Необратимый процесс

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Тепловое расширение  ${\ Displaystyle \ альфа =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${\ Displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии гетерогенных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория
v т е

Для науки процесс , который не является обратимым называется необратимым . Это понятие часто возникает в термодинамике .

В термодинамике изменение термодинамического состояния системы и всего ее окружения не может быть точно восстановлено до исходного состояния бесконечно малыми изменениями некоторых свойств системы без затрат энергии. Система, в которой происходит необратимый процесс, все еще может вернуться в исходное состояние. Однако возникает невозможность вернуть среду в исходное состояние. Необратимый процесс увеличивает энтропию Вселенной. Поскольку энтропия является функцией состояния , изменение энтропии системы одинаково, независимо от того, является ли процесс обратимым или необратимым. Второй закон термодинамики может использоваться, чтобы определить, является ли процесс обратимым или нет.

Интуитивно понятно, что процесс обратим, если нет диссипации. Например, расширение Джоулянеобратимо, потому что изначально система неоднородна. Изначально есть часть системы с газом, а часть системы без газа. Для возникновения диссипации должна быть такая неоднородность. Это как если бы в системе одна часть газа была горячей, а другая - холодной. Тогда произойдет диссипация; распределение температуры станет равномерным без выполнения какой-либо работы, и это будет необратимым, потому что вы не сможете добавить или удалить тепло или изменить объем, чтобы вернуть систему в исходное состояние. Таким образом, если система всегда однородна, то процесс обратим, а это означает, что вы можете вернуть систему в исходное состояние, добавив или убрав тепло, выполнив работу с системой или позволив системе работать. Другой пример:чтобы аппроксимировать расширение в двигателе внутреннего сгорания как обратимое, мы должны предположить, что температура и давление равномерно изменяются во всем объеме после искры. Очевидно, что это не так, и естьфронт пламени и иногда даже стук двигателя . Одна из причин, по которой дизельные двигатели могут достигать более высокого КПД, заключается в том, что сгорание происходит гораздо более равномерно, поэтому меньше энергии теряется на рассеяние, а процесс становится более обратимым. ^{[ необходима цитата ]}

Все сложные природные процессы необратимы. ^{[1] [2] [3] [4]} Явление необратимости является результатом того факта, что если термодинамическая система , которая представляет собой любую систему достаточной сложности, взаимодействующих молекул переводится из одного термодинамического состояния в другое, конфигурация или расположение атомов и молекул в системе изменится нелегко. ^{[5] [6]} Некоторая «энергия преобразования» будет использоваться, поскольку молекулы «рабочего тела» действительно работают друг с другом, когда они переходят из одного состояния в другое. Во время этого преобразования будет происходить потеря или рассеивание тепловой энергии.из-за межмолекулярного трения и столкновений. Эта энергия не будет восстановлена, если процесс будет обратным.

Было обнаружено, что многие биологические процессы, которые когда-то считались обратимыми, на самом деле представляют собой сочетание двух необратимых процессов. В то время как когда-то считалось, что один фермент катализирует как прямые, так и обратные химические изменения, исследования показали, что обычно необходимы два отдельных фермента схожей структуры, чтобы выполнить то, что приводит к паре термодинамически необратимых процессов. ^[7]

Абсолютная обратимость против статистической [ править ]

В этом разделе несколько вопросов. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) Эта статья может быть недостаточно сфокусированной или посвящена нескольким темам . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, возможно, разделив статью и / или добавив страницу с разрешением неоднозначности , или обсудите эту проблему на странице обсуждения . ( Апрель 2014 г. ) Этот раздел может сбивать с толку или непонятно читателям . Помогите, пожалуйста, прояснить раздел . На странице обсуждения может быть обсуждение этого вопроса . ( Апрель 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Термодинамика определяет статистическое поведение большого количества объектов, точное поведение которых задается более конкретными законами. Поскольку все основные теоретические законы физики обратимы во времени, ^[8] однако экспериментально вероятность реальной обратимости мала, прежние предпосылки могут быть выполнены и / или прежнее состояние может быть восстановлено только в большей или меньшей степени (см .: принцип неопределенности ). Обратимость термодинамики должна быть статистической по своей природе; то есть, что должно быть просто крайне маловероятно, но не невозможно, что система будет иметь меньшую энтропию.

История [ править ]

Немецкий физик Рудольф Клаузиус в 1850-х годах был первым, кто математически количественно оценил открытие необратимости в природе, введя понятие энтропии . В своих мемуарах 1854 года «Об одной из разновидностей второй фундаментальной теоремы механической теории тепла» Клаузиус утверждает:

Более того, может случиться так, что вместо нисходящей передачи тепла, сопровождающей в одном и том же процессе восходящую передачу, может произойти другое постоянное изменение, которое имеет особенность необратимости без замены на новое постоянное изменение. подобного рода, или производящие нисходящую передачу тепла.

Просто Клаузиус утверждает, что система не может передавать тепло от более холодного тела к более горячему. Например, чашка горячего кофе, помещенная в зону с комнатной температурой (~ 72 ° F), будет передавать тепло своему окружению и, таким образом, остывать, а температура в комнате немного повысится до ( ~ 72,3 ° F ). Однако та же самая первая чашка кофе никогда не будет поглощать тепло из окружающей среды, в результате чего она станет еще горячее, а температура в комнате снизится до ( ~ 71,7 ° F ). Следовательно, процесс охлаждения кофе необратим, если в систему не добавлена ​​дополнительная энергия.

