Proceso irreversible

Para conocer el concepto de la teoría de la evolución, consulte la ley de Dollo . Para otros usos, consulte Dinámica reversible .

Termodinámica
El motor térmico clásico de Carnot
Sucursales Clásico Estadístico Químico Termodinámica cuántica Equilibrio  / No equilibrio
Leyes Zeroth Primero Segundo Tercero
Sistemas Sistema cerrado Sistema aislado Expresar Ecuación de estado Gas ideal Gas real Estado de la materia Fase (materia) Equilibrio Control de volumen Instrumentos Procesos Isobárico Isocórico Isotermo Adiabático Isentrópico Isenthalpic Cuasiestático Politrópico Expansión libre Reversibilidad Irreversibilidad Endoreversibilidad Ciclos Motores térmicos Bombas de calor Eficiencia térmica
Propiedades del sistema Nota: Variables conjugadas en cursiva Diagramas de propiedades Propiedades intensivas y extensas Funciones de proceso Trabajo Calor Funciones del estado Temperatura  / Entropía  ( introducción ) Presión  / Volumen Potencial químico  / Número de partículas Calidad de vapor Propiedades reducidas
Propiedades materiales Bases de datos de propiedades Capacidad calorífica específica  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compresibilidad  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Expansión térmica  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Ecuaciones Teorema de carnot Teorema de clausius Relación fundamental Ley de los gases ideales Relaciones de Maxwell Onsager relaciones recíprocas Ecuaciones de Bridgman Tabla de ecuaciones termodinámicas
Potenciales Energía gratis Entropía libre Energía interna ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpía ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Energía libre de Helmholtz ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Energía libre de Gibbs ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
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Científicos Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson Van der Waals Waterston
Otro Nucleación Autoensamblaje Autoorganización Orden y desorden
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En ciencia, un proceso que no es reversible se denomina irreversible . Este concepto surge con frecuencia en termodinámica .

En termodinámica, un cambio en el estado termodinámico de un sistema y todo su entorno no puede restaurarse con precisión a su estado inicial mediante cambios infinitesimales en alguna propiedad del sistema sin gasto de energía. Un sistema que se somete a un proceso irreversible aún puede volver a su estado inicial. Sin embargo, la imposibilidad ocurre en restaurar el medio ambiente a sus propias condiciones iniciales. Un proceso irreversible aumenta la entropía del universo. Debido a que la entropía es una función de estado , el cambio en la entropía del sistema es el mismo, ya sea que el proceso sea reversible o irreversible. La segunda ley de la termodinámica. se puede utilizar para determinar si un proceso es reversible o no.

Intuitivamente, un proceso es reversible si no hay disipación. Por ejemplo, expansión de Joulees irreversible porque inicialmente el sistema no es uniforme. Inicialmente, hay parte del sistema con gas y parte del sistema sin gas. Para que se produzca la disipación, es necesario que exista tal falta de uniformidad. Esto es lo mismo que si en un sistema una sección del gas estuviera caliente y la otra fría. Entonces ocurriría la disipación; la distribución de la temperatura se volvería uniforme sin que se realizara ningún trabajo, y esto sería irreversible porque no podría agregar o eliminar calor o cambiar el volumen para devolver el sistema a su estado inicial. Por lo tanto, si el sistema es siempre uniforme, entonces el proceso es reversible, lo que significa que puede devolver el sistema a su estado original agregando o eliminando calor, trabajando en el sistema o dejando que el sistema funcione. Como otro ejemplo,para aproximar la expansión en un motor de combustión interna como reversible, estaríamos asumiendo que la temperatura y la presión cambian uniformemente en todo el volumen después de la chispa. Obviamente, esto no es cierto y hay unllama frontal y, a veces, incluso el motor golpea . Una de las razones por las que los motores diésel pueden alcanzar una mayor eficiencia es que la combustión es mucho más uniforme, por lo que se pierde menos energía por disipación y el proceso está más cerca de ser reversible. ^{[ cita requerida ]}

Todos los procesos naturales complejos son irreversibles. ^{[1] [2] [3] [4]} El fenómeno de irreversibilidad resulta del hecho de que si un sistema termodinámico , que es cualquier sistema de complejidad suficiente, de moléculas en interacción se lleva de un estado termodinámico a otro, la configuración o disposición de los átomos y moléculas del sistema cambiarán de una manera que no es fácilmente predecible. ^{[5] [6]} Se utilizará algo de "energía de transformación", ya que las moléculas del "cuerpo de trabajo" funcionan entre sí cuando cambian de un estado a otro. Durante esta transformación, habrá alguna pérdida o disipación de energía térmica.debido a la fricción intermolecular y las colisiones. Esta energía no será recuperable si se invierte el proceso.

