Обратимый против квазистатического

У меня есть некоторая путаница в определениях квазистатического и обратимого термодинамического превращения.

Насколько я понимаю, квазистатический процесс — это процесс, протекающий достаточно медленно, чтобы система все время оставалась во внутреннем равновесии.

Пример:

Рассмотрим цилиндр, содержащий некоторое количество газа, в котором мы медленно толкаем поршень, чтобы сжать газ. Если сжатие достаточно медленное, молекулы газа успевают прореагировать и достичь равновесного состояния внутри цилиндра, поэтому в любой момент времени давление и температура газа хорошо определены. То есть сила на единицу площади однородна по стенкам сосуда, а средняя кинетическая энергия любой подсистемы частиц газа одинакова.

Не пример:

Если, с другой стороны, мы подтянем поршень быстрее, чем самые быстрые молекулы газа, то между газом и поршнем возникнет мгновенный вакуум, который будет длиться до тех пор, пока газ не устремится вверх, чтобы заполнить весь объем всего пространства. . Во время этой регулировки давление в нижней части цилиндра выше, чем давление на поршень (которое равно нулю, пока молекулы газа не достигнут его), поэтому давление не точно определено.

Что касается обратимости, я никогда не видел строгого определения. Позвольте мне попытаться как можно лучше формализовать то, что я понял. Назовем путь функцией, отображающей момент времени в точку на pV-диаграмме: п ( т ) "=" ( В ( т ) , п ( т ) ) , определенный на некотором интервале времени т е [ 0 , т 1 ] .

Мы говорим путь п подключение государства А ( В 0 , п 0 ) в состояние Б ( В 1 , п 1 ) обратим , если п можно пройти в обратном направлении, т.е. если путь п ( т 1 − т ) для т е [ 0 , т 1 ] физически возможно.

Интуитивно, если мы снимем на видео некоторый процесс преобразования газа из состояния А констатировать Б и перемотать его, то можно провести эксперимент, выводящий газ из состояния Б констатировать А который будет неотличим от перемотанного видео.

Вопрос 1: Является ли это хорошим определением обратимости?

Вопрос 2: Кроме того, я не понимаю, почему Википедия говорит: «Обратимость относится к непрерывному выполнению реакции в равновесии» — разве это не определение квазистатичности? Или они означают реакцию, постоянно находящуюся в равновесии с окружающей средой ?

Яркий пример необратимого процесса

Эксперимент Джоуля-Ги-Люссака, в котором барьер, ограждающий некоторое количество газа в подотсеке контейнера, внезапно удаляется, позволяя газу заполнить весь объем контейнера. Если предположить, что стенки контейнера и барьер адиабатические, это необратимо, потому что внутренняя энергия системы остается неизменной на протяжении всего процесса, но потребуется работа, чтобы сжать газ до его начального объема. В качестве альтернативы, если бы мы взяли газ в состоянии, когда он заполнил весь объем, и внезапно заменили барьер, газ, конечно, не вернулся бы в свое исходное состояние.

Также обратите внимание, что приведенный выше пример не является квазистатическим, поскольку барьер удаляется внезапно.

(1) «Если я правильно понимаю, мы говорим, что процесс, начинающийся в состоянии A(V0,P0,T0) и заканчивающийся в состоянии B(V1,P1,T1), является обратимым, если существует процесс, начинающийся в B и заканчивающийся в А." Это делает все процессы, начинающиеся в А и заканчивающиеся в В, обратимыми, не так ли? (2) Наверняка вы сами сказали, что эксперимент Гей-Люссака необратим и не квазистатичен. Извините, если эти замечания покажутся негативной критикой, но вы можете изменить свой вопрос или защитить написанное.
Я в замешательстве. Вы сказали, что эксперимент Гей-Люссака необратим и не квазистатичен, но затем вы цитируете его как обратимый, но не квазистатический процесс. Я неправильно интерпретирую то, что вы сказали?
@ChesterMiller: хорошо, я отредактировал свой вопрос
Вы понимаете, что существует разница в контексте между словом «обратимый», применяемым к процессу, и словом «обратимый», применяемым к химической реакции? Мой ответ ниже посвящен обратимым и необратимым процессам.

