Wie Wärmefluss durch endlichen Temperaturabfall ist ein irreversibler Prozess?

Ein Wärmestrom durch eine endliche Temperaturdifferenz ist irreversibel, weil er die Definition der Reversibilität nicht erfüllt.

Ein thermodynamischer Prozess ist reversibel , wenn eine infinitesimale Änderung der äußeren Bedingungen den Prozess umkehrt. Betrachten wir zur Veranschaulichung ein System bei Temperatur$T$im thermischen Gleichgewicht - also bei gleicher Temperatur - mit einem Wärmereservoir. Ein unendlich kleiner Temperaturanstieg$dT$des Reservoirs bewirkt einen Wärmestrom zum Körper, der sich dadurch erwärmt$dT$. Kehrt sich nun der äußere Zustand um, dh sinkt die Temperatur des Reservoirs um ein Minimum, so kehrt sich auch der Wärmestrom um, er geht vom Körper zum Reservoir.

Dies wird bei einer endlichen Temperaturdifferenz nicht passieren. Nehmen wir an, das Reservoir ist$1+dT$Grad über dem Körper. Die Wärme fließt zum Körper. Verringern Sie die Temperatur des Reservoirs um$dT$und der Wärmefluss kehrt sich nicht um. Das versteht man unter irreversiblem Wärmeaustausch.

Beachten Sie, dass diese Definition im Umgang mit Wärmekraftmaschinen von entscheidender Bedeutung ist. Diese Umkehrbarkeit ermöglicht es beispielsweise, dass eine Carnot-Wärmemaschine auch als Carnot-Kühlschrank funktioniert.

Denken. Kann Wärme vom Inneren eines Kühlschranks zu einem heißen Herd fließen, wenn Sie eine Eisenstange auf diese Weise platzieren?

Nach der Wärmestromgleichung

$$I = \frac{\Delta T}{R}$$ ist immer positiv. Für $I$um positiv zu sein, sollte die Temperaturdifferenz positiv sein. Das heißt, thermischer Strom fließt von einer Quelle höherer Temperatur zu einer Quelle niedrigerer Temperatur.

Der Abfall/Anstieg der Temperatur durch Wärmefluss. Ist es notwendig, dass es irreversibel ist?

Es ist immer irreversibel für jeden realen physikalischen thermodynamischen Prozess (dies ist jeder thermodynamische Prozess, der kein "theoretischer Idealfall" ist, der in der Realität nicht existiert). Deine Frage ist also nicht wirklich sinnvoll.

Da jedoch die Entropie jedes realen physikalisch-thermodynamischen Prozesses immer größer als Null ist, könnte dies als „Notwendigkeit“ angesehen werden, dass der Wärmefluss irreversibel ist.

Angenommen, wir haben einen heißen Körper auf Temperatur$T_H$und ein kalter Körper bei Temperatur$T_C$. Wärme fließt vom heißen Körper zum kalten Körper. Was wäre nötig, um diesen Prozess umzukehren? Wir bräuchten einen Kühlschrank oder eine Wärmepumpe, um Energie in die entgegengesetzte Richtung vom kalten Körper zum heißen Körper zu bewegen. Erinnern Sie sich jedoch an die Aussage von Clausius

Es ist unmöglich, ein Gerät zu konstruieren, das nach einem Zyklus arbeitet und keine andere Wirkung hervorruft als die Übertragung von Wärme von einem kühleren Körper auf einen heißeren Körper

Daher würde diese Wärmepumpe während des umgekehrten Prozesses einige Arbeit von der Umgebung erfordern, und die Umgebung wird während des Prozesses modifiziert. Aber erinnern Sie sich, dass die Definition eines reversiblen Prozesses eine ist, bei der das System einen Prozess durchläuft und ohne Veränderung der Umgebung in seinen Anfangszustand zurückkehrt .

Daher kann die Wärmeübertragung durch eine endliche Temperaturdifferenz nicht umkehrbar sein.

Nun stell dir das vor$T_H=T_C+\Delta T$. Wie hoch ist die von der Wärmepumpe geforderte Arbeit$\Delta T \to dT \to 0$? Die Arbeit muss herankommen$W \to 0$, in diesem Fall ist die von der Umgebung benötigte Arbeit gleich Null und der Prozess ist reversibel.

Aus Grundlagen der Thermodynamik von Sonntag,

Ein Wärmeübertragungsprozess nähert sich einem reversiblen Prozess, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Körpern gegen Null geht. Daher definieren wir einen reversiblen Wärmeübertragungsprozess als einen Prozess, bei dem die Wärme durch eine infinitesimale Temperaturdifferenz übertragen wird. Wir wissen natürlich, dass die Übertragung einer endlichen Wärmemenge durch einen unendlich kleinen Temperaturunterschied unendlich viel Zeit oder eine unendliche Fläche erfordern würde. Daher erfolgen alle tatsächlichen Wärmeübertragungen durch eine endliche Temperaturdifferenz und sind daher irreversibel, und je größer die Temperaturdifferenz ist, desto größer ist die Irreversibilität. Wir werden jedoch feststellen, dass das Konzept der reversiblen Wärmeübertragung sehr nützlich ist, um ideale Prozesse zu beschreiben.