика, кинетическая теория и статистическая термодинамика (3-е изд.). Аддисон-Уэсли.
3. ДеВо, Х. (2020). «Спонтанные обратимые и необратимые процессы». Термодинамика и химия . chem.libretexts.org . Книжные полки.
4. Зумдал, Стивен С. (2005). «§ 10.2 Изотермическое расширение и сжатие идеального газа». Химические принципы (5-е изд.). Хоутон Миффлин.
5. Ченгель, Юнус; Болес, Майкл (1 января 2006 г.). Термодинамика, инженерный подход (PDF) (5-е изд.). Бостон, Массачусетс: Тата МакГроу-Хилл. п. 299. ИСБН 978-0070606593. Проверено 8 ноября 2022 г.
6. Аткинс, П.; Джонс, Л.; Лаверман, Л. (2016). Химические принципы (7-е изд.). Фримен. ISBN 978-1-4641-8395-9.
7. Джанколи, округ Колумбия (2000). Физика для ученых и инженеров (с современной физикой) (3-е изд.). Прентис-Холл.
8. «[название не указано]». Электроэкспериментатор (текстовое фото в низком разрешении). Январь 1919 г. с. 615 – через teslasociety.com.
9. «Новый монарх машин Tesla» . « Нью-Йорк Геральд Трибьюн» . Ассоциация производителей двигателей Tesla. 15 октября 1911 года. Архивировано из оригинала 28 сентября 2011 года.