Таким образом, обратимый процесс следует понимать как предельный случай самопроизвольного процесса, при котором система проходит через последовательность состояний, очень близких к равновесным. Иначе, можно сказать, что это – контролируемый процесс, проводимый очень медленно, благодаря чему его степень необратимости пренебрежимо мала.
Однако многие реальные процессы являются необратимыми не зависимо от того, как медленно они проводятся. Рассмотрим следующий эксперимент. Две одинаковые половины сосуда сообщаются между собой с помощью двухходового крана. В начальном состоянии кран закрыт. В левой половине находится газ с некоторым давлением р, а в правой половине – вакуум (пустота). Если открыть кран, то газ самопроизвольно заполнит правую половину, так что в обоих половинах установится одинаковое давление р/2. Заметим, что работа в этом процессе равна нулю, потому что газу не приходится преодолевать внешних сил. Однако важным является то, что этот процесс не обратим, как бы медленно он не происходил. Невозможно представить, чтобы газ самопроизвольно собрался в левой половине. Если отверстие в кране имеет очень маленький диаметр, то течение газа из левой половины в правую происходит очень медленно, так что в каждой из половин, рассматриваемых отдельно, в любой момент времени существует состояние, подобное равновесному. При таком течении процесса его можно изобразить на диаграмме состояния (в координатах V, p) для каждой половины. По поводу такого процесса иногда говорят, что он является равновесным или квазистатическим, но не является обратимым. Конечно, можно представить, что правая половина сосуда устроена так, что её объём можно сократить до нуля – например движением поршня или равномерным сжатием стенок сосуда, если они сделаны из подходящего материала. В этом случае можно "загнать" газ обратно, в левую половину, однако при этом придётся совершить работу w. Так как при расширении газа в пустоту работа не выполняется, то обратное сжатие приведёт к уменьшению энергии внешней среды на величину –DU = w. То есть, газ вернётся к первоначальному состоянию, но в окружающей среде останется изменение.
В связи с этим, полное определение обратимого процесса должно быть таким. Это – равновесный (квазистатический) процесс, который может быть проведён в одном направлении и в обратном без изменений в окружающей среде. Ясно, что обратимый процесс не является реальным. Он является идеализацией.
Помимо расширения в вакуум, описанного выше, существует большое число других процессов, которые не обратимы, как бы медленно не проводились. По существу, все эксперименты Джоуля необратимы. Ниже перечислены ещё три примера процессов, которые принципиально необратимы, по крайней мере в адиабатических условиях.
1) В начальном состоянии два одинаковых бруска металла, один при 20 °С, а другой при 30 °С, контактируют через адиабатическую перегородку. После удаления перегородки оба бруска приходят в термическое равновесие при 25 °С.
2) Газы О2 и Н2 в молярном отношении 1:2 находятся в адиабатическом сосуде с постоянным объёмом при некоторой температуре. После подачи искры система приходит в новое состояние равновесия, в котором весь кислород и водород находятся в виде Н2О при более высокой температуре.
3) Одна половина сосуда, аналогичного описанному выше, содержит газ Х, а другая – газ Y. После открытия крана достигается новое равновесие, при котором обе половины сосуда содержат смесь газов Х и Y.
Рассматривая эти примеры, можно придти к догадке, что причина необратимости реальных процессов кроется не в их характере, а в природе начального и конечного состояний. В то же время, все эти процессы находятся в полном согласии с 1-ым законом термодинамики и, кроме того, 1-ый закон не запрещает их обратное течение. Поэтому можно предположить, что помимо внутренней энергии существует ещё какая-то функция состояния, которая в самопроизвольных адиабатических процессах может меняться только в одном направлении.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.