Необратимый процесс

редактировать

В науке процесс, который не обратимый, называется необратимым . Эта концепция часто возникает в термодинамике.

В термодинамике изменение термодинамического состояния системы и всего ее окружения не может быть точно восстановлено до исходного состояния с помощью бесконечно малых изменение некоторых свойств системы без затрат энергии. Система, в которой происходит необратимый процесс, все еще может вернуться в исходное состояние. Однако при восстановлении среды до ее собственных начальных условий возникает невозможность. Необратимый процесс увеличивает энтропию Вселенной. Поскольку энтропия является функцией состояния, изменение энтропии системы одинаково, независимо от того, является ли процесс обратимым или необратимым. Второй закон термодинамики можно использовать для определения, является ли процесс обратимым или нет.

Интуитивно понятно, что процесс обратим, если нет диссипации. Например, Джоулевое расширение необратимо, потому что изначально система не является однородной. Изначально есть часть системы с газом и часть системы без газа. Для возникновения диссипации должна быть такая неравномерность. Это как если бы в системе одна часть газа была горячей, а другая - холодной. Тогда произойдет диссипация; распределение температуры станет равномерным без выполнения какой-либо работы, и это будет необратимым, потому что вы не сможете добавить или удалить тепло или изменить объем, чтобы вернуть систему в исходное состояние. Таким образом, если система всегда однородна, то процесс обратим, а это означает, что вы можете вернуть систему в исходное состояние, добавив или убрав тепло, выполнив работу с системой или позволив системе работать. В качестве другого примера, чтобы аппроксимировать расширение в двигателе внутреннего сгорания как обратимое, мы должны предположить, что температура и давление равномерно изменяются во всем объеме после искры. Очевидно, что это не так, и имеется фронт пламени, а иногда даже стук двигателя. Одна из причин, по которой дизельные двигатели могут достигать более высокого КПД, заключается в том, что сгорание происходит гораздо более равномерно, поэтому меньше энергии теряется на рассеяние и процесс становится более обратимым.

Все сложные природные процессы необратимы. Явление необратимости возникает из-за того, что если термодинамическая система, которая представляет собой любую систему достаточной сложности, взаимодействующих молекул, переводится из одного термодинамического состояния в другое, конфигурация или расположение атомов и молекул в система изменится таким образом, который трудно предсказать. Некоторая «энергия преобразования» будет использоваться, поскольку молекулы «рабочего тела» действительно работают друг с другом, когда они переходят из одного состояния в другое. Во время этого преобразования будет происходить некоторая потеря тепловой энергии или диссипация из-за межмолекулярного трения и столкновений. Эта энергия не будет восстановлена, если процесс будет обратным.

Многие биологические процессы, которые когда-то считались обратимыми, на самом деле оказались сочетанием двух необратимых процессов. В то время как когда-то считалось, что один фермент катализирует как прямые, так и обратные химические изменения, исследования показали, что обычно необходимы два отдельных фермента схожей структуры для выполнения пары термодинамически необратимых процессов.

Содержание

  • 1 Абсолютная обратимость против статистической
  • 2 История
  • 3 Примеры необратимых процессов
  • 4 Сложные системы
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки

Абсолютная и статистическая обратимость

Термодинамика определяет статистическое поведение большого количества объектов, точное поведение которых задается более конкретными законами. Поскольку все основные теоретические законы физики обратимы во времени, однако экспериментально вероятность реальной обратимости мала, прежние предпосылки могут быть выполнены и / или прежнее состояние может быть восстановлено только в большей или меньшей степени (см.: принцип неопределенности ). Обратимость термодинамики должна быть статистической по своей природе; то есть, что должно быть просто крайне маловероятно, но не невозможно, что система будет иметь меньшую энтропию.

История

Немецкий физик Рудольф Клаузиус в 1850-х годах был первым, кто математически количественно оценил открытие необратимости в природе, представив концепцию энтропия. В своих мемуарах 1854 года «Об измененной форме второй фундаментальной теоремы механической теории тепла» Клаузиус утверждает:

Более того, может случиться так, что вместо сопутствующей нисходящей передачи тепла в одном и том же В процессе восходящей передачи может произойти другое постоянное изменение, которое отличается тем, что не может быть обратимым, не будучи замененным новым постоянным изменением подобного рода или не вызывая нисходящей передачи тепла.

Просто Клаузиус утверждает, что это Система не может передавать тепло от более холодного тела к более горячему. Например, чашка горячего кофе, помещенная в зону с комнатной температурой (~ 72 ° F), будет передавать тепло своему окружению и, таким образом, остывать, а температура в комнате немного повысится до (~ 72,3 ° F). Однако та же самая первая чашка кофе никогда не будет поглощать тепло из окружающей среды, в результате чего она станет еще горячее, а температура в комнате снизится до (~ 71,7 ° F). Следовательно, процесс охлаждения кофе необратим, если в систему не добавлена ​​дополнительная энергия.

