Равновесным называется процесс, состоящий из ряда следующих друг за другом равновесных состояний. Параметры двух таких состояний отличаются на бесконечно малую величину, т.е. равновесные процессы могут проходить бесконечно медленно. Всякий процесс, протекающий с конечной скоростью, вызывает появление градиентов температуры, плотности, давления.
Все реальные процессы неравновесные, однако изучение их имеет исключительно большое значение, т.е. позволяет найти пути максимального приближения реальных процессов к идеальным равновесным.
Процесс называется обратимым, если возможно осуществить обратный переход системы через те же промежуточные состояния так, чтобы не осталось никаких изменений в окружающих телах.
Любой процесс, сопровождаемый трением, является необратимым, ибо при трении
часть работы превращается в теплоту.
Необратим и процесс расширения даже идеального газа. Пусть, например, газ впустили в сосуд. В первый момент газ не будет занимать весь объем сосуда. Первоначальное состояние газа менее вероятно, чем равновесное, поэтому, если нет внешних воздействий, газ перейдет в наиболее вероятное состояние – состояние равновесия. При этом молекулы равномерно распределятся по объему.
Теперь нарушим тепловое равновесие другим способом. Нагреем часть газа. Вследствие теплопроводности теплота будет переходить от наиболее нагретой части газа к менее нагретой. Самопроизвольный поток тепла в сторону большей температуры невозможен, следовательно, теплопроводность – процесс также необратимый.
Можно вспомнить о диффузии. Неравномерное распределение концентрации молекул приводит к диффузии. Диффузия создает поток молекул в сторону меньшей концентрации и выравнивает ее по всему объему сосуда.
В обратном направлении диффузионного потока быть не может. Следовательно, диффузия – процесс необратимый. То же можно сказать и о вязкости. Здесь тоже возникает неравновесный необратимый процесс.
Таким образом, все процессы переноса неравновесные и необратимые.
Тепловые процесс, как мы видим, не симметричны по отношению к изменению знака времени. Именно тепловые процессы определяют тот факт, что время необратимо. Оно всегда течет в одну сторону.
При работе реальной тепловой машины все процессы также необратимы. Тепло от нагревателя к рабочему телу может поступать только в случае, если температура нагревателя хоть немного, но больше, чем температура рабочего тела. Следовательно, этот процесс необратимый. По той же причине температура рабочего тела должна быть немного больше температуры холодильника. Кроме того, при равновесных процессах требовалось, чтобы изотермическое расширение и сжатие происходили бесконечно медленно, но такая машина никому не нужна. Она будет производить работу за бесконечно большое время, то есть ее мощность будет равна нулю.
Вывод: все процессы необратимы, степень отличия их от обратимых позволяет сделать вывод об их эффективности.