可逆过程是指
热力学系统在状态变化时经历的一种理想过程。热力学系统由某一状态出发,经过某一过程到达另一状态后,如果存在另一过程,它能使
系统和外界完全
复原,即使系统回到原来状态,同时又完全消除原来过程对外界所产生的一切影响,则原来的过程称为可逆过程。反之,如果无论采用何种办法都不能使系统和外界完全复原,则原来的过程称为
不可逆过程。
某一系统经过某一过程,由状态(1)变成状态(2)之后,如果能使系统和环境都完全复原(即系统回到原来的状态,同时消除了原来过程对环境所产生的一切影响,环境也复原),则这样的过程就称为可逆过程。
反之,如果用任何方法都不能使系统和环境完全复原,则称为
不可逆过程。
(1)可逆过程是以无限小的变化进行的,整个过程是由一连串非常接近于
平衡态的状态所构成。
(2)在反向的过程中,用同样的手续,循着原来的过程的逆过程,可以使系统和环境完全恢复到原来的状态,而无任何
耗散效应。
(3)在等温
可逆膨胀过程中系统对环境做最大功,在等温可逆压缩过程中环境对系统做最小功。
例如,若气缸与活塞间无摩擦,对于气体在准静态膨胀过程所经历的每一个
平衡态,外界压强等于系统压强;而对于反向的准静态压缩过程所经历的每一个平衡态,外界压强也必然等于系统压强。这样,系统与外界在逆过程中的每一个状态都是原过程相应状态的重复,因而是可逆过程。实际的
热力学过程既不可能完全无耗散,又不可能是严格的
准静态过程,所以可逆过程实际上不存在。但是在理想情况下,可逆过程是可以发生的,如忽略轴摩擦的真空中的单摆运动,它没有能量的损耗。
还有很多接近于可逆情况的实际变化。如,液体在其沸点时的蒸发,固体在其熔点时的熔化,可逆电池在外加
电动势与
电池电动势近似相等情况下的充电与放电等。
在一定的条件和要求下,可以把可逆过程当作实际过程的近似和简化。更重要的是,理想的可逆过程的引入及其与实际的
不可逆过程的区分,是表述
热力学第二定律、引入熵和
熵增加原理的依据。这再一次显示了理想模型的理论威力和重要性。还应强调指出,实际过程的不可逆性是针对由大量
微观粒子组成的
热力学系统而言的。单个或少量
粒子的力学过程都是可逆的。这表明,当研究对象由少量粒子换成大量粒子构成的群体时,物理规律的性质和特征发生了深刻的质的变化。
准静态过程和可逆过程既有区别又有联系,准静态过程中,物系要随时具有力、热和化学的平衡。即处于完全平衡中,这样才能保证准静态过程的实现。而可逆过程的实现则要求过程没有任何不可逆损失。如既无非平衡损失又无耗散损失,过程就是可逆的。准静态过程没有非平衡损失,因此是实现可逆过程的前提条件,但准静态过程并不一定就是可逆过程。比如化学纯气体在喷管内做绝热稳定流动时,垂直于流动方向的各截面上气体的压力和温度均匀一致,过程中气体状态随时处于平衡,此时流动是准静态过程,不会有非平衡损失出现。但同一截面上气体的流速并不相等,中心的流速大于临近管壁处的流速。因而会有流体的宏观相对运动。由于流体的粘性作用,将使气体的宏观动能一部分转化为热能而产生粘性摩擦生热的损失。这时这个流动过程是准静态过程,而不是可逆过程。反过来说,可逆过程则一定是准静态过程。