Является ли изотермическое расширение газа обратимым процессом?

Процесс обратим, если изменение энтропии системы и ее окружения равно нулю. Энтропия системы и энтропия ее окружения могут изменяться в обратимом процессе до тех пор, пока их сумма не изменится. В вашем случае, если газ находился в контакте с ванной с постоянной температурой во время расширения (чтобы поддерживать постоянную температуру газа), изменение энтропии ванны было бы минус изменение энтропии газа.

Обратимость – это когда$dS=\frac{\delta Q}T$поэтому энтропия может меняться, но должен соблюдаться знак равенства.

Итак, вы уже получили$\Delta S = Nk\ln(\frac{V_f}{V_i})$

Примечание для изотермического процесса,$\delta Q=dW$. Для идеального газа$PV=NkT$или$P=\frac{NkT}{V}$

Итак, работа, совершенная при расширении, равна$dW=\int_{V_i}^{V_f}PdV$

заменив P законом идеального газа,$dW=\int_{V_i}^{V_f}\frac{NkT}{V}dV=NkT\ln \frac{V_f}{V_i}$.

Затем вы можете показать$\frac{\delta Q}T=Nk\ln \frac{V_f}{V_i}=dS$для процесса изотермического расширения идеального газа и сделать вывод, что это обратимый процесс.

Медленное сжатие/расширение газа не всегда вызывает изменение S. С точки зрения волновой функции, при достаточно медленном сжатии/расширении вы меняете энергию системы, но множественность не меняется, каждая молекула или частица претерпевает энергия меняется, но количество энергетических уровней не меняется, даже если меняется энергия на каждом уровне.

Частица в$n$уровень останется в$n$й уровень, даже если он подвергся$\Delta E$.

Так что S постоянна, так как кратность не меняется.

Однако свободное расширение создаст новую энтропию.