Однако при попытке согласовать микроанализ системы с наблюдениями ее макросостояния возник парадокс. Многие процессы математически обратимы в их микросостоянии при анализе с использованием классической ньютоновской механики. Этот парадокс явно портит микроскопические объяснения макроскопической тенденции к равновесию, такие как аргумент Джеймса Клерка Максвелла 1860 года о том, что столкновения молекул влекут за собой выравнивание температур смешанных газов. С 1872 по 1875 год Людвиг Больцман усилил статистическое объяснение этого парадокса в форме формулы энтропии Больцмана, в которой говорилось, что по мере увеличения числа возможных микросостояний, в которых может находиться система, энтропия системы увеличивается, и становится менее вероятным, что система вернется в более раннее состояние. Его формулы количественно оценивали работу, проделанную Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином, который утверждал, что:

Уравнения движения в абстрактной динамике совершенно обратимы; любое решение этих уравнений остается в силе при замене временной переменной t на –t. С другой стороны, физические процессы необратимы: например, трение твердых тел, теплопроводность и диффузия. Тем не менее, принцип рассеяния энергии совместим с молекулярной теорией, в которой каждая частица подчиняется законам абстрактной динамики.

Другое объяснение необратимых систем было представлено французским математиком Анри Пуанкаре. В 1890 году он опубликовал свое первое объяснение нелинейной динамики, также названное теорией хаоса. Применяя теорию хаоса к второму закону термодинамики, парадокс необратимости можно объяснить ошибками, связанными с масштабированием от микросостояний к макросостояниям и степенями свободы, используемыми при проведении экспериментальных наблюдений. Чувствительность к начальным условиям, относящимся к системе и ее окружению в микросостоянии, превращается в проявление необратимых характеристик в наблюдаемой физической сфере.

Необратимый адиабатический процесс : если цилиндр является идеальным изолятором, начальное состояние в верхнем левом углу больше не может быть достигнуто после того, как оно будет изменено на состояние в правом верхнем углу. Вместо этого при возврате к исходному давлению предполагается состояние в нижнем левом углу, потому что энергия преобразуется в тепло.

Примеры необратимых процессов

В физической сфере присутствует множество необратимых процессов, в которых можно объяснить неспособность достичь 100% эффективности в передаче энергии. Ниже приводится список спонтанных событий, которые способствуют необратимости процессов.

A Джоулевое расширение является примером классической термодинамики, поскольку легко вычислить результирующее увеличение энтропии. Это происходит, когда объем газа удерживается с одной стороны теплоизолированного контейнера (через небольшую перегородку), а другая сторона контейнера откачивается; затем открывается перегородка между двумя частями контейнера, и газ заполняет весь контейнер. Внутренняя энергия газа остается прежней, а объем увеличивается. Исходное состояние не может быть восстановлено простым сжатием газа до его первоначального объема, так как внутренняя энергия будет увеличиваться за счет этого сжатия. Исходное состояние может быть восстановлено только путем охлаждения повторно сжатой системы и тем самым необратимого нагрева окружающей среды. Диаграмма справа применима, только если первое расширение «свободное» (джоулевое расширение). т.е. за пределами цилиндра не может быть атмосферного давления и подниматься груз.

Сложные системы

Различие между обратимыми и необратимыми событиями имеет особое объяснительное значение в сложных системах (таких как живые организмы или экосистемы ). По мнению биологов Умберто Матурана и Франсиско Варела, живые организмы характеризуются аутопоэзом, что делает возможным их дальнейшее существование. Более примитивные формы самоорганизующихся систем описаны физиком и химиком Ильей Пригожиным. В контексте сложных систем события, которые приводят к завершению определенных самоорганизующихся процессов, таких как смерть, вымирание вида или крах метеорологической системы, можно рассматривать как необратимый. Даже если клон с тем же организационным принципом (например, идентичной структурой ДНК) может быть разработан, это не будет означать, что прежняя отличная система вернется к жизни. События, к которым могут адаптироваться самоорганизующиеся способности организмов, видов или других сложных систем, такие как незначительные травмы или изменения в физической среде, являются обратимыми. Однако адаптация зависит от импорта негэнтропии в организм, тем самым усиливая необратимые процессы в окружающей его среде. Экологические принципы, такие как устойчивость и принцип предосторожности, могут быть определены со ссылкой на концепцию обратимости.

См. Также

Ссылки

Искать необратимый процесс в Викисловаре, бесплатном словаре.
Последняя правка сделана 2021-05-24 07:05:43
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте