Необратимые процессы

Необратимые процессы — диффузия, теплопроводность, вязкое течение жидкости (газа) и другие физические процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении — в сторону равномерного распределения вещества, теплоты и т. д. Необратимые процессы характеризуются положительным производством энтропии.

Второй закон термодинамики отражает направленность процессов, то есть их необратимость.

Второй закон термодинамики — статистический, то есть замкунутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Таким образом,

Например, взаимная диффузия водорода и кислорода, находящихся до открытия перегородки в разных половинах объема, приводит к перемешиванию газов. Благодаря тепловому движению более легкий кислород поднимается вверх, а более легкий водород опускается вниз, несмотря на действие силы тяжести.

Чисто механические процессы, без учета трения, обратимы, то есть инвариантны (не изменяются) при замене t → –t. Уравнения движения каждой отдельно взятой молекулы также инвариантны относительно преобразования времени, так как содержат только силы, зависящие от расстояния. Значит, причина необратимости процессов в природе в том, что макроскопические тела содержат очень большое количество частиц.

Макроскопическое состояние характеризуется несколькими термодинамическими параметрами (давление, объем, температура и т.д.). Микроскопическое состояние характеризуется заданием координат и скоростей (импульсов) всех частиц, составляющих систему. Одно макроскопическое состояние может быть реализовано огромным числом микросостояний.

Обозначим: N — полное число состояний системы, N₁ — число микросостояний, которые реализуют данное состояние, w — вероятность данного состояния. Тогда: \(w = {N_1 \over N}\)

Чем больше N₁, тем больше вероятность данного макросостояния, то есть тем большее время система будет находиться в этом состоянии. Эволюция системы происходит в направлении от маловероятных состояний к более вероятным. Так как механическое движение — хаотическое, то механическая энергия переходит в тепловую. При теплообмене состояние, в котором одно тело имеет более высокую температуру (молекулы имеют более высокую среднюю кинетическую энергию), менее вероятно, чем состояние, в котором температуры равны. Поэтому процесс теплообмена происходит в сторону выравнивания температур.

Все естественные процессы, происходящие в природе, — необратимые. В отличие от идеализированных процессов, которые обратимы.

Газ занимает весь предоставленный ему объем. Этот процесс необратим: объем газа не будет уменьшаться без воздействия внешних сил.

Процесс теплообмена необратим. Количество теплоты самопроизвольно передается от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Теплопередача от холодного тела к более нагретому самопроизвольно не возникает, а достигается за счет дополнительной работы холодильной установки.

Диффузия — это необратимый процесс.Так, молекулы чернил, проникая между молекулами воды, равномерно распределеяются по объему, открашивая сосуд. Обратная локализация чернил на поверхности воды практически невозможна.

Процесс разрядки конденсатора через большое сопротивление, дросселирование газа, старение и смерть живых организмов — необратимые процессы.