3.7. Обратимые и необратимые процессы
Часто понятие обратимости выводят из представления о равновесности или квазистатичности. Мне кажется, что это нерациональный подход к вопросу. Деление процессов на обратимые и необратимые вытекает
непосредственно из содержания второго начала термодинамики. В таком духе оно и было дано Пладком, но мне кажется, что нужно пойти дальше и более строго и определенно разграничить понятия обратимости и равновесности, так как обычное определение равновесности или квазистатичности процессов не дает возможности строго провести термодинамическое доказательство теоремы о возрастании энтропии в изолированной системе.
Из второго начала термодинамики (из невозможности некомпенсированного перехода тепла в работу) вытекает невозможность множества процессов, составной частью которых должен был бы явиться некомпенсированный переход тепла в работу. Таким образом, второе начало термодинамики побуждает нас разграничить многообразие мыслимых процессов, допускаемых первым началом, на две области: на область, которая слагается из процессов, возможных и действительно происходящих, и на область процессов, которые можно лишь воображать, но которые в силу законов природы невозможно реализовать. Это влечет за собой деление всех процессов, которые могут происходить в действительности, на два класса: процессы обратимые и процессы необратимые
Термин «обратимый» и «необратимый», строго говоря, относятся к процессу, испытываемому изолированной системой в целом.
Если изолированная система испытывает некоторый процесс, который символически обозначим так:
(из состояния 1 система переходит в состояние 2), то может представиться два, и только два, случая. Во-первых, может оказаться, что осуществить обратный переход системы из 2 в 1, не производя при этом никаких изменений в окружающих телах, невозможно вследствие того, что для этого надо было бы некомпенсированно превратить в работу некоторое количество тепла.
В этом случае испытанный изолированной системой процесс (1 2) мы называем необратимым. Во-вторых может оказаться, что обратный переход системы из 2 в 1 возможен без каких бы то ни было изменений в окружающих телах. В этом случае испытанный изолированной системой процесс 1 2 мы называем обратимым.
Иначе говоря, любой процесс, переводящий изолированную систему из состояния 1 в состояние 2, есть процесс обратимый, если процесс, имеющий единственным своим результатом возвращение системы из состояния 2 в 1, возможен.
Любой процесс, переводящий изолированную систему из состояния 1 в состояние 2, есть процесс необратимый, если процесс, имеющий единственным своим результатом возвращение системы из состояния 2 в 1, невозможен. Здесь слова «единственным результатом» имеют смысл запрета каких бы то ни было изменений термодинамического состояния окружающих (не входящих в состав системы) тел.
Желая выяснить, обратим ли процесс 
или необратим, и обсуждая с этой целью вопрос, возможно ли данную изолированную систему перевести обратно из Состояния 2 в 1 без изменения в окружающих телах, надо иметь в виду, что никакие энергетические воздействия на систему, ни затрату работы, ни затрату тепла мы не имеем права осуществлять. Действительно, было бы бессмысленно пытаться вернуть систему из 2 в 1 посредством затраты (или отнятия) только работы или только тепла; это повлекло бы за собой изменение полной энергии системы, тогда как (по условию изолированности) состояния 2 и 1 изоэнергетичны. Следовательно, чтобы вернуть систему из 2 в 1, надо одновременно с затратой работы отнимать от системы эквивалентное количество тепла или, сообщая тепло, отбирать работу. Но такого рода воздействие на систему запрещено, потому что, в чем бы конкретно оно ни заключалось, оно неизбежно связано с изменением состояния
тел (не входящих в систему), которые привлечены в качестве нагревателей, или холодильников.
Таким образом, при обсуждении вопроса о возможности возвращения системы из 2 и 1 речь может идти только о такого рода воздействиях на систему, которые не связаны с затратой энергии и которые поэтому можно назвать воздействиями конструктивными (подобно задвиганию заслонок, отвертыванию крана, замыканию тока, устранению непроницаемых для тепла перегородок, сталкиванию тела, лежавшего на краю горизонтальной гладкой подставки, и т.д.).
Вышеприведенное определение необратимости — наиболее строгое. В то же время о Появляется наиболее рациональным и простым, что легко подтвердить анализом обычных примеров.
Первый пример — трение. При трений, какова бы ни была конкретная обстановка процесса, работа, направленная на преодоление сил трения, идет сначала на нагревание трущихся поверхностей, а затем благодаря теплоотдаче на нагревание глубже лежащих слоев — вещества трущихся тел и окружающих тел. Так как обратное некомпенсированное превращение тепла в работу невозможно, то всякий процесс, сопровождающийся трением, необратим.
Второй пример — теплоотдача при конечной разности температур. В этом случае, чтобы вернуть систему в исходное состояние без изменений в окружающих телах, надо было бы отнять теплоту у холодного тела, превратить ее некомпенсированно в работу, затратить полученную работу на увеличение внутренней энергии нагретого тела. Так как составной частью этого процесса должно было бы явиться некомпенсированное превращение тепла в работу, что невозможно, то и весь процесс в целом невозможен, а значит, Процесс теплоотдачи при конечной разности температур необратим.
Третий пример — расширение газа в пустоту. В данном случае вопрос об обратимости сводится к тому, возможен ли процесс, единственный результат которого заключался бы в сжатии газа без изменения его внутренней энергии. На сжатиетела надо затратить работу; чтобы внутренняя энергия тела не увеличилась, надо отнять от него эквивалентное количество тепла; наконец, чтобы никаких изменений в окружающем мире не произошло, надо было бы эту отнятую у газа теплоту некомпенсированно превратить в работу, что невозможно. Значит, расширение газа в пустоту необратимо.
