¿Existe un proceso cuasiestático que no sea reversible?

He visto varias preguntas y buenas respuestas sobre el vínculo entre procesos reversibles y cuasiestáticos, como aquí o aquí . Sin embargo, estas preguntas solo abordan un lado del problema: un proceso reversible es necesariamente cuasiestático.

Estoy interesado en el otro lado de la equivalencia: ¿hay un proceso que sea cuasiestático, pero no reversible? Me parece que un proceso irreversible no puede hacerse perfectamente cuasiestático.

El artículo de wikipedia sobre procesos cuasiestáticos toma como ejemplo la compresión muy lenta de un gas con fricción. Como la compresión se produce muy lentamente, la transformación es cuasiestática y el rozamiento la hace irreversible. Este ejemplo no me convence: si presiona el pistón con una fuerza mínimamente pequeña, tendrá que alcanzar el umbral de la ley de Coulomb para la fricción sólida antes de mover el pistón de todos modos. Hace que el proceso no sea casi estático, por pequeño que sea el umbral de Coulomb.

Otro ejemplo del que he oído hablar es la reacción entre un ácido fuerte y una base fuerte. Siempre es un proceso irreversible, y podrías convertirlo en cuasiestático agregando gotas muy pequeñas de base en ácido a la vez. Pero al intentar hacer eso, inevitablemente alcanzaría un límite en el tamaño de la gota impuesta por la tensión superficial.

Incluso si "reversible" y "cuasistático" significan cosas muy diferentes, ¿es cierto considerar que, en la práctica, un proceso reversible y un proceso cuasiestático son esencialmente lo mismo?

Todos los procesos macroscópicos en un ferromagneto son esencialmente irreversibles, el resultado es que no importa qué tan lento avance el proceso, es irreversible . La irreversibilidad se manifiesta en la B / H curva de histéresis cuyo tamaño es independiente de la velocidad del proceso. Cuasistático no es lo mismo que reversible: todos los procesos reversibles son cuasiestáticos pero no todos los procesos cuasiestáticos son reversibles.
Primero discute ejemplos que en la práctica son claramente cuasi-estáticos (pero no reversibles), y luego pregunta si es cierto que en la práctica cuasi-estático = reversible.
@RubenVerresen Los ejemplos que discutí no son precisamente cuasiestáticos.
@hyportnex Gracias por el ejemplo del ferromagneto, no había pensado en eso. ¿Podría elaborar un poco más en un awnser? Sé que cuasiestático no significa lo mismo que reversible, estaba pidiendo un ejemplo concreto de un fenómeno cuasiestático irreversible.
Con la precisión que pides, nada es casi estático. En el equilibrio, su sistema está en un mínimo local que intenta mover afectando los parámetros del sistema. Si se hace infinitamente lento, se obtiene un proceso casi estático perfecto. En cualquier proceso real, la irreversibilidad se manifiesta en la medida en que las excitaciones que provoca el accionamiento del sistema se disipan a través de la anarmonía del potencial y se transfieren a los estados térmicamente poblados.
Exprimir la pasta de dientes de un tubo.

Respuestas (6)

La mayoría de los procesos cuasiestáticos son irreversibles. El problema se reduce a lo siguiente: el término cuasiestático se aplica a la descripción de un solo sistema que experimenta un proceso, mientras que el término irreversible se aplica a la descripción del proceso como un todo, que a menudo involucra múltiples sistemas que interactúan.

  • Para usar el término cuasi-estático , uno tiene que tener un cierto sistema en mente. Un sistema experimenta un proceso cuasiestático cuando se le hace pasar por una secuencia de estados de equilibrio.

  • Un proceso es irreversible si (a) el sistema pasa por un proceso no cuasiestático, (b) el sistema pasa por un proceso cuasiestático pero está intercambiando energía con otro sistema que está pasando por un proceso no cuasiestático, o (c) dos sistemas intercambian energía de manera irreversible, generalmente a través de un flujo de calor a través de una diferencia de temperatura finita.

