Procesy odwracalne

Proces odwracalny to proces termodynamiczny, którego kierunek można odwrócić poprzez prostą zmianę wartości jednej lub więcej zmiennych stanu termodynamicznego. Procesy odwracalne zachodzą bez żadnej zmiany entropii układu, natomiast inne funkcje stanu mogą ulegać zmianom. Procesy odwracalne mogą zachodzić tylko wtedy, gdy układ jest odizolowany albo znajduje się w stanie równowagi z otoczeniem. Przykładem procesu odwracalnego jest np: adiabatyczne rozprężanie gazu.

Adiabatycznie rozprężając gaz, jego objętość rośnie, a równocześnie maleje temperatura i ciśnienie.

Odwrotnie, gdyby gaz sprężać objętość by malała, a temperatura i ciśnienie by rosły. Układ rozprężany przechodziłby przez szereg kolejnych stanów. Podobnie byłoby przy ponownym sprężaniu.

Jeśli dwie bryły metalu mają taką samą temperaturę, to po ich złączeniu nie ma przepływu ciepła między nimi. Jeśli temperaturę jednej bryły podniesiemy o nieskończenie małą wartość, to ciepło popłynie z tej bryły do drugiej. Jeśli jednak temperaturę pierwszej bryły obniżymy, to ciepło popłynie w przeciwnym kierunku. Przepływ ciepła jest odwracalny, ponieważ możemy odwrócić jego kierunek przez nieskończenie małą zmianę temperatury. Z drugiej strony, jeśli jedna bryła jest o 6 stopni C cieplejsza od drugiej, nieskończenie mała zmiana temperatury którejś z brył nie odwróci przepływu ciepła.

Procesem termodynamicznym (przemiana termodynamiczna) nazywamy przejście między dwoma stanami równowagi. Funkcją stanu nazywamy wielkość, która ma określoną wartość dla każdego stanu układu, niezależnie od tego jak ten stan (na drodze jakiego procesu) został osiągnięty.

Ścianką nazywamy materialną granicę między układem a otoczeniem. Ścianka adiabatyczna to taka, przez którą nie przechodzi ciepło, a ścianka diatermiczna to taka, przez którą przepływa tylko ciepło, a nie jest wykonywana praca. Proces adiabatyczny przebiega bez przepływu ciepła. Proces izobaryczny przebiega pod stałym ciśnieniem, proces izochoryczny- w stałej objętości, a proces izotermiczny- w stałej temperaturze.

W termodynamice rozważa się procesy odwracalne i nieodwracalne. Jeśli w procesie termodynamicznym układ przechodzi ze stanu 1 do stanu 2, a otoczenie ze stanu 1’ do stanu 2’, to proces nazywamy odwracalnym, gdy istnieje proces odwrotny, który przeprowadza układ ze stanu 2 do stanu 1, równocześnie przeprowadzając otoczenie ze stanu 2’ do stanu 1’.Procesy, które są nieodwracalne nazywamy nieodwracalnymi. Procesy rzeczywiste są wyłącznie nieodwracalne. Nieodwracalność procesów wiąże się często z dyssypacją (rozpraszaniem) energii w postaci ciepła. Jednak procesy odwracalne, mimo ze wyidealizowane, pozwalają obliczać funkcji stanu, gdy zgodnie z definicją, funkcja stanu nie zależy od sposobu osiągnięcia stanu równowagi.

Procesy odwracalne są kwazistatyczne, tzn. przebiegają wolno i bez tarcia statycznego (brak dyssypacji). W każdej chwili trwania procesu odwracalnego układ musi być w stanie równowagi termodynamicznej (proces wolny). Proces określamy jako wolny, gdy zachodzi w czasie dłuższym od najdłuższego charakterystycznego czasu dla układu. Na przykład, jeśli przesuwamy tłok w naczyniu z gazem, to charakterystyczny czas układy, z którym powinniśmy porównać czas przesuwania tłoka, to czas, jaki fala dźwiękowa potrzebuje na dotarcie do końca naczynia. Dla układu o długości 3 metrów i prędkości fali dźwiękowej 332 m/s otrzymujemy charakterystyczny czas rzędu 10 minus²s.

Przykłady procesów odwracalnych z życia codziennego:
1. Butelka z wodą niegazowaną: gdy temperatura rośnie ciśnienie w butelce rośnie i butelka jest naprężona (‘’twarda’’). Gdy ciśnienie spadnie- ciśnienie w butelce maleje i butelka robi się ‘’miękka’’.
2. Wymiana dewiz. Jest to proces odwracalny zakładając stały kurs i brak opłaty.
3. Adiabatyczne rozprężanie gazu: Gdy gaz jest adiabatycznie rozprężany, jego objętość rośnie, a równocześnie maleje temperatura i ciśnienie.
4. Przepływ ciepła między dwiema bryłami metalu: Jeśli dwie bryły metalu mają taką samą temperaturę i po ich złączeniu nie ma przepływu ciepła między nimi. Jednak nieskończenie mała zmiana temperatury jednej z brył spowoduje przepływ ciepła w odpowiednim kierunku.
5. Procesy termodynamiczne pod stałym ciśnieniem, objętością lub temperaturą: Proces izobaryczny przebiega pod stałym ciśnieniem, proces izochoryczny w stałej objętości, a proces izotermiczny w stałej temperaturze. Te procesy mogą być odwracalne, gdy spełniają odpowiednie warunki.
6. Wymiana dewiz: Jeśli wymiana dewiz odbywa się bez opłaty i przy stałym kursie, jest to proces odwracalny.

Należy jednak zauważyć, że procesy odwracalne są idealizacją i w rzeczywistości większość procesów termodynamicznych jest nieodwracalna, związana z tarcie statycznym i dyssypacją energii w postaci ciepła.