Se ha descubierto que muchos procesos biológicos que alguna vez se pensó que eran reversibles son en realidad una pareja de dos procesos irreversibles. Mientras que una vez se creía que una sola enzima catalizaba los cambios químicos directos e inversos, la investigación ha encontrado que normalmente se necesitan dos enzimas separadas de estructura similar para realizar lo que da como resultado un par de procesos termodinámicamente irreversibles. ^[7]

Reversibilidad absoluta versus estadística

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La termodinámica define el comportamiento estadístico de un gran número de entidades, cuyo comportamiento exacto viene dado por leyes más específicas. Dado que las leyes teóricas fundamentales de la física son todas reversibles en el tiempo, ^[8] sin embargo, experimentalmente, la probabilidad de reversibilidad real es baja, las presuposiciones anteriores pueden cumplirse y / o recuperarse el estado anterior solo en un grado mayor o menor (ver: principio de incertidumbre ). La reversibilidad de la termodinámica debe ser de naturaleza estadística; es decir, que debe ser simplemente muy improbable, pero no imposible, que un sistema tenga una entropía más baja.

Historia

El físico alemán Rudolf Clausius , en la década de 1850, fue el primero en cuantificar matemáticamente el descubrimiento de la irreversibilidad en la naturaleza mediante la introducción del concepto de entropía . En sus memorias de 1854 "Sobre una forma modificada del segundo teorema fundamental en la teoría mecánica del calor", Clausius afirma:

Puede ocurrir, además, que en lugar de una transmisión descendente de calor que acompañe, en el mismo proceso, a la transmisión ascendente, se produzca otro cambio permanente que tenga la particularidad de no ser reversible sin ser sustituido por un nuevo cambio permanente. de un tipo similar, o produciendo una transmisión descendente de calor.

Simplemente, Clausius afirma que es imposible que un sistema transfiera calor de un cuerpo más frío a uno más caliente. Por ejemplo, una taza de café caliente colocada en un área a temperatura ambiente (~ 72 ° F) transferirá calor a su entorno y, por lo tanto, se enfriará con la temperatura de la habitación aumentando ligeramente a ( ~ 72.3 ° F ). Sin embargo, esa misma taza de café inicial nunca absorberá el calor de su entorno, lo que hará que se caliente aún más, con la temperatura de la habitación disminuyendo a ( ~ 71,7 ° F ). Por lo tanto, el proceso de enfriamiento del café es irreversible a menos que se agregue energía extra al sistema.

Sin embargo, surgió una paradoja al intentar conciliar el microanálisis de un sistema con las observaciones de su macroestado. Muchos procesos son matemáticamente reversibles en su microestado cuando se analizan utilizando la mecánica newtoniana clásica. Esta paradoja contamina claramente las explicaciones microscópicas de la tendencia macroscópica hacia el equilibrio, como el argumento de 1860 de James Clerk Maxwell de que las colisiones moleculares implican una igualación de las temperaturas de los gases mezclados. ^[9] Desde 1872 hasta 1875, Ludwig Boltzmann reforzó la explicación estadística de esta paradoja en la forma de la fórmula de entropía de Boltzmann.indicando que a medida que aumenta el número de posibles microestados en los que podría estar un sistema, la entropía del sistema aumenta y es menos probable que el sistema vuelva a un estado anterior. Sus fórmulas cuantificaron el trabajo realizado por William Thomson, primer barón Kelvin, quien había argumentado que:

Las ecuaciones de movimiento en dinámica abstracta son perfectamente reversibles; cualquier solución de estas ecuaciones sigue siendo válida cuando la variable de tiempo t se reemplaza por –t. Por otro lado, los procesos físicos son irreversibles: por ejemplo, la fricción de sólidos, conducción de calor y difusión. Sin embargo, el principio de disipación de la energía es compatible con una teoría molecular en la que cada partícula está sujeta a las leyes de la dinámica abstracta.

^{[10] [11]}

Otra explicación de los sistemas irreversibles fue presentada por el matemático francés Henri Poincaré . En 1890, publicó su primera explicación de la dinámica no lineal, también llamada teoría del caos . Aplicando la teoría del caos a la segunda ley de la termodinámica , la paradoja de la irreversibilidad se puede explicar en los errores asociados con el escalado de microestados a macroestados y los grados de libertad utilizados al realizar observaciones experimentales. La sensibilidad a las condiciones iniciales relacionadas con el sistema y su entorno en el microestado se compone de una exhibición de características irreversibles dentro del ámbito físico observable. ^[12]

Proceso adiabático irreversible : si el cilindro es un aislante perfecto, el estado inicial superior izquierdo ya no se puede alcanzar después de que se cambia al de arriba a la derecha. En cambio, se asume el estado de la parte inferior izquierda cuando se vuelve a la presión original porque la energía se convierte en calor.

