A l'estudi de la termodinàmica, els processos reversibles i irreversibles tenen un paper fonamental en la comprensió del comportament dels sistemes termodinàmics i les transformacions d'energia.
Aquests dos tipus de processos representen extrems oposats en termes deficiència i pèrdua denergia.
Vegem detalladament què signifiquen aquests dos processos termodinàmics i com difereixen entre si.
Processos reversibles: definició i exemples
Un procés reversible es defineix com aquell que pot ser invertit completament en cadascuna de les seves etapes, sense deixar cap canvi residual al sistema o als voltants. En un procés reversible, el sistema es manté en equilibri termodinàmic en tot moment, cosa que implica que les propietats del sistema no experimenten canvis abruptes ni discontinuïtats durant el procés.
Una característica clau dels processos reversibles és que segueixen una trajectòria suau al diagrama d'estats termodinàmics, ja sigui en un diagrama de pressió-volum (diagrama PV) o en un diagrama de temperatura-entropia (diagrama TS).
A més, els processos reversibles tenen la propietat de ser quasiestàtics, és a dir, es duen a terme en una sèrie d'estats d'equilibri infinitesimalment propers.
Exemples de processos reversibles
-
Expansió isotèrmica d'un gas ideal: En un gas ideal, una expansió isotèrmica a una temperatura constant és un procés reversible. Es fa lentament per mantenir l'equilibri tèrmic amb els voltants i assegurar que la pressió i el volum canviïn de manera suau.
-
Compressió adiabàtica reversible: En un procés adiabàtic reversible, es realitza una compressió ràpida i sense transferència de calor cap o des del sistema. Perquè sigui reversible, cal fer-ho de manera molt ràpida per minimitzar la dissipació d'energia i mantenir el sistema en equilibri en tot moment.
-
Barreja de gasos ideals: Si es barregen dos gasos ideals inicialment separats i en equilibri, el procés de mescla es considera reversible, sempre que es faci de manera lenta i es mantingui l'equilibri a cada etapa. No hi ha transferència de calor ni canvis abruptes a les propietats del sistema durant el procés.
-
Cicle de Carnot: El cicle de Carnot és un cicle termodinàmic teòric que consta de dos processos adiabàtics reversibles i dos processos isotèrmics reversibles. Es considera el cicle més eficient teòricament possible i es fa servir com a referència per comparar altres cicles reals.
-
Equilibri de fases en un sistema tancat: Quan un sistema tancat que conté dues fases duna substància (per exemple, líquid i vapor) assoleix un equilibri entre les fases, el procés de canvi de fase és reversible. El sistema està en equilibri en tot moment, i els canvis de pressió i temperatura tenen lloc de manera suau i contínua.
Processos irreversibles: definició i exemples
En contrast amb els processos reversibles, els processos irreversibles són aquells que no es poden invertir completament, cosa que resulta en canvis irreversibles al sistema i al seu entorn. Aquests processos impliquen una pèrdua neta denergia útil en forma de dissipació de calor o generació entropia.
Els processos irreversibles es caracteritzen per no estar en equilibri termodinàmic en tot moment, cosa que significa que les propietats del sistema poden experimentar canvis abruptes i discontinuïtats a mesura que passa el procés. Aquests processos solen ser ràpids, no quasiestàtics i es duen a terme en condicions no ideals.
Exemples de processos irreversibles
Exemples comuns de processos irreversibles inclouen:
-
La combustió d'un llumí és un procés irreversible, ja que no es pot reconstruir la composició molecular del combustible.
-
Expansió lliure d'un gas: Si es retira ràpidament un separador o una barrera d'un gas contingut en un recipient, el gas s'expandeix ràpidament cap a l'espai disponible. Aquest procés és irreversible perquè no hi ha temps perquè el sistema s'ajusti als canvis i es restableixi en un estat d'equilibri. A més, la feina feta durant l'expansió no pot ser completament recuperada.
-
Conducció tèrmica: Quan hi ha una diferència finita de temperatura entre dos sistemes, la calor es transfereix de la regió de més temperatura a la de menor temperatura. Aquest procés és irreversible a causa de les inevitables pèrdues de calor i de la generació d'entropia, cosa que resulta en una disminució de l'eficiència i una tendència cap a un desordre més gran en el sistema.
-
Fricció en un sistema mecànic: La fricció, present a pràcticament tots els sistemes mecànics, és un procés irreversible. Quan dues superfícies llisquen o es freguen entre si, l'energia mecànica es converteix en calor a causa de la resistència i la fricció, generant pèrdues d'energia i augmentant l'entropia del sistema
-
Conversió d'energia solar a electricitat a panells solars: La conversió d'energia solar a electricitat als panells solars fotovoltaics implica processos irreversibles. A mesura que la radiació solar incideix a les cèl·lules solars, part de l'energia es converteix en electricitat, però també es dissipa en forma de calor degut a les resistències internes del panell ia la generació d'entropia en el procés.
Importància i conseqüències
La distinció entre processos reversibles i irreversibles té implicacions significatives en leficiència i el rendiment dels sistemes termodinàmics. Els processos reversibles es consideren ideals per la seva alta eficiència i la mínima pèrdua denergia útil. No obstant això, a la pràctica, és difícil assolir processos reversibles complets a causa de les inevitables pèrdues per fricció, resistència i altres formes d'irreversibilitat.
Els processos irreversibles, d'altra banda, són comuns a la vida quotidiana ia la majoria de les aplicacions tecnològiques. Aquests processos estan associats amb la producció d'entropia, que és una mesura de la dispersió d'energia i la tendència cap a un desordre més gran en el sistema.
La generació d'entropia en els processos irreversibles està vinculada a la dissipació d'energia en forma de calor, cosa que limita l'eficiència i el rendiment dels sistemes.
