Обратимые и необратимые процессы

Если внешнее воздействие на систему проводить в прямом и обратном направлениях, например, чередовать расширение и сжатие, перемещая поршень в цилиндре, то параметры состояния системы также будут меняться в прямом и обратном направлениях. Заданные извне параметры состояния называют внешними параметрами. В рассматриваемом нами простейшем случае роль внешнего параметра выполняет объем системы. Обратимыми называются такие процессы, для которых при прямом и обратном изменении внешних параметров система будет проходить через одни и те же промежуточные состояния.

Поясним на примере, что это не всегда справедливо. Если мы будем двигать поршень вверх-вниз очень быстро, так что равномерность концентрации газа в цилиндре не будет успевать установиться, то при сжатии под поршнем будет возникать уплотнение газа, а при расширении - разрежение, то есть промежуточные состояния системы (газа) при одном и том же положении поршня будут различными в зависимости от направления его движения. Это пример необратимого процесса. Если же поршень двигается достаточно медленно, так что концентрация газа успевает выравняться, то при прямом и обратном движениях система будет проходить через состояния с одинаковыми параметрами при одинаковом положении поршня. Это - обратимый процесс.

Из приведенного примера видно, что для обратимости необходимо, чтобы изменение внешних параметров осуществлялось достаточно медленно, так, чтобы система успевала вернуться к состоянию равновесия (установление равномерного распределения плотности газа), или, иначе говоря, чтобы все промежуточные состояния были равновесными (точнее - квазиравновесными).

Обратим внимание, что в приведенном примере понятия "медленно" и "быстро" по отношению к движению поршня нужно брать в сравнении со скоростью звука в газе, так как именно она является характерной скоростью выравнивания концентраций (напомним, что звук - это волнообразное распространение чередующихся уплотнений и разрежений среды). Так что большинство используемых в технике двигателей удовлетворяют критерию "медленности" движения поршня с точки зрения обратимости происходящих процессов. Именно в этом смысле мы говорили о "медленном" движении поршня при введении понятия работы.

Рассмотрим другие примеры необратимых процессов.
Пусть сосуд разделен перегородкой на две части. С одной стороны находится газ, а с другой - вакуум. В какой-то момент открывается кран и начинается необратимое перетекание газа в пустоту. Здесь мы также имеем дело с неравновесными промежуточными состояниями. После достижения равновесия перетекание газа прекратится.

Приведем в тепловой контакт два тела с различными температурами. Полученная система будет неравновесной до тех пор, пока не выравняются температуры тел, что будет сопровождаться необратимым переходом тепла от более нагретого тела к менее нагретому.

Способы измерения теплоемкости

Калори́метр (от лат. calor — тепло и metor - измерять) — прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Термин «калориметр» был предложен А. Лавуазье и П. Лапласом (1780).

В физике элементарных частиц и ядерной физике калориметром называется прибор для измерения энергии частиц