La termodinámica y la segunda ley de Newton

Debe tener un poco de cuidado con lo que quiere decir cuando pregunta si la mecánica newtoniana es reversible o no. Como se indicó en uno de los comentarios, la mecánica de Newton es solo un conjunto de reglas que le dicen cómo aceleran los objetos si están sujetos a algunos conjuntos de fuerzas. No te dice necesariamente la naturaleza de estas fuerzas ni de dónde vienen.

Para comprender qué procesos son reversibles, es decir, pueden retroceder en su propio camino, consideremos algunos ejemplos.

Gravedad: Aquí las fuerzas solo dependen de la distancia entre dos partículas, por lo que no importa la dirección del movimiento de una partícula. Las ecuaciones de movimiento son, por lo tanto, simétricas de inversión temporal (cambiar la dirección del tiempo significa cambiar la dirección de todas las velocidades) y, por lo tanto, cualquier proceso gravitatorio es reversible.

Fricción: la fricción depende principalmente de la velocidad del objeto sobre el que actúa la fricción. Como tales, estas fuerzas no son simétricas en el tiempo y los procesos de ficción no son reversibles. Desde el punto de vista de la mecánica estadística, esto se explica por la disipación de energía del sistema de manera no detectable.

Magnetismo: las fuerzas magnéticas (la fuerza de Lorenz) tampoco son simétricas en el tiempo, ya que depende de la velocidad de una partícula. Sin embargo, aquí sucede algo divertido bajo la inversión del tiempo. Si una partícula se mueve en un campo magnético constante (trazando un círculo), si inviertes la dirección del movimiento, todavía se moverá en un círculo del mismo tamaño, pero este nuevo círculo solo tocará el círculo anterior en un punto único.

Ahora he elaborado un poco. Espero haber ayudado.

Lo que trato de decir es que tiene igual sentido si una bola rueda hacia abajo o hacia arriba (sin fricción) en un sistema newtoniano. El "proceso" es entonces reversible. En termodinámica, un proceso solo tendrá un sentido en una situación dada, por lo tanto, irreversible. – Hamid Mohammad hace 18 horas

Cuando piensas en una pelota rodando hacia arriba o hacia abajo de una colina, es fácil imaginar que no tienes fricción. "En termodinámica, un proceso" es a menudo irreversible debido al hecho de que parte de la energía se disipa en calor debido a lo que microscópicamente son fenómenos de fricción entre moléculas. Entonces tu pregunta no es estrictamente justa.

La segunda ley de Newton y la segunda ley de la termodinámica no son mutuamente excluyentes. Ciertos tipos de procesos mecánicos son reversibles, incluso si ocurren espontáneamente en un sistema aislado (y no son cuasiestáticos). Dos ejemplos de tales procesos son (a) la interconversión de energía potencial y energía cinética sin fricción y (b) sistemas de resorte-masa que muestran un movimiento armónico simple. Dichos procesos no involucran fricción seca o disipación viscosa de energía mecánica (a veces llamada fricción viscosa húmeda), las cuales generan entropía.

Entonces, ¿cuáles son las características generales de los procesos mecánicamente reversibles y de los procesos irreversibles, los cuales son consistentes con la segunda ley de Newton y la segunda ley de la termodinámica?

Los procesos mecánicamente reversibles involucran solo fuerzas conservativas (como las fuerzas gravitatorias del cuerpo) y fuerzas de deformación puramente elásticas (como resortes o sólidos elásticos más complicados) e interconversión de energía potencial, energía elástica y energía cinética. Pero no hay fricción cinética ni amortiguamiento viscoso. En los procesos mecánicamente reversibles, no hay generación de entropía dentro del sistema durante el proceso ni aumento de la entropía del sistema como resultado del proceso.

Los procesos mecánicos irreversibles son siempre identificables como aquellos que implican fricción cinética o amortiguamiento viscoso: sistemas que incluyen un amortiguador real, sistemas que implican una deformación muy rápida de los gases (por lo tanto, implican un comportamiento viscoso del gas), sistemas líquidos que implican la deformación de fluidos viscosos, sistemas que implican la resistencia del aire. Todos estos procesos dan como resultado la generación de entropía dentro del sistema y, en un sistema aislado, dan como resultado un aumento de la entropía del sistema.

Además de la irreversibilidad relacionada con el comportamiento mecánico friccional/viscoso, también puede haber irreversibilidad relacionada con la transferencia de calor. Esto ocurre cuando hay gradientes de temperatura finitos (a diferencia de infinitesimales) dentro del sistema durante el proceso. Esto también da como resultado la generación de entropía durante el proceso y un aumento de la entropía de un sistema aislado.

Por supuesto, también puede haber ambos tipos de irreversibilidad presentes en un sistema durante un proceso.