Proces odwracalny (termodynamika) - Reversible process (thermodynamics)

Termodynamika
Klasyczny silnik cieplny Carnota
Gałęzie Klasyczny Statystyczny Chemiczny Termodynamika kwantowa Równowaga  / Brak równowagi
Prawa Zerowa Najpierw druga Trzeci
Systemy Zamknięty system System izolowany Stan Równanie stanu Gaz doskonały Prawdziwy gaz Stan sprawy Faza (materia) równowaga Regulacja głośności Instrumenty Procesy Izobaryczny Izochoryczny Izotermiczny adiabatyczny Izentropowy Izenhalpic Quasistatyczny Politropowy Darmowa ekspansja Odwracalność Nieodwracalność odwracalność Cykle Silniki cieplne Pompy ciepła Wydajność termiczna
Właściwości systemu Uwaga: Zmienne sprzężone w kursywą Diagramy nieruchomości Intensywne i rozległe właściwości Funkcje procesowe Praca Ciepło Funkcje państwa Temperatura  / Entropia  ( wprowadzenie ) Ciśnienie  / Objętość Potencjał chemiczny  / liczba cząstek Jakość pary Zredukowane właściwości
Właściwości materiału Bazy danych nieruchomości Specyficzna pojemność cieplna  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\ Displaystyle \ częściowe S}$ ${\ Displaystyle N}$ ${\ Displaystyle \ częściowe T}$ Ściśliwość  ${\ Displaystyle \ beta =-}$ ${\ Displaystyle 1}$ ${\ Displaystyle \ częściowe V}$ ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ częściowe p}$ Rozszerzalność termiczna  ${\ Displaystyle \ alfa =}$ ${\ Displaystyle 1}$ ${\ Displaystyle \ częściowe V}$ ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ częściowe T}$
Równania Twierdzenie Carnota Twierdzenie Clausiusa Podstawowa relacja Prawo gazu doskonałego Relacje Maxwella Wzajemne relacje Onsagera równania Bridgmana Tabela równań termodynamicznych
Potencjały Darmowa energia Wolna entropia
Historia Kultura Historia Ogólny Entropia Przepisy dotyczące gazu Maszyny "perpetuum mobile" Filozofia Entropia i czas Entropia i życie Grzechotka Browna Demon Maxwella Paradoks śmierci cieplnej Paradoks Loschmidta Synergetyka Teorie Teoria kaloryczna Vis viva („żywa siła”) Mechaniczny odpowiednik ciepła Siła motywacyjna Kluczowe publikacje „ Eksperymentalne dochodzenie dotyczące… ciepła ” „ O równowadze substancji heterogenicznych ” „ Refleksje nad motywującą siłą ognia ” Terminy Termodynamika Silniki cieplne Sztuka Edukacja Powierzchnia termodynamiczna Maxwella Entropia jako rozpraszanie energii
Naukowcy Bernoulli Boltzmanna Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Dżul Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
Inne Nukleacja Samodzielny montaż Samoorganizacja Porządek i nieporządek
Kategoria
v T mi

W termodynamice , A odwracalny proces jest procesem , którego kierunek można odwrócić , aby przywrócić system do stanu pierwotnego poprzez indukowanie zmian nieskończenie pewnym własności Systemu w okolicy . Przez cały proces odwracalny system znajduje się w równowadze termodynamicznej z otoczeniem. Po odwróceniu nie pozostawia żadnych zmian ani w systemie, ani w otoczeniu. Ponieważ zakończenie procesu odwracalnego zajęłoby nieskończoną ilość czasu, procesy doskonale odwracalne są niemożliwe. Jeśli jednak system podlegający zmianom zareaguje znacznie szybciej niż zastosowana zmiana, odchylenie od odwracalności może być znikome. W cyklu odwracalnym , cyklicznym procesie odwracalnym, system i jego otoczenie zostaną przywrócone do swoich pierwotnych stanów, jeśli po jednej połowie cyklu nastąpi druga połowa cyklu.

Przegląd

Procesy termodynamiczne mogą być realizowane na dwa sposoby: odwracalnie lub nieodwracalnie. Odwracalność oznacza, że ​​reakcja przebiega w sposób ciągły w stanie równowagi . W idealnym termodynamicznie odwracalnym procesie energia z pracy wykonywanej przez lub na systemie byłaby zmaksymalizowana, a energia z ciepła byłaby zerowa. Jednak ciepło nie może być w pełni zamienione na pracę i zawsze będzie w pewnym stopniu tracone (do otoczenia). (Dotyczy to tylko cyklu. W przypadku procesu idealnego, ciepło może być całkowicie zamienione na pracę, np. izotermiczne rozprężanie gazu doskonałego w układzie tłok-cylinder.) Zjawisko maksymalizacji pracy i minimalizacji ciepła można zwizualizować na wykresie ciśnienie-objętość jako obszar pod krzywą równowagi, przedstawiający wykonaną pracę. Aby zmaksymalizować pracę, należy dokładnie śledzić krzywą równowagi.

