Обратимый процесс (термодинамика)

В термодинамике обратимый процесс — это процесс , включающий систему и ее окружение , направление которого может быть изменено на противоположное посредством бесконечно малых изменений некоторых свойств окружения, 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 неуравновешенные силы и ускорение движущихся границ системы, что в свою очередь позволяет избежать трения и других видов рассеивания.

Для поддержания равновесия обратимые процессы чрезвычайно медленные ( квазистатические ). Процесс должен происходить достаточно медленно, чтобы после небольшого изменения термодинамического параметра физические процессы в системе имели достаточно времени для того, чтобы другие параметры самостоятельно подстроились под новое, измененное значение параметра. Например, если емкость с водой простояла в комнате достаточно долго, чтобы соответствовать постоянной температуре окружающего воздуха, то для того, чтобы небольшое изменение температуры воздуха было обратимым, вся система из воздуха, воды и емкости должна ждать достаточно долго, чтобы емкость и воздух установились в новой, соответствующей температуре, прежде чем может произойти следующее небольшое изменение. ^[a] В то время как процессы в изолированных системах никогда не являются обратимыми, ^[3] циклические процессы могут быть обратимыми или необратимыми. ^[4] Обратимые процессы являются гипотетическими или идеализированными, но центральными для второго закона термодинамики . ^[3] Таяние или замерзание льда в воде является примером реалистичного процесса, который почти обратим.

Кроме того, система должна постоянно находиться в (квазистатическом) равновесии с окружающей средой, и не должно быть никаких диссипативных эффектов, таких как трение, чтобы процесс можно было считать обратимым. ^[5]

Обратимые процессы полезны в термодинамике, поскольку они настолько идеализированы, что уравнения для тепла и работы расширения/сжатия просты. ^[6] Это позволяет анализировать модельные процессы , которые обычно определяют максимальную эффективность, достижимую в соответствующих реальных процессах. Другие приложения используют то, 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 вычислить, проанализировав 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 свободен от диссипативных потерь, и поэтому величина работы, выполняемой системой или над ней, будет максимизирована. Однако неполное преобразование тепла в работу в циклическом процессе применимо как к обратимым, так и к необратимым циклам. Зависимость работы от пути термодинамического процесса также не связана с обратимостью, поскольку работа расширения, которую можно визуализировать на диаграмме давление-объем как площадь под кривой равновесия, различна для различных обратимых процессов расширения (например, адиабатический, затем изотермический; против изотермического, затем адиабатического), соединяющих одни и те же начальное и конечное состояния.

Необратимость

В необратимом процессе происходят конечные изменения; поэтому система не находится в равновесии на протяжении всего процесса. В циклическом процессе разница между обратимой работой и фактической работой для процесса, как показано в следующем уравнении: $(\,W_{\mathsf {rev}}\,)$ $(\,W_{\mathsf {act}}\,)$ $\;I=W_{\mathsf {rev}}-W_{\mathsf {act}}~.$

Границы и государства

Простые ^[3] обратимые процессы изменяют состояние системы таким образом, что чистое изменение объединенной энтропии системы и ее окружения равно нулю. (Энтропия системы сама по себе сохраняется только в обратимых адиабатических процессах.) Тем не менее, цикл Карно демонстрирует, что состояние окружения может изменяться 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 максимальную эффективность (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 есть трение между поршнем и цилиндром, является квазистатическим , но не обратимым процессом. ^[7] Хотя система была выведена из своего равновесного состояния 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 же 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 использовании. Принцип гласил, что некоторые системы могут быть обращены и работать в качестве дополнительных. Он был разработан во время исследований Теслы в области переменных токов , где величина и направление тока изменялись циклически. Во время демонстрации турбины Теслы диски вращались, и оборудование, закрепленное на валу, работало от двигателя. Если работа турбины была обращена, диски действовали как насос . ^[9]