Uno puede imaginar un proceso (ciertamente idealizado, como la mayor parte de la termodinámica básica en física) en el que dos sistemas experimentan procesos cuasiestáticos mientras intercambian energía a través del calor debido a una diferencia de temperatura finita entre ellos. La irreversibilidad se debe al calentamiento debido a la diferencia de temperatura entre ellos y no a las irreversibilidades dentro de cada sistema.

Gracias por la aclaración entre sistemas simples y múltiples. Sin embargo, no estoy de acuerdo con su ejemplo, si hay una diferencia de temperatura finita, entonces el proceso no es cuasiestático porque no hay equilibrio térmico en todo momento.
@Dimitri. No creo estar de acuerdo con tu apreciación. Imagine una situación ideal en la que los dos sistemas en contacto tienen calores específicos y conductividades térmicas muy grandes, de modo que la temperatura necesariamente cambia muy lentamente, lo que permite que cada sistema se equilibre muy rápidamente cuando gana un poco de energía térmica. Esto es realmente lo que queremos decir con cuasi-estático, que el comportamiento del sistema se aproxima al de estar en equilibrio en todo momento. De esta manera, cada sistema está experimentando un proceso casi estático. Sin embargo, dado que los dos sistemas están a diferentes temperaturas, ...
el sistema combinado no está pasando por un proceso cuasiestático, porque no está en equilibrio térmico, como dijiste. Esto es exactamente lo que quise decir con la diferencia entre los dos términos: puedes elegir el sistema del que estás hablando cuando usas el término cuasiestático, pero no cuando usas el término reversible.
Creo que entiendo tu punto, gracias por la aclaración.
Esta es una descripción interesante, ya que creo que llega al corazón de un problema planteado en los comentarios a una respuesta mía aquí: physics.stackexchange.com/a/78443/19976
Me preocupa que su definición de cuasiestático pueda malinterpretarse en la forma en que se establece. Considere, por ejemplo, la expansión libre adiabática de un gas ideal en una secuencia de volúmenes adicionales extremadamente pequeños. Si dejamos que el gas alcance el equilibrio antes de permitir que se expanda al siguiente compartimento pequeño, podríamos tener la tentación de llamar a este proceso cuasiestático según su definición, pero personalmente creo que eso violaría el espíritu del término. ¿No debería uno agregar algo como "a medida que el proceso se vuelve más lento/más incremental, los estados de equilibrio sucesivos se vuelven más densos en
(cont.) alguna curva razonablemente suave en el espacio de estados termodinámicos del sistema, y ​​esta curva se puede usar para calcular correctamente cualquier cantidad termodinámica que uno elija para el proceso integrando una forma diferencial apropiada, por ejemplo, calor o trabajo, a lo largo de ella.
@joshfísica. Tendré que pensar en esto. En el caso de la expansión "libre" del gas en una secuencia de volúmenes infinitesimales, al principio me incliné a decir que era casi estática, precisamente porque el sistema se movería a través de una secuencia de estados de equilibrio. Pero si me imagino cómo lograr esto: eliminas una secuencia de particiones infinitamente delgadas, en cuyo caso el sistema no funciona, por lo que el estado final debe ser el mismo que en el verdadero caso de expansión libre. Parece que debería haber una contradicción allí: en el caso libre, la entropía aumenta. (continuación)
@joshfísica. (cont.) En este nuevo caso, la entropía también debería aumentar, pero parece que debería haber una disminución correspondiente en la entropía en otro lugar, porque parece que esto debería ser reversible, pero ¿dónde estaría la disminución de entropía? No estoy seguro.
@march buen punto! Creo que su ejemplo no es cuasiestático incluso en el límite de lo infinitamente pequeño d V aunque para cada paso. La razón es que durante cada paso, la presión varía una cantidad finita (entre PAGS y 0 y de vuelta a PAGS − d PAGS ) para al menos una parte del sistema.

En su pregunta , mencionó dos ejemplos : (1) mover lentamente algo que tiene fricción y (2) mezclar gradualmente dos productos químicos que reaccionan espontáneamente ( Δ GRAMO ≫ 0 ).

Luego dijo que ninguno de estos cuenta como cuasi-estático debido a (1) fricción estática y (2) tamaño mínimo de gota debido a la tensión superficial.

