5.Обратимые и необратимые процессы

Макроскопический процесс представляет собой непрерывную смену во времени микросостояний.

Идеализированному понятию равновесного процесса соответствует непрерывная смена равновесных состояний. Поскольку при фиксированных внешних условиях, система приближается к равновесию асимптотически, то, строго говоря, равновесный процесс должен протекать с исчезающе малой скоростью, то есть бесконечно долго.

Однако можно реализовать такой процесс, при котором система проходит через последовательность состояний экспериментально неотличимых от равновесных. Для этого характерное время изменения внешних параметров должно быть намного больше времени релаксации процесса. Такие процессы, легко реализуемые в случае процессов с малыми временами релаксации, можно назвать квазистатическими. Большинство реальных процессов существенно неравновесные процессы. Система проходит через непрерывную последовательность неравновесных состояний.

Все самопроизвольные спонтанные процессы, протекающие в системе после резкой смены и последующего фиксирования управляемых внешних параметров, являются неравновесными. Равновесным в этом случае является лишь конечное состояние, к которому стремится и приближается система.

Квазистатическими могут быть только вынужденные процессы, организованные посредством управляемых внешних параметров.

Процесс называется циклическим, если в ходе его система возвращается в исходное состояние. Представляю интерес также циклические процессы, при которых исходное состояние и совпадающее с ним конечное, являются равновесными. Циклическими процессами могут быть только вынужденные, управляемые процессы. Только вынужденными, могут быть процессы перехода системы из исходного равновесного состояния в конечное равновесное состояние отличное от первоначального.

Спонтанные процессы всегда термодинамически необратимы, они не могут быть повернуты вспять. Исходное состояние может быть восстановлено лишь вынужденным образом, посредством изменения внешних параметров.

Вынужденные процессы могут быть обратимыми и необратимыми. Пусть система переходит из исходного равновесного состояния I в конечное состояние 2, затем из состояния 2 в состояние I. Процесс обратим, если при обратном процессе, система проходит в обратном порядке через ту же последовательность промежуточных состояний, через которую она проходила в прямом процессе. В противном случае процесс не обратим.

Рассмотрим пример. Имеем два термостата с температурой Т₁ и с температурой Т₂. Системой является металлический, сплошной цилиндр. Если цилиндр помещен в печь, то со временем он приближается к равновесию, температура по его сечению выравнивается и везде равна Т₂. Затем быстро перенесем цилиндр в охлаждающую его ванну. При постоянной температуре ванны Т₁ в цилиндре будет происходить спонтанный процесс теплопередачи и изменение распределения температуры по сечению цилиндра. Понижение температуры на поверхности цилиндра будет происходить быстрее, чем внутри и в последовательные моменты времени кривые распределения температуры по сечению цилиндра будут качественно выглядеть как на рис.4. В конечном счете цилиндр приблизится к тепловому равновесию, температура по его сечению выровняется везде и будет равна Т₁.