¿Es el cambio de entropía el mismo para procesos cerrados reversibles e irreversibles?

Permítanme comenzar diciendo que estoy de acuerdo con lo que dijeron @Barbaud Julien y @Chester Miller. Así que mi respuesta solo pretende proporcionar una perspectiva diferente.

Primero, es cierto que la entropía es una función de estado de un sistema y, por lo tanto, el cambio de entropía del sistema entre dos estados de equilibrio dados será el mismo, sea o no reversible el proceso entre los estados. Sin embargo, el cambio de entropía del sistema más el entorno dependerá del proceso. Será cero si el proceso es reversible, y mayor que cero si es irreversible.

Considere un ciclo que consta de dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos. Si todos los procesos fueran reversibles, obviamente tendríamos un ciclo de Carnot. Dado que su pregunta se centra en el efecto de la transferencia de calor en la entropía, supongamos que los procesos adiabáticos son adiabáticos reversibles (isentrópicos) y consideremos que solo el impacto de los procesos de transferencia de calor es reversible o irreversible.

Tomemos el ejemplo de un proceso de expansión por adición de calor de un gas ideal entre dos estados de equilibrio. Deje que las temperaturas inicial y final sean iguales. En consecuencia, a partir de la ley de los gases ideales, los productos presión-volumen inicial y final son iguales. Claramente, el proceso entre los estados puede ser un proceso isotérmico reversible. Sin embargo, tampoco tiene por qué serlo. Consideraremos ambos.

Sea la temperatura del sistema$T_{sys}$y la temperatura del entorno sea$T_{sys}+dT$. Considere el sistema y los alrededores como reservorios térmicos, es decir, la transferencia de calor entre ellos no altera sus temperaturas, por lo que la transferencia de calor se produce de forma isotérmica.

Deje que una cantidad específica de calor,$Q$, transferencia del entorno al sistema. Los cambios de entropía resultantes son:

El cambio neto en la entropía (sistema + entorno) es así:

Ahora, tenga en cuenta que si$dT\to 0$, entonces$\Delta S_{net}\to 0$y el proceso es un proceso isotérmico reversible.

Sin embargo, para cualquier diferencia de temperatura finita,$dT>0$,$\Delta S_{net}>0$y el proceso es irreversible.

Tanto para los procesos reversibles como para los irreversibles, el cambio de entropía del sistema es el mismo. Sin embargo, para el proceso irreversible, el cambio de entropía del sistema es mayor que el cambio de entropía del entorno. El exceso de entropía que se crea en el proceso de expansión irreversible significa que se debe rechazar más calor al depósito de temperatura fría (entorno) durante la compresión isotérmica para que la entropía del ciclo sea cero. Eso da como resultado menos energía para hacer trabajo en el ciclo.

Aunque en este ejemplo se transfiere la misma cantidad de calor de manera reversible e irreversible, claramente la tasa de transferencia de calor será mayor para el proceso irreversible que para el reversible debido al diferencial de temperatura finito para el proceso irreversible. Entonces, para que la cantidad de transferencia de calor sea la misma, el producto de la tasa de transferencia de calor muy lenta por el tiempo muy largo del proceso reversible tendría que ser igual al producto de la tasa de transferencia de calor más alta por el tiempo de duración más corto del proceso irreversible. proceso.

Espero que esto ayude.

1 -> Primero, Q no es lo mismo en ambos casos. Q (como W) es una función dependiente de la ruta. Entonces, ya sea que tome el camino reversible o no reversible para llegar a su paso final, terminará con diferentes valores de Q y W (piense en el ciclo de Carnot, por ejemplo: obtiene la salida W más eficiente cuando es reversible, pero tan pronto como introduces algunas irreversibilidades, W se reduce)

No entendí tus puntos 2 y 3, parece que en su mayoría repiten la misma pregunta. Puedes iluminarme más sobre lo que no entiendes

EDITAR: me gustaría ilustrar el hecho de que el calor puede ser diferente según la reversibilidad tomando el ejemplo de una compresión de gas isotérmica. Desafortunadamente, no tengo tiempo para subir imágenes para que quede más claro, así que supondré que puedes visualizar este problema clásico por ti mismo.

