Как поток тепла через конечный перепад температуры является необратимым процессом?

Поток тепла через конечную разность температур необратим, поскольку он не удовлетворяет определению обратимости.

Термодинамический процесс обратим , если бесконечно малое изменение внешних условий обращает процесс вспять. Для иллюстрации рассмотрим систему при температуре$T$в тепловом равновесии - то есть при той же температуре - с тепловым резервуаром. Бесконечно малое повышение температуры$dT$резервуара вызывает поток тепла к телу, которое нагревается тем же$dT$. Если внешнее условие теперь обратимо, т.е. происходит бесконечно малое понижение температуры резервуара, то и поток тепла меняется на противоположный, он идет от тела к резервуару.

Этого не произойдет при конечной разности температур. Допустим, водохранилище$1+dT$степени над телом. Тепло течет к телу. Уменьшить температуру резервуара на$dT$и поток тепла не меняется. Именно это имелось в виду под необратимым теплообменом.

Обратите внимание, что это определение имеет решающее значение при работе с тепловыми двигателями. Эта обратимость позволяет, например, тепловой машине Карно работать как холодильник Карно.

Думать. Может ли тепло из холодильника перейти к горячей плите, если таким образом поместить железный стержень?

Согласно уравнению теплового тока,

$$I = \frac{\Delta T}{R}$$ всегда положительный. Для $I$чтобы быть положительным, разность температур должна быть положительной. То есть тепловой ток течет от источника с более высокой температурой к источнику с более низкой температурой.

Падение/повышение температуры потоком тепла. Нужно ли, чтобы оно было необратимым?

Он всегда необратим для любого реального физического термодинамического процесса (это любой термодинамический процесс, не являющийся «теоретически идеальным», которого в действительности не существует). Так что ваш вопрос не имеет особого смысла.

Однако, поскольку энтропия каждого реального физического термодинамического процесса всегда больше нуля, это можно рассматривать как «необходимость» необратимости теплового потока.

Предположим, у нас есть горячее тело при температуре$T_H$и холодное тело при температуре$T_C$. Тепло будет перетекать от горячего тела к холодному телу. Что нужно, чтобы обратить этот процесс вспять? Нам понадобится холодильник или тепловой насос, чтобы перемещать энергию в противоположном направлении от холодного тела к горячему. Впрочем, вспомните высказывание Клаузиуса

Невозможно построить устройство, работающее по циклу и не производящее никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от более холодного тела к более нагретому.

Следовательно, этот тепловой насос потребует некоторой работы со стороны окружающей среды во время обратного процесса, и окружающая среда будет изменена во время процесса. Но вспомните, что определение обратимого процесса — это такое, при котором система подвергается процессу и возвращается в свое исходное состояние без каких-либо изменений в окружающей среде .

Поэтому теплообмен через конечную разность температур не может быть обратимым.

Теперь предположим, что$T_H=T_C+\Delta T$. Какую работу необходимо совершить тепловому насосу?$\Delta T \to dT \to 0$? Работа должна подходить$W \to 0$, в этом случае работа, требуемая от окружающей среды, равна нулю, и процесс обратим.

Из «Основ термодинамики » Зоннтага,

Процесс теплопередачи приближается к обратимому процессу, когда разница температур между двумя телами приближается к нулю. Поэтому мы определяем обратимый процесс теплопередачи как процесс, в котором тепло передается через бесконечно малую разность температур. Мы, конечно, понимаем, что для передачи конечного количества тепла через бесконечно малую разность температур потребовалось бы бесконечное количество времени или бесконечная площадь. Следовательно, все фактические теплопередачи осуществляются через конечную разность температур и, следовательно, необратимы, и чем больше разность температур, тем больше необратимость. Мы обнаружим, однако, что концепция обратимой теплопередачи очень полезна для описания идеальных процессов.