Veo sus objeciones como quisquillosos sin sentido. Primero, con un poco de creatividad, podemos sortear estas objeciones . (1) En lugar de fricción entre dos sólidos, llámelo arrastre viscoso de un sólido en un líquido. (2) Coloque el ácido y la base en dos lados de una barrera con poros extraordinariamente pequeños, de modo que pase una molécula cada minuto. Está bien, dirás, pero eso sigue siendo una molécula a la vez, no verdaderamente infinitesimal. Eso nos lleva al segundo punto, que es que puedes hacer este tipo de quisquillosos con cualquier llamado proceso cuasi-estático.. Tome un motor de Carnot ideal. ¡Es ideal! Tiene paredes perfectamente aislantes y pistones perfectamente libres de fricción y depósitos infinitos con una transferencia de calor infinitesimalmente lenta. ¡Ninguna de estas cosas es físicamente posible!

Toda la noción de "cuasi-estático" es un ideal conceptualmente útil incluso si es un poco inconsistente con las realidades prácticas en muchos (quizás todos) los casos.

Lo que queremos decir con "cuasi-estático" es realmente: Comience con un cambio rápido, y hágalo más y más lento, y vea cuál es el límite a medida que la tasa llega a cero. Si una máquina de Carnot tiene la misma eficiencia en un ciclo por minuto, por semana y por siglo, podemos extrapolar con seguridad que una máquina de Carnot idealmente casi estática, con un ciclo por eternidad, tendría la misma eficiencia. Esto último puede no ser físicamente posible por varias razones, pero está bien, no necesitamos imaginar construirlo.

Del mismo modo, si mezclar productos químicos en el transcurso de una hora libera la misma cantidad de calor (dentro del 0,0001 %) que en el transcurso de un mes, podemos decir que ambos procesos de mezcla son esencialmente cuasiestáticos y a nadie le importa realmente si No es físicamente posible mezclarlos sin problemas en el transcurso de 500 milenios.

Exprimir la pasta de dientes de un tubo.

Hay varias definiciones para cuasi-estático. No son equivalentes. Existe cierta confusión al respecto en la literatura, especialmente en la página de Wikipedia.

Primero, antes de preguntar si cuasi-estático implica reversible, debe aclarar que está hablando del mismo sistema. La respuesta de marzo explica esto. Me centraré en la pregunta una vez que se aclare esta confusión: estás hablando del mismo sistema.

Hasta donde yo sé, la palabra reversible no tiene sentido para un sistema no aislado térmicamente. Por lo tanto, debe elegir un sistema aislado térmicamente, en otras palabras, un proceso adiabático. Si un subsistema no está aislado térmicamente, considere el sistema más grande. Ahora estamos listos para llegar al núcleo de la pregunta.

Entre todas las definiciones de cuasiestático encontramos:

  • el equilibrio es suficiente en cada paso infinitesimal para que se definan las variables macroscópicas (como la temperatura). No está claro: ¿para cada subsistema, para el sistema global?
  • el movimiento es muy lento.
  • el cambio es lo suficientemente lento para que el sistema esté en equilibrio en cada paso infinitesimal

Me centraré en la última definición, a la que llamaré "verdaderamente cuasiestático". Con esta definición, cuasi-estático es equivalente a reversible. Centrémonos en los fundamentos de la mecánica estadística (con la mecánica clásica como trasfondo). En mecánica estadística, un proceso "verdaderamente cuasi-estático" se puede definir como:

"El proceso es equivalente a un cambio progresivo en el hamiltoniano del sistema que es:

  • Adiabático: el cambio no depende del microestado desconocido (posición en el espacio de fase).
  • lo suficientemente lento y suave para que el sistema tenga tiempo de recorrer su órbita de energía completa (en el espacio de fase) para cada cambio infinitesimal en el hamiltoniano. En otras palabras, el sistema puede considerarse en equilibrio en cada paso infinitesimal".

