Ich bin etwas verwirrt über die Definitionen einer quasistatischen und einer reversiblen thermodynamischen Transformation.
Soweit ich weiß, ist ein quasistatischer Prozess ein Prozess, der langsam genug abläuft, damit das System jederzeit im inneren Gleichgewicht bleibt.
Beispiel:
Stellen Sie sich einen Zylinder vor, der etwas Gas enthält, in den wir einen Kolben langsam drücken, um das Gas zu komprimieren. Wenn die Kompression ausreichend langsam ist, haben die Gasmoleküle Zeit zu reagieren und einen Gleichgewichtszustand innerhalb des Zylinders zu erreichen, sodass Druck und Temperatur des Gases zu jedem Zeitpunkt genau definiert sind. Das heißt, die Kraft pro Flächeneinheit ist über die Wände des Behälters hinweg homogen, und die durchschnittliche kinetische Energie jedes Subsystems von Gaspartikeln ist gleich.
Nicht-Beispiel:
Wenn wir andererseits den Kolben schneller hochziehen als die schnellsten Moleküle im Gas, wird ein vorübergehendes Vakuum das Gas und den Kolben trennen, das so lange anhält, bis das Gas nach oben strömt und das gesamte Volumen des gesamten Raums ausfüllt . Während dieser Einstellung ist der Druck im unteren Teil des Zylinders höher als der Druck am Kolben (der Null ist, bis die Gasmoleküle ihn erreichen), sodass der Druck nicht genau definiert ist.
In Bezug auf Reversibilität habe ich noch nie eine strenge Definition gesehen. Lassen Sie mich versuchen, das, was ich verstanden habe, so gut wie möglich zu formalisieren. Nennen wir einen Pfad eine Funktion, die einen Zeitpunkt auf einen Punkt im pV-Diagramm abbildet: , definiert in einem bestimmten Zeitintervall .
Wir sagen einen Weg einen Zustand verbinden zu einem Staat ist reversibel, wenn umgekehrt durchlaufen werden kann, dh wenn der Pfad für ist physikalisch möglich.
Intuitiv, wenn wir ein Video von einem Prozess machen, der ein Gas aus einem Zustand umwandelt zu erklären und zurückspulen, dann ist es möglich, ein Experiment durchzuführen, das das Gas aus dem Zustand bringt zu erklären die vom zurückgespulten Video nicht zu unterscheiden sein wird.
Frage 1: Ist das eine gute Definition von Reversibilität?
Frage 2: Außerdem verstehe ich nicht, warum Wikipedia sagt: "Reversibilität bezieht sich auf die kontinuierliche Durchführung einer Reaktion im Gleichgewicht" - ist dies nicht die Definition von quasistatisch? Oder meinen sie eine Reaktion, die ständig im Gleichgewicht mit ihrer Umgebung steht ?
Klares Beispiel für einen irreversiblen Prozess
Das Joule-Guy-Lussac-Experiment, bei dem eine Barriere, die etwas Gas in einem Unterabteil eines Behälters einschließt, plötzlich entfernt wird, wodurch das Gas das gesamte Volumen des Behälters füllen kann. Unter der Annahme, dass die Wände des Behälters und der Barriere adiabat sind, ist dies nicht reversibel, da die innere Energie des Systems während des gesamten Prozesses gleich bleibt, aber es wäre Arbeit erforderlich, um das Gas wieder auf sein ursprüngliches Volumen zu komprimieren. Wenn wir alternativ das Gas in dem Zustand nehmen, in dem es das gesamte Volumen ausgefüllt hat, und die Barriere plötzlich ersetzen, würde das Gas natürlich nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren.
Beachten Sie auch, dass das obige Beispiel nicht quasistatisch ist, da die Barriere plötzlich entfernt wird.
Damit ein Prozess zumindest als reversibel angesehen werden kann, muss das System, dem der Prozess auferlegt wird, eine kontinuierliche Folge von thermodynamischen Gleichgewichtszuständen durchlaufen. Dies ist die einfachste Art zu beurteilen, ob ein Prozess reversibel ist oder nicht. Aber warum sollte ein solcher Prozess als reversibel angesehen werden? Nun, das Durchlaufen einer kontinuierlichen Folge von thermodynamischen Gleichgewichtszuständen ist nur die Mindestvoraussetzung, damit der Prozess reversibel ist. Ein solcher Prozess wird von Moran et al. (Fundamentals of Engineering Thermodynamics) als "intern reversibel" bezeichnet.
