Обратимые и необратимые процессы

С понятием обратимого и необратимого процессов тесно связано понятие нахождения системы в равновесном и неравновесном состояниях.

В дальнейших рассуждениях полагаем: система находится в равновесном состоянии, если молекулы этой системы подчиняются распределению Максвелла. В равновесном состоянии система может находиться бесконечно долго. Переход от одного равновесного состояния системы к другому происходит в общем случае с нарушением равновесного состояния.

Через некоторый промежуток времени в системе вновь устанавливается новое равновесное состояние. Очень важным моментом является переход от одного равновесного состояния к другому. Если такой процесс происходит быстро, то он необратимый.

Рассмотрим пример с поршнем.

В начальный момент газ находится в равновесном состоянии. Сразу после резкого выдвижения поршня образуется разреженная область пространства, в которой нет молекул. Это приводит к тому, что часть молекул из верхнего слоя газа начинает двигаться в направлении поршня (происходит нарушение распределения Максвелла по скоростям).

Принципиально этот процесс в обратном порядке провести невозможно. Поэтому такой процесс необратимый.

Можно поступить по-другому: выдвигать поршень чрезвычайно медленно, так чтобы молекулы, находящиеся рядом с поршнем, «не заметили» этого. Хаотическое движение молекул в целом не нарушается. Через определенный промежуток времени поршень так же медленно вернуть обратно, состояние газа при этом не изменится. Такие процессы называются обратимыми или квазистационарными.

В школьной физике рассматриваются только квазистационарные процессы.

Рассмотрим термодинамический цикл, состоящий из четырех квазистационарных процессов, так называемый цикл Карно.