Интуитивно понятно, почему обратимый процесс — это процесс, в котором система всегда находится в равновесии?

Процесс обратим тогда и только тогда, когда он всегда находится в равновесии во время процесса. Почему?

Я слышал несколько конкретных примеров этого, таких как постепенное добавление веса к поршню для обратимого сжатия воздуха внутри, почему это должно быть правдой в целом?

РЕДАКТИРОВАТЬ: Вот что-то, что твердо убедило бы меня в этом: предположим, у меня есть обратимый процесс, который не всегда находится в равновесии. Опишите механизм использования этого процесса для создания вечного двигателя.

Ответы (5)

Думаю, самый простой ответ — просто еще раз внимательно прочитать свои собственные слова. Обратимый процесс – это процесс, который можно заставить протекать в обратном направлении. Интуитивно думать, что его можно заставить течь в обратном направлении в любой момент , когда мы пожелаем. Но если бы система находилась в неравновесном состоянии, нужно было бы немного подождать, пока она не придет в равновесие, прежде чем пытаться вернуть ее обратно. Таким образом, это не удовлетворяет наше желание иметь систему под контролем в любое время.

Это кажется довольно близким к ответу, но я все еще не совсем ясно его понимаю. Почему мы должны сначала ждать? Почему бы не отогнать его прямо из неравновесного состояния? Я ищу ответ, который бьет меня в самое сердце, и пока это самый близкий для меня ответ.
Хорошо, давайте тогда вспомним, что такое термодинамика на самом деле. Система, состоящая из множества частиц, имеет огромное количество степеней свободы. Примечательно, что существует определенное состояние (равновесие), описываемое очень немногими параметрами (термодинамическими величинами, такими как U, V, T...), и система эволюционирует в сторону такого состояния, если оставить ее в покое. Теперь, если мы хотим УПРАВЛЯТЬ системой термодинамически, нам разрешено изменять только эти несколько степеней свободы, доступных в термодинамическом формализме. Этого просто недостаточно, чтобы повернуть вспять временную эволюцию системы, выведенную из равновесия.
@MarkEichenlaub Вам когда-нибудь удавалось найти удовлетворительное объяснение своему вопросу? Если да, то не могли бы вы объяснить мне это? Хотя этот ответ кажется общепринятым, мне трудно понять его даже после прочтения.

Потому что обратимый процесс не должен увеличивать энтропию в системе. Любое изменение из-за отсутствия равновесия приведет к увеличению энтропии и, следовательно, к необратимости.

Вы можете визуализировать это, представив две бутылки, одну с газом, а другую с вакуумом. Если бы бутылки были соединены, атомы случайным образом мигрировали бы между двумя бутылками, что привело бы к системе с газом, разделенным между контейнерами с одинаковым давлением.

Таким образом, беспорядок системы увеличился, потому что атомы, которые первоначально были рассортированы в одну бутылку, теперь подразделены на две части гораздо большего объема. Другими словами, отсутствие равновесия в давлении приводит к его униформизации и к необратимому увеличению энтропии.

Мне кажется, что этот ответ просто повторяет одно и то же, добавляя в словарь слово «энтропия». Для меня не очевидно, что «любое изменение из-за отсутствия равновесия приведет к увеличению энтропии».
Обратимые изменения должны сохранять энтропию, поскольку она может только оставаться неизменной или увеличиваться (2-й закон термодинамики), и поэтому изменение, которое увеличивает энтропию, не может быть отменено. Только изменения, которые поддерживают равновесие, могут сохранить энтропию, потому что системы, не находящиеся в равновесии, возвращаются в равновесие термодинамическими силами, которые увеличивают энтропию. Это не повторение одного и того же снова и снова. ;-)
Фраза «системы, которые не находятся в равновесии, возвращаются в равновесие термодинамическими силами, которые увеличивают энтропию» — это deus ex machina. Почему термодинамические силы не должны возвращать систему в равновесие без изменения энтропии?
Это связано с тем, как энтропия связана с фазовым пространством. Я знаю, что вам не понравится этот ответ, но полное объяснение не помещается в этом поле. Короче говоря, энтропия связана с определенными «объемами» в фазовом пространстве, и очень большая система (например, термодинамическая система) обязательно будет развиваться (если ее предоставить самой себе в неравновесной ситуации) в сторону все больших и больших объемов. фазовое пространство, которое представляет большую энтропию. Я составлю более подробный ответ отдельно.

Процесс обратим тогда и только тогда, когда нет производства энтропии. Если вы выполняете процесс квазистатически, вы минимизируете производство энтропии (например, добавляя к поршню бесконечно малый вес для сжатия воздуха), и весь процесс можно считать в одном хорошем приближении обратимым.

Есть два способа увидеть это. Обратимый процесс — это идеализированный предел необратимых процессов, протекающих все медленнее и медленнее. В пределе обратимый процесс протекает «бесконечно медленно» (эта фраза действительно используется в некоторых текстах по термодинамике). То есть вообще не двигается. Таким образом, точки должны находиться в равновесии, иначе они будут двигаться. Когда мы называем процесс «обратимым», мы имеем в виду, что он может протекать в любом направлении (но только в том случае, если внешние условия нарушаются бесконечно мало, что фактически изменяет условия, при которых процесс определяется как обратимый, делая его необратимым). Но как система могла решить, в какую сторону? Не может, конечно, так что на самом деле он вообще не двигается. Она двигалась бы только в том случае, если бы внешние условия немного изменились, благоприятствуя тому или иному направлению, и тем самым сделали бы процесс необратимым.

Другой способ увидеть это - определить точку равновесия: точка равновесия означает, что каждый реальный процесс, который соединяется с этой точкой, должен быть ведущим: ни один из них не может быть выводящим. Если бы реальный, т. е. необратимый процесс начался в точке и увлекся, то точка не находилась бы в равновесии, так как этот процесс начал бы идти по теореме Карно.

Поскольку я новичок в Stack Exchange, я случайно увидел вопрос только сейчас, и мой ответ запоздал. Если Марк все еще заинтересован в ответе, то:

Это хороший вопрос, приобретающий дополнительную силу с помощью EDIT.

Для термодинамического анализа процесс должен связывать два состояния равновесия А, В системы. Возьмем состояние C системы на пути из A в B. Теперь мы можем рассмотреть процесс от A до C или от C до B. Чтобы претендовать на такое рассмотрение, C должно удовлетворять условию, что это состояние равновесия системы . Поскольку C выбрано произвольно, отсюда следует, что каждое состояние системы на пути от A до B должно быть состоянием равновесия.

Переходим к РЕДАКТИРОВКЕ:

Для упрощения обсуждения предположим, что система является адиабатической. Предположим, что А — состояние равновесия, а В — нет. Затем пусть система обратимо переходит из A в B (если это возможно), тогда энтропия системы (и Вселенной в данном случае) уменьшается. Поэтому процесс от В до А становится самопроизвольным процессом. Затем мы можем использовать спонтанный процесс от В к А, чтобы он выполнял работу за нас. Следовательно, мы позволяем процессу обратимо идти от А к В, а затем позволяем ему спонтанно идти от В к А, выполняя работу за нас. Мы можем повторять этот процесс бесконечно и вечно, извлекая работу (энергию) из ничего! Таким образом, мы получаем вечное движение, если адиабатическая система обратимо переходит из равновесного состояния A в неравновесное состояние B.

Радхакришнамурти Падьяла