Параграф 7. Обратимые и необратимые процессы.

Рассмотрим термодинамическую систему, которая в результате некоторого процесса изменяет свое состояние, а затем возвращается к исходному, пройдя в обратной последовательности через те же промежуточные состояния. В ходе процессов система взаимодействует с окружающей ее средой. Будем считать, что система и ее окружающая среда в совокупности составляют общую изолированную систему.

Если при указанных условиях после завершения прямого и обратного процессов ни в системе, ни в окружающей среде не появляются какие-либо остаточные изменения, то процессы называются обратимыми. В противном случае процессы являются необратимыми.

В реальности все естественные процессы, сопровождающиеся трением, диффузией, теплообменом при конечной разности температур, необратимы, потому что в ходе их часть совершаемой или потенциальной работы превращается в теплоту. Обратное преобразование этой теплоты в работу согласно второму закону термодинамики невозможно без компенсации. Для рассматриваемых прямого и обратного процессов компенсация может заключаться только в дополнительном воздействии со стороны окружающей среды. Таким образом, если саму систему удается вернуть в исходное состояние, то окружающая среда в исходное состояние не возвратится.

Различают внутреннюю и внешнюю необратимость. Под внутренней понимают необратимость, которая связана с неравновесным состоянием системы, т. е. с наличием в системе градиентов давления, температур, концентраций, а также с трением внутри системы при условии, что выделившаяся вследствие него теплота не отводится через границы системы.

Внешняя необратимость наблюдается при передаче энергии через границы системы, например, при теплообмене между системой и окружающей средой при конечной разности температур или трении в подшипниках вала, через который передается механическая работа.

Степень необратимости реальных процессов, протекающих в элементах ХТС, может быть различной. При термодинамическом анализе многие из этих элементов могут приближенно рассматриваться как обратимые.

Для внешней обратимости процесс теплообмена между системой и источником или приемником теплоты в окружающей среде должен протекать при отсутствии разности температур. Часто источник или приемник имеет постоянную температуру. В этих условиях единственным реальным процессом, который может приближаться к обратимому, является внутренне обратимый изотермический, протекающий при температуре, как можно более близкой к температуре источника.

Идеализированное представление реальных необратимых процессов в виде обратимых позволяет использовать для их анализа методы классической термодинамики, а уже на полученные результаты наложить эффекты, обусловленные необратимостью.

В качестве меры степени необратимости реальных процессов может служить величина дополнительного внешнего воздействия, например, работы, которую необходимо затратить для того, чтобы возвратить систему в исходное состояние. Это приводит к уменьшению полезной работы системы. Таким образом, необратимость процессов, протекающих в термодинамической системе, приводит к снижению ее работоспособности. Это снижение тем значительней, чем выше степень необратимости.

Существуют процессы, в которых полезная работа вследствие необратимости обращается в ноль. Такие процессы называют предельно необратимые, например, трение, диффузия, теплообмен при конечной разности температур.

Все реальные процессы, протекающие в изолированной системе, идут в направлении достижения равновесия всех ее частей с преобразованием совершаемой или потенциальной работы в теплоту. В силу необратимости протекающих процессов система сама не может выйти из этого состояния. При этом полезная работа внутри этой изолированной системы совершаться не может. В соответствии с первым законом термодинамики общая энергия изолированной системы не меняется и при полном равновесии всех частей системы не может быть преобразована в работу.

Таким образом, в ходе необратимых процессов, протекающих в изолированной системе, энергия, оставаясь количественно неизменной, ухудшается качественно, а возможность получения за счет нее работы уменьшается.