Si tienes una compresión isotérmica reversible, (con P=Pext todo el tiempo), obtendrás que el trabajo realizado es Wreversible = nRTln(V1/V2) >0 (ejercicio termo básico). El calor vendrá dado por Qrev=deltaU-Wrev

Ahora, si toma otra transformación isotérmica [de los mismos estados P1, T1V1 a los mismos estados P2, T1, V2], con una presión exterior constante P0. En este caso, corresponde a una presión brutalmente aplicada de una sola vez, que provocará irreversibilidades. El trabajo realizado será W = P0(V1-V2) (<*Wrev)

deltaU es una función de estado, por lo que sigue siendo la misma en ambos casos, y obtienes Q = deltaU-W > Qrev

El proceso irreversible entre los mismos estados hizo que se transfiriera más calor. qué pasó ? Bueno, la violencia del segundo proceso provocó que ocurrieran algunas transferencias adicionales (p. ej., fricción entre materiales que se movían rápidamente entre sí...). esto es lo que crea irreversibilidades.

Entonces, la irreversibilidad está ciertamente asociada con diferentes procesos de transferencia.

El "beneficio" de un proceso reversible, físicamente hablando, es que puede obtener más trabajo de su sistema, si está estudiando motores térmicos, por ejemplo. Obtendrá la mejor eficiencia de un motor reversible, como lo establece la segunda ley. Pero la idea de "beneficio" depende, por supuesto, del contexto y de lo que quieras.

Desde el punto de vista de la resolución de problemas, el beneficio de considerar un proceso reversible es obvio. Si te enfrentas a un proceso irreversible, simplemente olvídalo y considera uno reversible que te lleve al mismo punto. En este proceso recién inventado, puede usar dS=deltaQ/T y calcular S2-S1 de esta manera. Y luego, usa el hecho de que s es una función de estado para decir que el cambio de S es el mismo sin importar el camino, por lo que su resultado S2-S1 es válido incluso para esa transformación irreversible que está estudiando.

Me gustaría ampliar un poco lo que dijo @Barbaud Julien (aunque lo que dijo fue perfectamente correcto).

Si desea determinar el cambio de entropía para un proceso irreversible, lo que debe hacer es diseñar (imaginar) un camino reversible entre los mismos dos estados finales. Este camino reversible no tiene por qué tener ningún parecido con el camino irreversible real. Por ejemplo, incluso si el camino irreversible es adiabático, el camino reversible no necesita serlo. Por lo tanto, comparar el calor transferido y las temperaturas límite en el camino reversible con el del camino irreversible no es muy útil.

Pero hablemos de esa comparación que hizo Barbaud para un proceso "isotérmico". En el camino reversible, las temperaturas interiores del gas están esencialmente a la temperatura límite durante todo el proceso. Sin embargo, en el camino irreversible, las temperaturas interiores dependen de la posición en todo el gas y son menores que la temperatura límite durante la expansión. Entonces, aunque decimos que el proceso es isotérmico (porque el límite se mantiene a una temperatura fija), el proceso no es realmente isotérmico porque las temperaturas interiores son diferentes.

En la expansión irreversible, se genera entropía dentro del gas como resultado de los gradientes de temperatura dentro del gas y como resultado de la fricción viscosa dentro del gas. Entonces, los procesos físicos que tienen lugar dentro del gas por caminos reversibles e irreversibles entre los mismos estados finales son muy diferentes.

APÉNDICE

¿Qué pensarías si te dijera que no hay un solo camino reversible entre el estado inicial y el final del proceso irreversible "isotérmico" discutido por @Barbaud Julien?

¿Qué pensarías si te dijera que hay un número infinito de caminos reversibles, y que algunos de estos caminos absorben más calor y hacen más trabajo que el proceso irreversible, y algunos de estos caminos absorben menos calor y hacen menos trabajo que el proceso proceso irreversible. Pero, todos estos caminos tienen exactamente el mismo cambio de entropía. ¿Pensamientos?