Обратимые и необратимые процессы. Второе начало термодинамики приводит к делению процессов в изолированной системе на обратимые и необратимые.

Второе начало термодинамики приводит к делению процессов в изолированной системе на обратимые и необратимые.

Процесс перехода системы из состояния 1 в состояние 2 называется обратимым, если возвращение этой системы в исходное состояние 1 можно осуществить без каких-либо изменений в окружающих, внешних телах. В противном случае процесс называется необратимым.

Примером необратимого процесса может служить переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому телу при тепловом контакте между ними. Это следует непосредственно из формулировки Клаузиуса (обратный переход был бы связан с отнятием теплоты у холодного тела, превращением ее без компенсации в работу и затратой последней на увеличение энергии нагретого тела).

Необратимым является процесс получения теплоты трением. Его необратимость является непосредственным следствием формулировки Томсона (без компенсации превратить теплоту в работу нельзя).

Расширение газа в пустоту происходит также необратимо. В этом процессе работа внешних сил отсутствует, нет подвода теплоты, внутренняя энергия газа сохраняется. Чтобы сжать газ и вернуть его в исходное состояние, необходимо совершить работу и отнять от газа теплоту, так как при сжатии он нагревается. Затем надо некомпенсированно превратить теплоту в работу, что невозможно.

Необратим и процесс диффузии. При диффузии каждый из газов расширяется без совершения работы и подвода теплоты. Для разделения газов надо каждый из них сжать. А чтобы они не нагревались, необходимо отнять у них теплоту и некомпенсированно превратить ее в работу.

Данное выше определение обратимого процесса является наиболее общим. В термодинамике обычно рассматриваются обратимые процессы в узком смысле слова, когда система при возвращении в исходное состояние проходит ту же последовательность состояний, что и в прямом процессе. Ясно, что такие процессы должны быть квазистатическими (равновесными). Неквазистатический процесс идет с какой-то скоростью, отличной от нуля. Эта скорость должна входить в число внутренних параметров, определяющих состояние системы. Состояния системы в прямом и обратном процессах не могут быть тождественными – они всегда будут отличаться направлением скоростей. Это различие исчезает в пределе, когда процесс идет квазистатически, т. е. бесконечно медленно.

Справедливо и обратное. Если внутренние параметры системы в состоянии равновесия определяются внешними условиями однозначно, то всякий квазистатический процесс является обратимым в узком смысле. При квазистатическом процессе скорость изменения состояния системы становится бесконечно малой и перестает быть параметром, характеризующим систему; в любой момент времени система оказывается в равновесном состоянии. Оговорка об однозначности существенна. Если внешними воздействиями система выведена из положения равновесия, то при устранении этих воздействий она должна вернуться в прежнее равновесное состояние. Если однозначности нет, система может перейти в другое равновесное состояние.

Понятие обратимого процесса постоянно используется в термодинамике. В частности, при той же оговоренной выше однозначности всякий квазистатический круговой процесс может происходить как в прямом, так и обратном направлениях. В этом случае говорят об обратимом цикле.

Следует подчеркнуть, что деление процессов на обратимые и необратимые относится лишь к процессам, испытываемым изолированной системой в целом; разделение же процессов на равновесные и неравновесные (или, что то же, квазистатические и неквазистатические) с этим не связано.