Сноски

^ Абсолютным стандартом для «быстрых» и «медленных» термодинамических изменений является максимальное количество времени, необходимое для того, чтобы изменение температуры (и последующие изменения давления и т. д.) прошло через каждую из частей всей системы. Однако, в зависимости от системы или рассматриваемого процесса, термодинамически «медленное» иногда может казаться «быстрым» в человеческих терминах: в примере с контейнером и комнатным воздухом, если контейнер — это просто фарфоровая кофейная чашка, тепло может довольно быстро передаваться между небольшим объектом и большей комнатой. В другой версии того же процесса, где контейнер — это 40-галлонный металлический бак с водой, можно интуитивно ожидать, что повторное согласование температур ( « уравновешивание » ) кофейной чашки потребует всего несколько минут, что быстро по сравнению с часами, которые можно было бы ожидать для 40-галлонного бака с водой.
Каждый отдельный физический аспект системы либо увеличивает, либо уменьшает количество времени, необходимое для того, чтобы вся система восстановила свое термодинамическое равновесие после небольшого возмущения, и, следовательно, изменяет время, необходимое для «квазистатического» изменения. Количество аспектов, которые можно рассмотреть, может стать либо утомительным, либо подавляющим: металлическая оболочка бака будет проводить тепло быстрее, чем фарфор, так что это ускоряет уравновешивание, но гораздо большая масса воды — поверхность которой на самом деле меньше пропорционально ее объему — замедлит восстановление равновесия. Если у кофейной чашки нет крышки, то испарительное охлаждение может ускорить ее уравновешивание еще больше по сравнению с почти герметичным баком только с открытым узким краном. Если кран закрыт, так что бак герметичен, то насколько «упругими» будут его стенки для адаптации к последующему изменению давления, влияет на скорость уравновешивания. Дополнительные вопросы включают в себя, является ли воздух в помещении застоявшимся или имеет принудительную циркуляцию воздуха (вентилятор); если бак почти заполняет комнату, то меньшее количество тепла в воздухе по сравнению с теплом в баке может ускорить выравнивание температур; скорость радиационного охлаждения зависит даже от цвета бака и т. д.
Хотя стандартная практика заключается в том, чтобы игнорировать как можно больше деталей, проигнорированный процесс может фактически оказаться самым медленным процессом в системе, и, следовательно, задать стандарт того, что такое «медленно» для квазистатического изменения. Физики и инженеры склонны быть неопределенными в оборонительной позиции относительно того, как долго нужно ждать, и на практике оставляют достаточное или избыточное время для восстановления равновесия.
Экспериментатор, желающий действовать как можно быстрее, может определить время установления эмпирическим путем, разместив точные термометры по всей системе: равновесие завершается, когда каждый из термометров в системе возобновляет показывать то же значение, что и все остальные, и система готова к следующему небольшому изменению температуры.

Смотрите также

Ссылки

^ Макговерн, Джудит (17 марта 2020 г.). «Обратимые процессы». PHYS20352 Thermal and Statistical Physics . University of Manchester . Получено 2 ноября 2020 г. Это отличительная черта обратимого процесса: бесконечно малое изменение внешних условий меняет направление изменения.
^ ab Сирс, Ф. У. и Сэлинджер, Г. Л. (1986). Термодинамика, кинетическая теория и статистическая термодинамика (3-е изд.). Эддисон-Уэсли.
^ abcd DeVoe, H. (2020). «Спонтанные обратимые и необратимые процессы». Термодинамика и химия . chem.libretexts.org . Книжные полки.
^ Zumdahl, Steven S. (2005). "§ 10.2 Изотермическое расширение и сжатие идеального газа". Chemical Principles (5-е изд.). Houghton Mifflin.
^ Çengel, Yunus; Boles, Michael (1 января 2006 г.). Термодинамика, инженерный подход (PDF) (5-е изд.). Бостон, Массачусетс: Tata McGraw-Hill. стр. 299. ISBN 978-0070606593. Получено 8 ноября 2022 г. .
^ ab Atkins, P.; Jones, L.; Laverman, L. (2016). Химические принципы (7-е изд.). Freeman. ISBN 978-1-4641-8395-9.
^ Giancoli, DC (2000). Физика для ученых и инженеров (с Modern Physics) (3-е изд.). Prentice-Hall.
^ "[название не указано]". Electrical Experimenter (текстовое фото с низким разрешением). Январь 1919 г. стр. 615 – через teslasociety.com.
^ «Новый монарх машин Теслы». The New York Herald Tribune . Ассоциация производителей двигателей Теслы. 15 октября 1911 г. Архивировано из оригинала 28 сентября 2011 г.