§ 74. Обратимые и необратимые процессы

Если система по каким-либо причинам не находится в состоянии равновесия или выведена из него и после этого предоставлена самой себе (это значит, что она не подвергается внешним воздействиям), то, как показывает опыт, сам собой происходит переход к равновесному состоянию. Можно даже сказать, что состояние равновесия — это и есть такое состояние, в которое переходит всякая молекулярная система при отсутствии внешних на нее воздействий. Процесс перехода к равновесию называется релаксацией, а время, потребное на это, называется временем релаксации.

Но когда равновесие уже установилось, то система не может, как показывает опыт, сама собой возвратиться к первоначальному неравновесному состоянию. Другими словами, изменения состояния, которые претерпела система, переходя в состояние равновесия, не могут происходить в обратном направлении без внешнего воздействия.

Так, например, если два соприкасающихся тела обладали вначале разностью температур и были предоставлены самим себе, то в конце концов температуры ббоих тел выравниваются. Но обратный процесс — увеличение разности температур между ними — без внешнего воздействия не происходит.

Газ сам по себе всегда распределяется равномерно по всему объему сосуда, и такое состояние соответствует равновесию. Но газ никогда не скапливается в одной части сосуда в большем

количестве (с большей плотностью), чем в другой, без действия внешних сил.

Точно так же, если ввести в сосуд два разных газа, то вследствие взаимной диффузии они сами собой перемешаются, так что состав смеси станет всюду одинаковым. Это и будет равновесное состояние. Однако для того, чтобы вновь разделить эти газы, требуется затратить большие усилия извне.

Приведенные примеры указывают на важную особенность процессов, происходящих в молекулярных системах, —на их необратимость. Этим молекулярные процессы отличаются от чисто механических, для которых характерна строгая обратимость.

Обратимым процессом называется такое изменение состояния системы (или одного отдельного тела), которое, будучи проведено в обратном направлении, возвращает ее в исходное состояние так, чтобы система прошла через те же промежуточные состояния, что и в прямом процессе, но в обратной последовательности, а состояние тел вне системы осталось неизменным.

Обратимыми являются все движения, рассматриваемые в механике, кроме тех, в которых участвуют силы трения (действие сил трения приводит к выделению тепла, и процесс перестает быть чисто механическим).

Так, например, когда вполне упругий шар падает на твердую поверхность, то происходит переход потенциальной энергии шара в кинетическую, так что к тому моменту, когда шар соприкоснется с подложкой, на которую он падает, его кинетическая энергия в точности равна первоначальной потенциальной энергии, если отсутствуют силы трения о воздух при движении шара вниз. При ударе возникнут силы упругости (из-за деформации шара и подложки), и если не прерывать процесс, то эти силы заставят шар начать обратное движение вверх. При этом опять потенциальная энергия, на этот раз энергия деформации, будет переходить в кинетическую энергию движения шара, и он поднимается на ту же высоту, с которой он начал свое падение. Этот процесс может повторяться много раз. Ясно, что движение шара вверх является процессом, обратным его падению, и нетрудно заметить, что при подъеме шар проходит через те же промежуточные состояния, определяемые его координатами и скоростями, что и при падении, но в обратном порядке. Следовательно, этот чисто механический процесс обратим.

Правда, процесс будет идти так, как мы только что описали, лишь в том случае, если отсутствуют силы трения о воздух, если шар вполне упруг, если вполне упруга подложка, о которую он ударяется. Все эти «если» показывают, что обратимый процесс даже в рассмотренном механическом примере является некоторой идеализацией, так как на самом деле не существует вполне упругих тел, силы трения никогда нельзя полностью устранить и т. д. Но

механические движения, по крайней мере принципиально, являются обратимыми.

Процессы, не удовлетворяющие приведенному выше условию обратимости, называются необратимыми.

Приведем здесь пример, который позволит уточнить понятие обратимости и необратимости изменений или процессов.

Пусть пружина, один из концов которой закреплен, деформируется (растягивается) силой приложенной к другому ее концу (рис. 90). Пружина растягивается, увеличивая свою потенциальную энергию за счет работы силы Если после того, как пружина окажется растянутой на определенную длину, прекратить действие силы, то пружина вернется в исходное состояние, соответственно уменьшив свою потенциальную энергию.

Рис. 90.

Можно ли считать описанный процесс растяжения пружины обратимом?

Легко видеть, что если пружину растянуть быстро (ниже будет видно, что значит «быстро») и сразу прекратить действие силы, то процесс не будет обратимым.

В самом деле, когда сила начинает растягивать пружину, то прежде всего деформируется та часть пружины, к которой непосредственно приложена сила, т. е. часть, прилегающая к незакрепленному концу. Постепенно деформация передается остальным частям пружины, и последней деформацию испытает та ее часть, которая прилегает к закрепленному концу.

После прекращения действия силы пружина начнет сжиматься. Но и теперь деформацию, на этот раз деформацию сжатия, первой испытает часть пружины, прилегающая к точке приложения силы, так как она, очевидно, первой «почувствует», что сила перестала действовать. От этой части деформация постепенно передастся вдоль пружины, пока не восстановится исходное состояние.

Таким образом, хотя процесс сжатия и идет в обратном направлении, но пружина при этом не проходит промежуточные состояния в обратном порядке: в прямом процессе сначала деформировалась та часть пружины, которая прилегает к ее незакрепленному концу, и от нее деформация передавалась остальным частям пружины; в таком же, а не в обратном порядке пружина деформировалась и при сжатии, поэтому в описанном опыте процесс растяжения пружины нельзя считать обратимым. Необратимость скажется в том, что при быстром прекращении действия силы пружина придет в колебательное движение, которое не является обратимым: сила трения приведет к затуханию колебаний и их энергия перейдет в тепло.

По той же причине быстрое сжатие или расширение газа — изотермическое или адиабатное не являются обратимыми процессами. Как и в случае с пружиной, необратимость здесь состоит в том, что чередование промежуточных состояний при прямом и обратном процессах оказывается одинаковым.

К числу необратимых процессов относится и расширение газа в пустоту, не уравновешенное внешними силами. Необратимыми являются все явления переноса: теплопроводность, диффузия и внутреннее трение.