Ejemplos de procesos irreversibles

En el ámbito físico, están presentes muchos procesos irreversibles a los que se puede atribuir la incapacidad de lograr el 100% de eficiencia en la transferencia de energía. La siguiente es una lista de eventos espontáneos que contribuyen a la irreversibilidad de los procesos. ^[13]

• Muerte
• Transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita
• Fricción
• Deformación plastica
• Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia.
• Magnetización o polarización con histéresis
• Expansión desenfrenada de fluidos
• Reacciones químicas espontáneas
• Mezcla espontánea de materia de composición / estados variables

Una expansión de Joulees un ejemplo de termodinámica clásica, ya que es fácil calcular el aumento de entropía resultante. Ocurre cuando un volumen de gas se mantiene en un lado de un recipiente aislado térmicamente (a través de una pequeña partición), con el otro lado del recipiente siendo evacuado; A continuación, se abre la partición entre las dos partes del recipiente y el gas llena todo el recipiente. La energía interna del gas permanece igual, mientras que el volumen aumenta. El estado original no se puede recuperar simplemente comprimiendo el gas a su volumen original, ya que esta compresión aumentará la energía interna. El estado original solo puede recuperarse enfriando luego el sistema recomprimido y, por lo tanto, calentando irreversiblemente el ambiente. El diagrama de la derecha se aplica solo si la primera expansión es "libre" (expansión Joule). es decirno puede haber presión atmosférica fuera del cilindro y no se puede levantar ningún peso.

Sistemas complejos

La diferencia entre eventos reversibles e irreversibles tiene un valor explicativo particular en sistemas complejos (como organismos vivos o ecosistemas ). Según los biólogos Humberto Maturana y Francisco Varela , los organismos vivos se caracterizan por la autopoyesis , lo que permite su existencia continuada. El físico y químico Ilya Prigogine ha descrito formas más primitivas de sistemas autoorganizados . En el contexto de sistemas complejos, eventos que conducen al final de ciertos procesos autoorganizados , como la muerte., la extinción de una especie o el colapso de un sistema meteorológico pueden considerarse irreversibles. Incluso si se pudiera desarrollar un clon con el mismo principio organizativo (por ejemplo, una estructura de ADN idéntica), esto no significaría que el antiguo sistema distinto vuelva a existir. Los eventos a los que pueden adaptarse las capacidades de autoorganización de organismos, especies u otros sistemas complejos, como lesiones menores o cambios en el entorno físico, son reversibles. Sin embargo, la adaptación depende de la importación de negentropía en el organismo, aumentando así los procesos irreversibles en su entorno. ^[14] Principios ecológicos, como los de sostenibilidad y el principio de precauciónpuede definirse con referencia al concepto de reversibilidad. ^{[15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24]}

Ver también

• Producción de entropía
• Entropía (flecha del tiempo)
• Exergía
• Proceso reversible (termodinámica)
• Función unidireccional
• Termodinámica de desequilibrio
• Ruptura de simetría

Referencias

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2. Grazzini; Lucía, U. (1997). "Análisis global de disipaciones por irreversibilidad". Revue Gènèrale de Thermique . 36 (8): 605–609. doi : 10.1016 / s0035-3159 (97) 89987-4 .
3. Lucía, U. (2008). "Probabilidad, ergodicidad, irreversibilidad y sistemas dinámicos". Actas de la Royal Society A: Ciencias Matemáticas, Físicas e Ingeniería . 464 (2093): 1089–1104. Código Bibliográfico : 2008RSPSA.464.1089L . doi : 10.1098 / rspa.2007.0304 . S2CID 34898343 . 
4. Grazzini G. e Lucia U., 2008 Tasa de evolución de los sistemas termodinámicos, 1er taller internacional "Forma y termodinámica" - Florencia 25 y 26 de septiembre de 2008, págs. 1-7
5. Lucía U., 2009, Irreversibilidad, entropía e información incompleta, Physica A: Mecánica estadística y sus aplicaciones, 388, págs. 4025-4033
6. Lucía, U (2008). "Enfoque estadístico de la variación de entropía irreversible". Physica A: Mecánica estadística y sus aplicaciones . 387 (14): 3454–3460. Código bibliográfico : 2008PhyA..387.3454L . doi : 10.1016 / j.physa.2008.02.002 .
7. Lucía U., "Entropía irreversible en sistemas biológicos", EPISTEME Lucia, U .; Maino, G. (2003). "Análisis termodinámico de la dinámica de la interacción del tumor con el sistema inmunológico del huésped". Physica A: Mecánica estadística y sus aplicaciones . 313 (3–4): 569–577. Código bibliográfico : 2002PhyA..313..569L . doi : 10.1016 / S0378-4371 (02) 00980-9 .
   
8. David Albert sobre tiempo y oportunidad
9. Gyenis, Balazs (2017). "Maxwell y la distribución normal: una historia coloreada de probabilidad, independencia y tendencia hacia el equilibrio". Estudios de Historia y Filosofía de la Física Moderna . 57 : 53–65. arXiv : 1702.01411 . Código Bib : 2017SHPMP..57 ... 53G . doi : 10.1016 / j.shpsb.2017.01.001 . S2CID 38272381 . 
10. Bishop, RC et al. "Irreversibilidad en Mecánica Cuántica". Recibido el 19 de enero de 2004.
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14. Longo, Giuseppe; Montévil, Maël (1 de enero de 2012). Dinneen, Michael J .; Khoussainov, Bakhadyr; Nies, André (eds.). Computación, física y más . Apuntes de conferencias en informática. Springer Berlín Heidelberg. págs. 289-308. CiteSeerX 10.1.1.640.1835 . doi : 10.1007 / 978-3-642-27654-5_22 . ISBN  9783642276538.
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