Esta es oficialmente la definición de "adiabático reversible". Cuando escribes d tu = − PAGS d V ( V es cualquier variable de la que depende el hamiltoniano y PAGS es la fuerza generalizada), te refieres a este tipo de proceso. Aunque esto define "reversible", es interesante porque lo hace gracias a un concepto intuitivo de cuasi estaticidad (cambio lento) en lugar del concepto intuitivo de reversibilidad (el proceso inverso conduce al estado inicial). Las dos definiciones son equivalentes. Esto constituye un teorema.

Ejemplos habituales:

  • mover el pistón de una cámara de gas aislada (mucho más lento que la velocidad del sonido).
  • mover un pistón de una cámara de gas en contacto térmico con otro gas (lo suficientemente lento para permitir el equilibrio térmico en cada paso). En este ejemplo, el sistema considerado es la unión de los dos gases.
  • Contraejemplo: la expansión Joule (gratuita) irreversible

Esta definición excluye la transferencia de calor, ya que en el caso del calor, el hamiltoniano varía de una forma que depende del microestado (durante cada colisión con una molécula del otro sistema por ejemplo). Excluye la fricción. Si el movimiento es muy lento pero los poros son muy pequeños, entonces el hamiltoniano varía abruptamente. También excluye este interesante caso mencionado por Huang: “un gas que se expande libremente en sucesivos elementos infinitesimales de volumen”. En efecto, si la pared de potencial es lisa, no puede tratarse de una expansión libre sino de una expansión reversible habitual.

Ahora, considere esta definición de cuasistático: "El sistema está en equilibrio durante el proceso (por lo que la temperatura y otras variables se definen en casi todas partes) excepto posiblemente en pequeños lugares donde ocurre alguna irreversibilidad".

Esto permite la fricción y la viscosidad. Con esta definición, puedes decir que cuasiestático no implica reversible.

Cuasi-estático: proceso lo suficientemente lento como para que el sistema esté prácticamente en equilibrio en cada instante. Reversible: cuando el proceso temporal inverso es realizable en la práctica etc.

Vide Kerson Huang, Statistical Physics, pág. 4, Reversible implica Cuasistático Cuasistático no implica reversibilidad.

Y más... Cuasistático y sin fricción NO implica reversibilidad.

Un ejemplo de proceso cuasi-estático y sin disipación pero NO REVERSIBLE: Una secuencia de expansiones libres infinitesimales sucesivas con largos intervalos de tiempo entre pasos.

Un proceso reversible es que su cambio de entropía es cero. Esto podría ser

△ S = d q T
Entonces, para un proceso isotérmico, si no hay intercambio de calor, entonces es reversible.

Un proceso cuasi-estático es cuando el sistema está casi en estado de equilibrio en cualquier momento. Si no hay transferencia de calor, puede ser un proceso casi estático. Pero con la transferencia de calor, también puede ser un proceso casi estático. Y debido al intercambio de calor, se vuelve irreversible. Por ejemplo, puede calentar muy, muy lentamente el gas en un volumen aumentando su temperatura ambiente (depósito) en 1.0 × 10 − 9 grados C/s.

Un proceso reversible puede tener un cambio de entropía, esto es precisamente lo que escribiste con Δ S ≠ 0 . Y no es cierto que un proceso adiabático isotérmico sea necesariamente reversible.
@Dimitri. Estoy de acuerdo contigo aquí, excepto que probablemente lo que user115350 quiso decir aquí es que el cambio total en la entropía del universo es cero. Claro, los sistemas en contacto entre sí durante el proceso probablemente tendrán cambios de entropía, pero para un proceso reversible, el cambio neto en la entropía de todos los sistemas que intercambian energía será necesariamente cero (prácticamente la definición de reversible).
Me refería a que el proceso reversible tiene un cambio de entropía cero. No sé por qué no es cierto.
Lo siento por mi negligencia; Tomé una condición suficiente en mi respuesta, aunque no es necesaria. Aquí puedo poner un ejemplo de un proceso cuasiestático pero no reversible: cuando doblamos muy lentamente una barra de acero hasta que cede, el proceso es cuasiestático pero irreversible. Romper el enlace entre las moléculas puede generar una pequeña cantidad de calor pero también hacerlo irreversible.
¿Existe un proceso cuasiestático que no sea reversible?
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