§ 3.4. Равновесные (обратимые) и неравновесные (необратимые) процессы

Определения и обозначения

Равновесный процесс — процесс, при котором система проходит через последовательность состояний, практически не отличающихся от равновесных. В каждый момент её параметры почти одинаковы в разных частях системы, поэтому это понятие позволяет описывать переход с помощью обычных равновесных величин.

Обратимый процесс — идеализированный процесс, который можно провести в обратном направлении так, чтобы система и окружающая среда вернулись в исходное состояние. Такое определение нужно, чтобы отличать настоящий возврат системы от простого восстановления её объёма или температуры.

Неравновесный процесс — процесс, во время которого внутри системы существуют конечные различия температуры, давления или других параметров. Он помогает понять, почему разные части вещества взаимодействуют и почему переход обычно идёт самопроизвольно в определённом направлении.

Необратимый процесс — процесс, который нельзя обратить без остаточных изменений в системе или окружающей среде. Это свойство характерно для большинства реальных явлений и показывает, что одного возвращения тела в исходное состояние недостаточно.

Как это устроено

Равновесный процесс протекает через почти равновесные состояния, потому что внутренние перемещения вещества и энергии успевают выровнять параметры системы. Внешнее воздействие должно изменяться медленнее, чем система устанавливает равновесие. Например, если добавлять на поршень очень маленькие грузы, давление газа и внешнее давление почти совпадают на каждом этапе.

Обратимость возможна только при бесконечно малых различиях между системой и окружающей средой. Если давление снаружи лишь немного отличается от давления газа, направление движения поршня можно изменить таким же малым изменением нагрузки. То же относится к теплообмену: обратимый переход требует практически одинаковых температур, иначе тепло самопроизвольно пойдёт только от горячего тела к холодному.

Равновесность и обратимость связаны, поскольку обратный ход равновесного процесса можно осуществить малыми изменениями внешних условий. Однако это не полностью тождественные понятия. Процесс может быть близок к равновесному, но содержать трение, а трение превращает механическую энергию во внутреннюю и делает обратный ход необратимым.

Конечная разность температур, давлений или концентраций создаёт направленный поток энергии или вещества. Такой поток идёт с конечной скоростью и сопровождается нарушением равновесия внутри системы. Поэтому теплопередача между телами с разными температурами, смешивание веществ и движение под действием перепада давления необратимы.

При свободном расширении газ заполняет доступный вакуум без внешнего противодействия. Самопроизвольное возвращение газа в прежнюю часть сосуда не происходит, поэтому для сжатия потребовалась бы работа внешних сил. Тепло от горячего тела к холодному также нельзя вернуть обратно без дополнительных изменений, а трение рассеивает энергию и нагревает соприкасающиеся тела.

Сравнение равновесных (обратимых) и неравновесных (необратимых) процессов

В таблице сопоставлены признаки идеализированного и реального процессов. При анализе сначала проверьте состояние системы и скорость перехода, затем наличие конечных разностей и потерь энергии. Если хотя бы один фактор необратимости существенен, полный обратный ход невозможен.

Разбор задач

Медленное сжатие газа

Условие: газ медленно сжимают поршнем, постепенно добавляя небольшие грузы. Нужно определить, к какому типу процессов приближается такое сжатие.

1. При добавлении маленького груза внешнее давление изменяется незначительно, поэтому давление газа почти совпадает с ним.
2. Медленное движение даёт газу время для выравнивания параметров внутри сосуда.
3. Следовательно, газ проходит через последовательность состояний, близких к равновесным. Если поршень движется без трения, процесс приближается также к обратимому.

Ответ: такое сжатие приближается к равновесному и обратимому процессу, если трение и другие потери пренебрежимо малы.

Свободное расширение в вакуум

Условие: газ свободно расширяется из одной части теплоизолированного сосуда в другую, где был вакуум. Нужно объяснить необратимость.

1. Со стороны вакуума нет противодавления, поэтому газ расширяется самопроизвольно и с конечной скоростью.
2. Во время перехода газ не находится в равновесии: его части распределены по объёму неравномерно.
3. Чтобы вернуть газ в прежнюю часть сосуда, потребуется внешнее воздействие, а значит, изменится окружающая среда.

Ответ: расширение необратимо, потому что газ не возвращается сам в исходный объём, а обратное сжатие требует работы внешних сил.

Теплообмен между телами

Условие: тела имеют температуры 400 К и 300 К и приведены в тепловой контакт. Требуется сравнить прямой и обратный процессы.

1. В прямом процессе тепло самопроизвольно переходит от тела с температурой 400 К к телу с температурой 300 К.
2. Разность температур равна 100 К, поэтому теплообмен идёт с конечной разностью и является неравновесным.
3. Для обратимого теплообмена температуры тел должны отличаться бесконечно мало; тогда направление можно изменить столь же малым воздействием.

Ответ: данный теплообмен необратим, а обратимым он мог бы быть только при бесконечно малой разности температур на всём пути.

Типичные ошибки

Считать любой медленный процесс обратимым. Медленность необходима для близости к равновесию, но трение или теплообмен при конечной разности температур сохраняют необратимость. Проверьте не только скорость, но и наличие потерь энергии.

Путать обратный процесс с возвращением системы. Можно вернуть газ в исходный объём, затратив работу, но окружающая среда при этом изменится. Проверяйте, вернулись ли без следа и система, и окружающая среда.

Называть равновесным быстрый переход между равновесными началами и концом. Равновесными должны быть состояния на всём пути, а не только начальное и конечное. Если внутри возникают перепады параметров, процесс неравновесен.

Считать свободное расширение обратимым, потому что газ можно сжать. Для сжатия нужен поршень, внешняя сила и затрата работы, поэтому окружающая среда изменится. Самопроизвольного возврата газа в прежнюю область не происходит.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия термодинамического равновесия, состояния газа, давления, температуры и работы газа. Они позволяют определить, какие параметры сравнивать во время перехода.

Необратимость объясняет направление самопроизвольных процессов и подводит ко второму началу термодинамики. Это начало связывает реальные изменения с невозможностью полностью превратить тепло в работу без других последствий.

Понятия обратимости применяются при изучении тепловых машин, холодильных установок и идеальных циклов. Обратимые циклы служат эталоном для оценки предельной эффективности устройств.

Что запомнить

• Равновесный процесс проходит через последовательность равновесных состояний.
• Обратимый процесс можно обратить без остаточных изменений в системе и окружающей среде.
• Реальные процессы обычно необратимы.
• Конечные разности температур и давлений вызывают неравновесность и необратимость.
• Трение и свободное расширение газа являются источниками необратимости.
• Обратимые процессы — идеализация, используемая для сравнения и расчётов.
• Чем меньше различия между системой и окружающей средой, тем ближе процесс к обратимому.