Ответы (4)

Для того чтобы процесс считался обратимым, как минимум система, в которой этот процесс навязывается, должна пройти через непрерывную последовательность состояний термодинамического равновесия. Это самый простой способ определить, является ли процесс обратимым или нет. Но почему такой процесс можно считать обратимым? Что ж, прохождение через непрерывную последовательность состояний термодинамического равновесия — это как раз минимальное требование для того, чтобы процесс был обратимым. Такой процесс упоминается Мораном и др. (Основы инженерной термодинамики) как «внутренне обратимый».

Но для полной обратимости окружение также должно пройти через соответствующий/соответствующий набор состояний термодинамического равновесия. Если это условие выполнено, то можно вернуть как систему, так и ее окружение в их исходные состояния термодинамического равновесия, не влияя более чем незначительно на состояние чего-либо еще. Это действительно жесткое требование для полной обратимости.

Обратите внимание, что для системы вполне возможно пройти через непрерывную последовательность состояний термодинамического равновесия без того, чтобы ее окружение подвергалось соответствующему / соответствующему набору состояний термодинамического равновесия. Такой процесс будет считаться (внутренне) обратимым с точки зрения системы, но не для ее окружения, и весь процесс не будет считаться полностью обратимым. Примером этого может быть, если вы вручную заставили газ адиабатически расширяться или сжиматься квазистатически. Этот процесс будет считаться (внутренне) обратимым для газа, но не для вашего тела. Ваше тело (которое представляет собой окружающую среду) испытывает множество необратимых взаимных преобразований энергии в своих мышцах, которые не позволяют ему пройти через непрерывную последовательность состояний термодинамического равновесия. Таким образом, сама система может быть возвращена в исходное термодинамическое равновесное состояние, но не ваше тело. Однако существуют и другие способы структурирования окружения для этого примера, так что окружение также испытывает соответствующую/соответствующую последовательность состояний термодинамического равновесия.

Таким образом, хорошее определение обратимого процесса для системы (пренебрегая тем, что происходит в окружающей среде) состоит в том, что система проходит через непрерывную последовательность состояний термодинамического равновесия (внутренне обратимый процесс).

Пиппард (в «Элементах классической термодинамики ») определяет обратимый процесс как процесс, который можно точно обратить вспять при бесконечно малом изменении внешних условий.

Обратимый процесс должен быть квазистатическим. Неквазистатический процесс, такой как ваш эксперимент Гей-Люссака (также известный как расширение Джоуля), явно необратим — какое бесконечно малое изменение внешних условий могло бы вернуть газу его первоначальный объем?

Но я думаю, что обратимость является более общим требованием, чем квазистатичность. Примерами необратимых изменений являются тепло, протекающее по конечному температурному градиенту, электрический заряд, протекающий через резистор, предмет, скользящий по неровной поверхности, перемешивание жидкости. Возможно, все они могут быть показаны как неквазистатические, так и необратимые, но (по крайней мере, для меня) их необратимость видна гораздо яснее.

Квазистатический процесс все время находится в равновесии, прослеживая четко определенную траекторию в термодинамическом фазовом пространстве. Если вы можете следовать по этой траектории в противоположном направлении, процесс называется обратимым. Недостаточно найти другую траекторию, возвращающую вас в исходное состояние!

Необходимым условием обратимости является то, что процесс не производит энтропию (например, он должен происходить без трения).

Во-первых, необратимость эквивалентна возрастающей энтропии, обратимость эквивалентна постоянной энтропии. Например, идеализированный маятник является обратимой системой. Подойдет и идеализированная пневматическая пружина, такая как поршень без трения между двумя термически изолированными объемами воздуха в цилиндре, который может бесконечно колебаться туда и обратно, попеременно сжимая (и повышая температуру) двух объемов.

Напротив, квазистатический процесс может быть пневматической пружиной, которая начинается со сжатой одной стороны и обеих температур одинаковой, и где поршень медленно движется, чтобы выровнять давление, в то время как температуры остаются одинаковыми. Это увеличивает энтропию. Равновесие здесь только тепловое: давление выравнивается только в конце.

Обратимый против квазистатического
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v