Z drugiej strony nieodwracalne procesy są wynikiem odchodzenia od krzywej, co zmniejsza ogólną ilość wykonanej pracy; nieodwracalny proces można opisać jako proces termodynamiczny, który odbiega od równowagi. Nieodwracalność jest definiowana jako różnica między pracą odwracalną a rzeczywistą pracą nad procesem. Kiedy opisuje się je w kategoriach ciśnienia i objętości , pojawia się, gdy ciśnienie (lub objętość) systemu zmienia się tak gwałtownie i natychmiast, że objętość (lub ciśnienie) nie ma czasu na osiągnięcie równowagi. Klasycznym przykładem nieodwracalności jest umożliwienie uwolnienia pewnej objętości gazu do próżni . Zwalniając nacisk na próbkę, a tym samym pozwalając jej na zajęcie dużej przestrzeni, system i otoczenie nie są w równowadze podczas procesu ekspansji i wykonuje się niewiele pracy. Jednak, aby odwrócić proces (sprężenie gazu z powrotem do jego pierwotnej objętości i temperatury) , wymagana będzie znaczna praca, z odpowiednią ilością energii rozproszonej w postaci przepływu ciepła do otoczenia.

Alternatywną definicją procesu odwracalnego jest proces, który po zajściu może zostać odwrócony, a po odwróceniu przywraca system i jego otoczenie do stanów początkowych. W kategoriach termodynamicznych „zachodzący” proces odnosiłby się do jego przejścia z jednego stanu do drugiego.

Nieodwracalność

W nieodwracalnym procesie dokonuje się skończonych zmian; dlatego system nie jest w równowadze podczas całego procesu. W tym samym momencie w nieodwracalnym cyklu system będzie w tym samym stanie, ale otoczenie zmienia się na stałe po każdym cyklu. Jest to różnica między pracą odwracalną a rzeczywistą pracą procesu, jak pokazano w następującym równaniu: I = W _rev − W _a

Odwracalny proces adiabatyczny : stan po lewej stronie można osiągnąć ze stanu po prawej i odwrotnie, bez wymiany ciepła z otoczeniem.

Granice i stany

Proces odwracalny zmienia stan układu w taki sposób, że zmiana netto łącznej entropii układu i jego otoczenia wynosi zero. Procesy odwracalne określają granice wydajności silników cieplnych w termodynamice i inżynierii: proces odwracalny to taki, w którym żadne ciepło nie jest tracone z systemu jako „odpady”, a zatem maszyna jest tak wydajna, jak to tylko możliwe (patrz Carnot cykl ).

W niektórych przypadkach ważne jest rozróżnienie między procesami odwracalnymi i quasistatycznymi . Procesy odwracalne są zawsze quasistatyczne, ale nie zawsze jest odwrotnie. Na przykład nieskończenie małe sprężanie gazu w cylindrze, w którym występuje tarcie między tłokiem a cylindrem, jest procesem quasistatycznym, ale nie odwracalnym. Chociaż układ został wyprowadzony ze stanu równowagi tylko w nieskończenie małej ilości, ciepło zostało nieodwracalnie utracone z powodu tarcia i nie można go odzyskać, po prostu przesuwając tłok w nieskończoność w przeciwnym kierunku.

Archaizmy inżynierskie

Historycznie termin zasada Tesli był używany do opisu (między innymi) pewnych odwracalnych procesów wymyślonych przez Nikolę Teslę . Jednak ta fraza nie jest już w konwencjonalnym użyciu. Zasada głosiła, że ​​niektóre systemy można odwrócić i działać w sposób komplementarny. Został opracowany podczas badań Tesli nad prądami przemiennymi, w których wielkość i kierunek prądu zmieniały się cyklicznie. Podczas demonstracji turbiny Tesli tarcze obracały się, a maszyna przymocowana do wału była obsługiwana przez silnik. Jeśli praca turbiny była odwrócona, dyski działały jak pompa .

Zobacz też

• Odwracalność czasu
• Cykl Carnota
• Produkcja entropii
• Brama toffi
• Ewolucja czasu
• Obwód kwantowy
• Obliczenia odwracalne
• Demon Maxwella
• silnik Stirlinga

Bibliografia