Proceso reversible (termodinámica)

Para otras formas de reversibilidad, consulte reversibilidad (desambiguación) .

Termodinámica
El motor térmico clásico de Carnot
Sucursales Clásico Estadístico Químico Termodinámica cuántica Equilibrio  / No equilibrio
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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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Otro Nucleación Autoensamblaje Autoorganización Orden y desorden
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En termodinámica , un proceso reversible es un proceso cuya dirección se puede invertir para devolver el sistema a su estado original induciendo cambios infinitesimales en alguna propiedad del entorno del sistema . ^{[1] [2]} Durante todo el proceso reversible, el sistema está en equilibrio termodinámico con su entorno. Habiendo sido invertido, no deja ningún cambio ni en el sistema ni en los alrededores. Dado que se necesitaría una cantidad infinita de tiempo para que finalice el proceso reversible, los procesos perfectamente reversibles son imposibles. Sin embargo, si el sistema que experimenta los cambios responde mucho más rápido que el cambio aplicado, la desviación de la reversibilidad puede ser insignificante. en unciclo reversible , un proceso cíclico reversible, el sistema y su entorno volverán a sus estados originales si un medio ciclo es seguido por el otro medio ciclo. ^[3]

Resumen

Los procesos termodinámicos se pueden llevar a cabo de dos formas: reversible o irreversiblemente. La reversibilidad significa que la reacción opera continuamente en cuasiequilibrio. En un proceso ideal termodinámicamente reversible, la energía del trabajo realizado por o sobre el sistema se maximizaría y la del calor sería cero. Sin embargo, el calor no se puede convertir completamente en trabajo y siempre se perderá en algún grado (hacia el entorno). (Esto es cierto solo en el caso de un ciclo. En el caso de un proceso ideal, el calor se puede convertir completamente en trabajo, por ejemplo, expansión isotérmica de un gas ideal en una disposición de pistón-cilindro). El fenómeno de trabajo maximizado y calor minimizado se puede visualizar en un gráfico de presión-volumen como el área debajo de la curva de equilibrio, que representa el trabajo realizado. Para maximizar el trabajo,hay que seguir la curva de equilibrio con precisión.

Los procesos irreversibles, por otro lado, son el resultado de alejarse de la curva, lo que disminuye la cantidad de trabajo total realizado; un proceso irreversible puede describirse como un proceso termodinámico que se aparta del equilibrio. La irreversibilidad se define como la diferencia entre el trabajo reversible y el trabajo real de un proceso. Cuando se describe en términos de presión y volumen, ocurre cuando la presión (o el volumen) de un sistema cambia de manera tan dramática e instantánea que el volumen (o la presión) no tiene tiempo para alcanzar el equilibrio. Un ejemplo clásico de irreversibilidad es permitir que se libere un cierto volumen de gas al vacío. Al liberar presión sobre una muestra y permitir que ocupe un gran espacio,el sistema y el entorno no están en equilibrio durante el proceso de expansión y se realiza poco trabajo. Sin embargo, se requerirá un trabajo significativo, con una cantidad correspondiente de energía disipada como flujo de calor al medio ambiente, para revertir el proceso (comprimiendo el gas de nuevo a su volumen y temperatura originales).^[4]

Una definición alternativa de proceso reversible es un proceso que, una vez que ha tenido lugar, puede revertirse y, cuando se invierte, devuelve el sistema y su entorno a sus estados iniciales. En términos termodinámicos, un proceso que "tiene lugar" se referiría a su transición de un estado a otro.

Irreversibilidad

En un proceso irreversible , se realizan cambios finitos; por lo tanto, el sistema no está en equilibrio durante todo el proceso. En el mismo punto de un ciclo irreversible, el sistema estará en el mismo estado, pero los alrededores cambiarán permanentemente después de cada ciclo. ^[3] Es la diferencia entre el trabajo reversible y el trabajo real para un proceso como se muestra en la siguiente ecuación: I = W _rev - W _a

Proceso adiabático reversible : el estado de la izquierda se puede alcanzar desde el estado de la derecha y viceversa sin intercambiar calor con el medio ambiente.

Límites y estados

Un proceso reversible cambia el estado de un sistema de tal manera que el cambio neto en la entropía combinada del sistema y su entorno es cero. Los procesos reversibles definen los límites de cuán eficientes pueden ser los motores térmicos en termodinámica e ingeniería: un proceso reversible es aquel en el que no se pierde calor del sistema como "desperdicio" y, por lo tanto, la máquina es lo más eficiente posible (ver Carnot ciclo ).

En algunos casos, es importante distinguir entre procesos reversibles y cuasiestáticos . Los procesos reversibles son siempre cuasiestáticos, pero lo contrario no siempre es cierto. ^[2] Por ejemplo, una compresión infinitesimal de un gas en un cilindro donde existe fricción entre el pistón y el cilindro es un proceso cuasiestático, pero no reversible. ^[5] Aunque el sistema ha salido de su estado de equilibrio sólo una cantidad infinitesimal, el calor se ha perdido irreversiblemente debido a la fricción y no se puede recuperar simplemente moviendo el pistón infinitesimalmente en la dirección opuesta.

Arcaísmos de ingeniería

Históricamente , el término principio de Tesla se utilizó para describir (entre otras cosas) ciertos procesos reversibles inventados por Nikola Tesla . ^[6] Sin embargo, esta frase ya no se usa convencionalmente. El principio establece que algunos sistemas se pueden invertir y operar de manera complementaria. Fue desarrollado durante la investigación de Tesla en corrientes alternas donde la magnitud y la dirección de la corriente variaban cíclicamente. Durante una demostración de la turbina Tesla , los discos giraron y la maquinaria sujeta al eje fue operada por el motor. Si se invirtió el funcionamiento de la turbina, los discos actuaron como una bomba . ^[7]

Ver también

• Reversibilidad del tiempo
• Ciclo de Carnot
• Producción de entropía
• Puerta de toffoli
• Evolución del tiempo
• Circuito cuántico
• Computación reversible
• Demonio de Maxwell
• motor Stirling

Referencias

1. McGovern, Judith (17 de marzo de 2020). "Procesos reversibles" . PHYS20352 Física térmica y estadística . Universidad de Manchester . Consultado el 2 de noviembre de 2020 . Este es el sello distintivo de un proceso reversible: un cambio infinitesimal en las condiciones externas invierte la dirección del cambio.
2. Sears, FW y Salinger, GL (1986), Termodinámica, teoría cinética y termodinámica estadística , tercera edición (Addison-Wesley).
3. Zumdahl, Steven S. (2005) "10.2 La expansión isotérmica y la compresión de un gas ideal". Principios químicos. Quinta edición. (Compañía Houghton Mifflin)
4. ¡Reglas de entropía inferiores, S. (2003) ! ¿Qué es la entropía? Entropía
5. Giancoli, DC (2000), Física para científicos e ingenieros (con física moderna) , tercera edición (Prentice-Hall.)
6. Experimentador eléctrico , enero de 1919. p. 615. [1]
7. "Nuevo monarca de máquinas de Tesla" . El New York Herald Tribune . Asociación de Fabricantes de Motores Tesla. 15 de octubre de 1911. Archivado desde el original el 28 de septiembre de 2011.