Intuitivamente, ¿por qué un proceso reversible es uno en el que el sistema está siempre en equilibrio?

Supongo que la respuesta más sencilla es simplemente leer detenidamente tus propias palabras de nuevo. Un proceso reversible es aquel que se puede hacer fluir hacia atrás. Es intuitivo pensar que se puede hacer fluir hacia atrás en cualquier momento que queramos. Pero si el sistema estuviera en un estado de no equilibrio, habría que esperar un poco hasta que se equilibre antes de intentar hacerlo retroceder. Por lo tanto, no satisface nuestro deseo de tener el sistema bajo control en cualquier momento.

Porque un proceso reversible no debe aumentar la entropía en el sistema. Cualquier cambio debido a la falta de equilibrio conducirá a un aumento de la entropía y, por lo tanto, a la irreversibilidad.

Puedes visualizar esto pensando en dos botellas, una llena de gas y otra con vacío. Si las botellas estuvieran conectadas, los átomos migrarían aleatoriamente entre las dos botellas, lo que conduciría a un sistema con el gas dividido entre los contenedores con la misma presión.

Así, el desorden del sistema ha aumentado, porque los átomos que inicialmente estaban todos ordenados en una botella ahora están subdivididos en dos particiones de un volumen mucho mayor. En otras palabras, la falta de equilibrio en la presión conduce a una uniformización de la misma ya un aumento irreversible de la entropía.

Un proceso es reversible si y solo si no hay producción de entropía. Si realiza un proceso de forma cuasiestática, está minimizando la producción de entropía (por ejemplo, al agregar un peso infinitesimal a un pistón para comprimir el aire) y todo el proceso puede considerarse, en una buena aproximación, reversible.

Hay dos formas de ver esto. Un proceso reversible es el límite idealizado de procesos irreversibles que van cada vez más lentos. En el límite, un proceso reversible va "infinitamente lento" (esta es realmente una frase que se usa en algunos textos de termodinámica). Es decir, no se mueve en absoluto. Entonces los puntos tienen que estar en equilibrio, o de lo contrario se estarían moviendo. Cuando llamamos a un proceso "reversible", queremos decir que podría ir en cualquier dirección (pero solo si uno perturba las condiciones externas infinitesimalmente, algo que de hecho altera las condiciones bajo las cuales el proceso se define como reversible, haciéndolo irreversible). Pero, ¿cómo podría el sistema decidir de qué manera? No puede, por supuesto, así que de hecho no se mueve en absoluto. Sólo se movería si se alteraran un poco las condiciones exteriores, favoreciendo un sentido o el otro, y haciendo así irreversible el proceso.

La otra forma de ver esto es por definición de un punto de equilibrio: un punto de equilibrio significa que cada proceso real que se conecta a ese punto debe conducir hacia adentro: ninguno de ellos puede conducir hacia afuera. Si un proceso real, es decir, irreversible, comenzara en un punto y se alejara, el punto no estaría en equilibrio ya que ese proceso comenzaría a funcionar por el teorema de Carnot.

Como soy nuevo en Stack Exchange, vi la pregunta solo ahora y la mía es una respuesta tardía. Si Mark todavía está interesado en una respuesta, entonces:

Es una buena pregunta que gana fuerza adicional con la EDICIÓN.

Para el análisis termodinámico, un proceso debe conectar dos estados de equilibrio A, B de un sistema. Tome un estado C del sistema en el camino de A a B. Ahora podemos considerar el proceso A a C o C a B. Para calificar para tal consideración, C debe satisfacer la condición de que es un estado de equilibrio del sistema . Al elegir C arbitrariamente, se sigue que cada estado del sistema a lo largo del camino A a B debe ser un estado de equilibrio.

Llegando a la EDICIÓN:

Para simplificar la discusión, supongamos que el sistema es un sistema adiabático. Supongamos que A es un estado de equilibrio y B no lo es. Luego, deje que el sistema vaya de A a B reversiblemente (si es posible), luego la entropía del sistema (y del universo en este caso) disminuye. Por lo tanto, el proceso B a A se convierte en un proceso espontáneo. Entonces podemos emplear el proceso espontáneo B a A para que trabaje por nosotros. Por lo tanto, dejamos que el proceso avance de forma reversible de A a B, luego lo dejamos ir de B a A espontáneamente, haciendo el trabajo por nosotros. ¡Podemos repetir este proceso indefinidamente y perpetuamente extrayendo trabajo (energía) de la nada! Por lo tanto, logramos un movimiento perpetuo si un sistema adiabático pasa de un estado de equilibrio A a un estado de no equilibrio B de manera reversible.

Radhakrishnamurty Padyala