Tengo cierta confusión acerca de las definiciones de una transformación termodinámica cuasi-estática y reversible.
Según tengo entendido, un proceso cuasiestático es aquel que ocurre lo suficientemente lento como para que el sistema permanezca en equilibrio interno en todo momento.
Ejemplo:
Considere un cilindro que contiene algo de gas en el que empujamos un pistón lentamente para comprimir el gas. Si la compresión es lo suficientemente lenta, las moléculas del gas tienen tiempo de reaccionar y alcanzar un estado de equilibrio dentro del cilindro, por lo que en un momento dado la presión y la temperatura del gas están bien definidas. Es decir, la fuerza por unidad de área es homogénea a través de las paredes del recipiente y la energía cinética promedio de cualquier subsistema de partículas de gas es la misma.
No ejemplo:
Si, por otro lado, tiramos hacia arriba del pistón más rápido que las moléculas más rápidas del gas, habrá un vacío momentáneo que separa el gas y el pistón, que dura hasta que el gas sube rápidamente para llenar todo el volumen de todo el espacio. . Durante este ajuste, la presión en la parte inferior del cilindro es mayor que la presión en el pistón (que es cero hasta que las moléculas de gas lo alcanzan), por lo que la presión no está bien definida.
En cuanto a la reversibilidad, nunca he visto una definición rigurosa. Permítanme tratar de formalizar lo que he entendido lo mejor posible. Llamemos a un camino una función que mapea un punto en el tiempo a un punto en el diagrama pV: , definido en algún intervalo de tiempo .
Decimos un camino conectando un estado a un estado es reversible si se puede recorrer a la inversa, es decir, si el camino para es físicamente posible.
Intuitivamente, si tomamos un video de algún proceso que transforma un gas del estado a estado y rebobinarlo, entonces es posible hacer un experimento que trae el gas del estado a estado que será indistinguible del vídeo rebobinado.
Pregunta 1: ¿Es esta una buena definición de reversibilidad?
Pregunta 2: Además, no entiendo por qué Wikipedia dice "La reversibilidad se refiere a realizar una reacción continuamente en equilibrio". ¿No es esta la definición de cuasiestático? ¿O se refieren a una reacción continuamente en equilibrio con su entorno ?
Claro ejemplo de un proceso irreversible
El experimento de Joule-Guy-Lussac, en el que se retira repentinamente una barrera que encierra algo de gas en un subcompartimento de un contenedor, lo que permite que el gas llene todo el volumen del contenedor. Suponiendo que las paredes del recipiente y la barrera sean adiabáticas, esto no es reversible porque la energía interna del sistema permanece igual durante todo el proceso, pero se requeriría trabajo para comprimir el gas a su volumen inicial. Alternativamente, si tomamos el gas en el estado en el que ha llenado todo el volumen y de repente reemplazamos la barrera, el gas, por supuesto, no volvería a su estado original.
También tenga en cuenta que el ejemplo anterior no es casi estático, ya que la barrera se elimina repentinamente.
Para que un proceso se considere reversible, como mínimo, el sistema sobre el que se impone el proceso debe pasar por una secuencia continua de estados de equilibrio termodinámico. Esta es la forma más sencilla de juzgar si un proceso es reversible o no. Pero, ¿por qué ese proceso se consideraría reversible? Bueno, pasar por una secuencia continua de estados de equilibrio termodinámico es solo el requisito mínimo para que el proceso sea reversible. Tal proceso es denominado por Moran et al (Fundamentals of Engineering Thermodynamics) como "internamente reversible".
Pero, para la reversibilidad total, el entorno también debe pasar a través de un conjunto de estados de equilibrio termodinámico correspondiente. Si se cumple esta condición, entonces es posible devolver tanto el sistema como su entorno a sus estados originales de equilibrio termodinámico, sin afectar más que insignificantemente el estado de cualquier otra cosa. Este es el requisito realmente estricto para la reversibilidad total.
Tenga en cuenta que es completamente posible que un sistema pase a través de una secuencia continua de estados de equilibrio termodinámico, sin que su entorno experimente un conjunto correspondiente/coincidente de estados de equilibrio termodinámico. Tal proceso se consideraría (internamente) reversible en términos del sistema, pero no para su entorno, y el proceso global no se consideraría totalmente reversible. Un ejemplo de esto sería si manualmente causara que un gas se expanda adiabáticamente o se contraiga cuasi-estáticamente. El proceso se consideraría (internamente) reversible para el gas, pero no para su cuerpo. Tu cuerpo (que representa el entorno) experimenta muchas interconversiones irreversibles de energía en sus músculos que le impiden pasar por una secuencia continua de estados de equilibrio termodinámico. Entonces, el sistema en sí podría regresar a su estado de equilibrio termodinámico original, pero no su cuerpo. Sin embargo, hay otras formas de estructurar el entorno para este ejemplo, de modo que el entorno también experimente una secuencia correspondiente/coincidente de estados de equilibrio termodinámico.
Entonces, en resumen, una buena definición de un proceso reversible para un sistema (despreciando lo que sucede en el entorno) es que el sistema pasa por una secuencia continua de estados de equilibrio termodinámico (proceso internamente reversible).
Pippard (en The Elements of Classical Thermodynamics ) define un proceso reversible como uno que puede ser exactamente invertido por un cambio infinitesimal en las condiciones externas.
Un proceso reversible tiene que ser cuasiestático. Un proceso no cuasiestático, como su experimento de Gay-Lussac (también conocido como expansión de Joule) es claramente irreversible: ¿qué cambio infinitesimal en las condiciones externas podría hacer que el gas volviera a su volumen original?
Pero creo que la reversibilidad es un requisito más general que ser casi estático. Ejemplos de cambios irreversibles son el calor que fluye a lo largo de un gradiente de temperatura finito, una carga eléctrica que fluye a través de una resistencia, un objeto que se desliza sobre un suelo áspero, que agita un líquido. Puede ser que se pueda demostrar que todos estos son tanto no cuasiestáticos como irreversibles, pero (al menos para mí) su irreversibilidad es mucho más clara de ver.
Un proceso cuasiestático está en equilibrio en todo momento, trazando una trayectoria bien definida en el espacio de fase termodinámico. Si puede seguir esa trayectoria en la dirección opuesta, el proceso se llama reversible. ¡No es suficiente encontrar otra trayectoria que te devuelva al estado inicial!
Una condición necesaria para la reversibilidad es que el proceso no produzca entropía (por ejemplo, debe ocurrir sin fricción).
En primer lugar, la irreversibilidad equivale a entropía creciente, la reversibilidad equivale a entropía constante. Por ejemplo, un péndulo idealizado es un sistema reversible. Una cámara de aire idealizada también funcionaría, como un pistón sin fricción entre dos volúmenes de aire térmicamente aislados en un cilindro, que podría oscilar de un lado a otro indefinidamente, comprimiendo (y elevando la temperatura) alternativamente los dos volúmenes.
Por el contrario, un proceso cuasiestático podría ser un resorte neumático que comienza con un lado comprimido y ambas temperaturas iguales, y donde el pistón se mueve lentamente para igualar la presión mientras las temperaturas se mantienen iguales. Esto aumenta la entropía. El equilibrio aquí es solo térmico: la presión solo se iguala al final.
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