Aber für eine vollständige Reversibilität muss die Umgebung auch einen entsprechenden/passenden Satz von thermodynamischen Gleichgewichtszuständen durchlaufen. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, ist es möglich, sowohl das System als auch seine Umgebung in ihre ursprünglichen thermodynamischen Gleichgewichtszustände zurückzubringen, ohne den Zustand von irgendetwas anderem mehr als vernachlässigbar zu beeinflussen. Dies ist die wirklich strenge Anforderung für vollständige Reversibilität.
Beachten Sie, dass es für ein System durchaus möglich ist, eine kontinuierliche Folge von thermodynamischen Gleichgewichtszuständen zu durchlaufen, ohne dass seine Umgebung einen entsprechenden/übereinstimmenden Satz von thermodynamischen Gleichgewichtszuständen durchläuft. Ein solcher Prozess würde in Bezug auf das System als (intern) reversibel angesehen werden, aber nicht in Bezug auf seine Umgebung, und der Gesamtprozess würde nicht als vollständig reversibel angesehen werden. Ein Beispiel dafür wäre, wenn man ein Gas manuell dazu bringt, sich adiabatisch auszudehnen oder quasistatisch zusammenzuziehen. Der Prozess würde für das Gas als (intern) reversibel angesehen werden, nicht jedoch für Ihren Körper. Ihr Körper (der die Umgebung darstellt) erfährt viele irreversible Energieumwandlungen in seinen Muskeln, die ihn daran hindern, eine kontinuierliche Folge von thermodynamischen Gleichgewichtszuständen zu durchlaufen. Das System selbst könnte also in seinen ursprünglichen thermodynamischen Gleichgewichtszustand zurückversetzt werden, aber nicht Ihr Körper. Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, die Umgebung für dieses Beispiel so zu strukturieren, dass auch die Umgebung eine entsprechende/passende Abfolge von thermodynamischen Gleichgewichtszuständen erfährt.
Zusammenfassend ist also eine gute Definition eines reversiblen Prozesses für ein System (unter Vernachlässigung dessen, was in der Umgebung passiert), dass das System eine kontinuierliche Folge von thermodynamischen Gleichgewichtszuständen durchläuft (intern reversibler Prozess).
Pippard (in The Elements of Classical Thermodynamics ) definiert einen reversiblen Prozess als einen Prozess, der durch eine infinitesimale Änderung der äußeren Bedingungen genau umgekehrt werden kann.
Ein reversibler Prozess muss quasistatisch sein. Ein nicht-quasistatischer Prozess wie Ihr Gay-Lussac-Experiment (auch bekannt als Joule-Expansion) ist eindeutig irreversibel – welche unendlich kleine Änderung der äußeren Bedingungen könnte das Gas möglicherweise wieder auf sein ursprüngliches Volumen bringen?
Aber ich denke, dass Reversibilität eine allgemeinere Anforderung ist als Quasi-Statik. Beispiele für irreversible Veränderungen sind Wärme, die einen endlichen Temperaturgradienten hinunterfließt, elektrische Ladung, die durch einen Widerstand fließt, ein Objekt, das auf unebenem Boden rutscht, eine Flüssigkeit rührt. Es kann sein, dass diese alle sowohl als nicht-quasistatisch als auch als irreversibel gezeigt werden können, aber (zumindest für mich) ist ihre Irreversibilität viel klarer zu sehen.
Ein quasistatischer Prozess befindet sich zu jeder Zeit im Gleichgewicht und folgt einer wohldefinierten Trajektorie im thermodynamischen Phasenraum. Wenn Sie dieser Flugbahn in die entgegengesetzte Richtung folgen können, wird der Prozess als reversibel bezeichnet. Es reicht nicht aus, eine andere Flugbahn zu finden, die Sie zum Ausgangszustand zurückbringt!
Eine notwendige Bedingung für die Reversibilität ist, dass der Prozess keine Entropie erzeugt (z. B. muss er ohne Reibung ablaufen).
Erstens ist Irreversibilität gleichbedeutend mit steigender Entropie, Reversibilität gleichbedeutend mit konstanter Entropie. Ein idealisiertes Pendel ist zB ein reversibles System. Eine idealisierte Luftfeder würde auch ausreichen, wie z. B. ein reibungsfreier Kolben zwischen zwei thermisch isolierten Luftvolumina in einem Zylinder, der unbegrenzt hin und her schwingen und die beiden Volumina abwechselnd komprimieren (und die Temperatur erhöhen) könnte.
Im Gegensatz dazu könnte ein quasistatischer Prozess eine Luftfeder sein, die mit einer komprimierten Seite und beiden gleichen Temperaturen beginnt und bei der sich der Kolben langsam bewegt, um den Druck auszugleichen, während die Temperaturen gleich bleiben. Dadurch erhöht sich die Entropie. Das Gleichgewicht ist hier rein thermisch, der Druckausgleich erfolgt erst am Ende.
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