4.1 Обратимые и необратимые процессы

Для расширения представлений о термодинамических процессах уточним понятие обратимого процесса: процесс, совершаемый системой наз. обратимым, если после него можно возвратить систему и все тела, взаимодействующие с ней, в их начальное состояние таким образом, чтобы в других телах не возникало каких-либо остаточных изменений.

Необходимое условие обратимости терм. процесса – его равновесность, т.е. всякий обратимый процесс всегда является равновесным (квазистат). Однако не всякий равновесный процесс является обратимым. Например, квазистататический процесс равномерного движения по поверхности под действием силы тяжести и трения – процесс необратимый.

Пример обратимого процесса – незатухающие колебания тела, подвешенного на пружине в вакууме. Система тело-пружина консервативна. Ее механические колебания не вызывают никаких изменений в энергии теплового движения частиц системы. Изменение состояния системы связано с изменением ее конфигурации и скорости движения тела, которые полностью повторяются через период.

Пример необратимого процесса – торможение тела под действием силы трения. Если сила трения единственная сила, то скорость тела уменьшается и оно останавливается. При этом энергия мех движ. тела, как целого уменьш. и расходуется на увел. энергии тепл. движ. частиц тела и среды. Другими словами, за счет нач. кинет. эн. тела (W_к) растет внутрення энергия U тела и среды, нагревающихся при трении ΔU = W_к. Этот прямой процесс протекает самопроизвольно, он идет без каких либо процессов, происходящих с окружающими телами. Но для осуществления обратного процесса возвращения системы в исходное состояние необходимо, чтобы остановившееся тело вновь пришло в движение за счет энергии, выделившейся при его охлаждении и окружающей среды. Известно, что хаотическое движение тела, т.е., U не может самопроизвольно привести к упорядоченному движению всех частиц тела, как целого. Для реализации этого необходим дополнительный, так называемый компенсирующий процесс. Он заключается в охлаждении тела и окружающей среды до первоначальной Т, т.е., в отдаче ими некоторому другому телу теплоты Q = W_к и в совершении над рассматриваемым телом работы, равной W_к. Поэтому, хотя в результате прямого и обратного процесса система тело-среда возвратилась в исходное состояние, состояние внешних тел изменяется (меняется Т, затем совершается работа, т.е. меняются координаты). Следовательно, процессы сопровождающиеся трением необратимы.

Процесс теплообмена между двумя телами с разной Т приводит к выравниванию средних энергий тепл. движения частиц обоих тел. Энергия частиц более нагретого тела уменьшается, менее нагретого – увеличивается. В итоге Т₁ = Т₂. Процесс идет самопроизвольно, как только обеспечен контакт между телами. Обратный процесс – нагревание одного тела за счет охлаждения другого, имевшего вначале Т₁ = Т₂, самопроизвольно не протекает. Для него используется холодильное устройство, работа которого приводит к изменению состояния других внешних тел. Значит процесс теплообмен при конечной ΔТ является необратимым. Можно показать, что необратимыми являются процессы диффузии и растворения.

Из всех этих примеров необратимых процессов можно сделать общие выводы: Все они в прямом направлении происходят самопроизвольно, а для осуществл. обр. проц. требуется одновременное протекание компенсирующих процессов. Все реальные процессы идут с конечной скоростью и сопровождаются трением и теплообменом при конечной разности температур тел, находящихся в тепловом контакте, значит все реальные процессы, строго говоря, необратимы. Однако в некоторых случаях условия протекания процесса таковы, что их приближенно можно считать обратимыми.