Однако при попытке согласовать микроанализ системы с наблюдениями за ее макросостоянием возник парадокс. Многие процессы математически обратимы в их микросостоянии при анализе с использованием классической ньютоновской механики. Этот парадокс явно портит микроскопические объяснения макроскопической тенденции к равновесию, такие как аргумент Джеймса Клерка Максвелла 1860 года о том, что столкновения молекул влекут за собой выравнивание температур смешанных газов. ^[9] С 1872 по 1875 год Людвиг Больцман усилил статистическое объяснение этого парадокса в форме формулы энтропии Больцмана.заявляя, что по мере увеличения числа возможных микросостояний, в которых может находиться система, энтропия системы увеличивается, и становится менее вероятным, что система вернется в более раннее состояние. Его формулы количественно оценивали работу, проделанную Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином, который утверждал, что:

Уравнения движения в абстрактной динамике совершенно обратимы; любое решение этих уравнений остается в силе при замене временной переменной t на –t. С другой стороны, физические процессы необратимы: например, трение твердых тел, теплопроводность и диффузия. Тем не менее, принцип рассеяния энергии совместим с молекулярной теорией, в которой каждая частица подчиняется законам абстрактной динамики.

^{[10] [11]}

Другое объяснение необратимых систем представил французский математик Анри Пуанкаре . В 1890 году он опубликовал свое первое объяснение нелинейной динамики, также называемое теорией хаоса . Применяя теорию хаоса ко второму закону термодинамики , парадокс необратимости можно объяснить ошибками, связанными с масштабированием от микросостояний к макросостояниям и степенями свободы, используемыми при проведении экспериментальных наблюдений. Чувствительность к начальным условиям, относящимся к системе и ее окружению в микросостоянии, превращается в проявление необратимых характеристик в наблюдаемой физической сфере. ^[12]

[[Изображение: Adiabatic-irvisible-state-change.svg | thumb | Необратимый адиабатический процесс : если цилиндр является идеальным изолятором, начальное состояние в левом верхнем углу больше не может быть достигнуто после его изменения на состояние в правом верхнем углу . Вместо этого предполагается состояние в нижнем левом углу при возврате к исходному давлению, поскольку энергия преобразуется в тепло.]

Примеры необратимых процессов [ править ]

В физической сфере присутствует множество необратимых процессов, к которым можно отнести невозможность достижения 100% эффективности в передаче энергии. Ниже приводится список спонтанных событий, которые способствуют необратимости процессов. ^[13]

• Передача тепла за счет конечной разницы температур
• Трение
• Пластическая деформация
• Прохождение электрического тока через сопротивление
• Намагничивание или поляризация с гистерезисом
• Безудержное расширение жидкостей
• Спонтанные химические реакции
• Самопроизвольное перемешивание веществ различного состава / состояний

Расширение Джоуляявляется примером классической термодинамики, поскольку легко вычислить результирующее увеличение энтропии. Это происходит, когда объем газа удерживается с одной стороны теплоизолированного контейнера (через небольшую перегородку), а другая сторона контейнера откачивается; затем открывается перегородка между двумя частями контейнера, и газ заполняет весь контейнер. Внутренняя энергия газа остается прежней, а объем увеличивается. Исходное состояние не может быть восстановлено простым сжатием газа до его первоначального объема, так как внутренняя энергия будет увеличиваться за счет этого сжатия. Исходное состояние может быть восстановлено только путем охлаждения повторно сжатой системы и тем самым необратимого нагрева окружающей среды. Диаграмма справа применима, только если первое расширение «свободное» (джоулевое расширение). т.е.вне цилиндра не должно быть атмосферного давления и подниматься груз.

Сложные системы [ править ]

Разница между обратимыми и необратимыми событиями имеет особую объяснительную ценность в сложных системах (таких как живые организмы или экосистемы ). По мнению биологов Умберто Матураны и Франсиско Варела , живые организмы характеризуются аутопоэзисом , который позволяет им продолжать существовать. Более примитивные формы самоорганизующихся систем описаны физиком и химиком Ильей Пригожиным . В контексте сложных систем события, которые приводят к завершению определенных процессов самоорганизации , таких как смерть, вымирание вида или крах метеорологической системы можно считать необратимым. Даже если можно будет разработать клон с таким же организационным принципом (например, идентичной структурой ДНК), это не будет означать, что прежняя отличная система вернется к жизни. События, к которым могут адаптироваться способности к самоорганизации организмов, видов или других сложных систем, такие как незначительные травмы или изменения в физической среде, являются обратимыми. Однако адаптация зависит от импорта негэнтропии в организм, тем самым усиливая необратимые процессы в окружающей его среде. ^[14] Экологические принципы, такие как принципы устойчивости и принцип предосторожности.может быть определен со ссылкой на концепцию обратимости. ^{[15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24]}

См. Также [ править ]

• Производство энтропии
• Энтропия (стрела времени)
• Эксергия
• Обратимый процесс (термодинамика)
• Односторонняя функция
• Неравновесная термодинамика
• Нарушение симметрии

Ссылки [ править ]

Поищите необратимый процесс в Викисловаре, бесплатном словаре.