Loading article…
熱力学において、可逆過程とは、システムとその周囲に関係する過程であり、圧力や温度など周囲のいくつかの特性の微小な変化によってその方向が逆転することができる。 [1] [2] [3]
可逆プロセス全体を通じて、システムは物理的および化学的に熱力学的平衡状態にあり、圧力および温度は周囲とほぼ平衡状態にあります。これにより、不均衡な力や移動するシステム境界の加速が防止され、摩擦やその他の散逸が回避されます。
平衡を維持するために、可逆プロセスは極めて低速（準静的）です。プロセスは、熱力学的パラメータの小さな変化の後、システム内の物理的プロセスが他のパラメータを新しい変更されたパラメータ値に合わせて自己調整するのに十分な時間を持つように、十分に低速で発生する必要があります。たとえば、水の入った容器が室内に長時間放置され、周囲の空気の安定した温度と一致する場合、空気の温度の小さな変化が可逆的であるためには、空気、水、容器のシステム全体が、容器と空気が新しい一致する温度に落ち着くまで十分に待機してから、次の小さな変化が発生する必要があります。[a]孤立システム のプロセスは決して可逆的ではありませんが、[3] 周期的なプロセスは可逆的または不可逆的です。[4]可逆プロセスは仮説的または理想化されたものですが、熱力学の第二法則の中心です。[3]水中での氷の融解または凍結は、ほぼ可逆的な現実的なプロセスの例です。
さらに、システムが常に周囲と（準静的に）平衡状態にあり、摩擦などの散逸効果がない場合にのみ、プロセスは可逆的であるとみなされる。[5]
可逆過程は理想化されているため、熱や膨張/圧縮の仕事の方程式が単純であり、熱力学で有用である。[6]これにより、モデル過程の解析が可能になり、通常、対応する実際の過程で達成可能な最大効率が定義される。他の応用では、エントロピーと内部エネルギーが状態関数であり、その変化がシステムの初期状態と最終状態にのみ依存し、過程の発生方法には依存しないことが利用されている。[6]したがって、実際の過程におけるエントロピーと内部エネルギーの変化は、実際の初期状態と最終状態を結び付ける可逆過程を解析することで、非常に簡単に計算できる。さらに、可逆性は化学平衡の熱力学的条件を定義する。
概要
熱力学プロセスは、可逆的または不可逆的に実行できます。理想的な熱力学的可逆プロセスには散逸損失がないため、システムによってまたはシステムに対して実行される仕事の量は最大になります。ただし、循環プロセスにおける熱から仕事への不完全な変換は、可逆サイクルと不可逆サイクルの両方に当てはまります。仕事が熱力学プロセスの経路に依存することも可逆性とは無関係です。圧力-体積図で平衡曲線の下の領域として視覚化できる膨張仕事は、同じ初期状態と最終状態を結ぶ異なる可逆膨張プロセス (たとえば、断熱、次に等温、または等温、次に断熱) ごとに異なるためです。
不可逆性
不可逆プロセスでは、有限の変化が行われるため、システムはプロセス全体を通じて平衡状態にありません。循環プロセスでは、可逆仕事とプロセスの実際の仕事の差は次の式で示されます。
境界と状態
単純な[3]可逆過程は、システムとその周囲のエントロピーを合わせた正味の変化がゼロになるようにシステムの状態を変化させます。（システムのエントロピーのみが保存されるのは、可逆的な断熱過程の場合のみです。）それにもかかわらず、カルノーサイクルは、システムが初期状態に戻るときに可逆過程で周囲の状態が変化する可能性があることを示しています。可逆過程は、熱力学と工学において熱機関がどれだけ効率的に なることができるかの限界を定義します。可逆過程とは、機械が最大効率を発揮する過程です（カルノーサイクルを参照）。
場合によっては、可逆過程と準静的過程を区別することが重要になることがあります。可逆過程は常に準静的ですが、その逆は必ずしも真ではありません。[2]たとえば、ピストンとシリンダーの間に摩擦があるシリンダー内のガスの微小圧縮は、準静的ですが可逆的ではありません。[7]システムは平衡状態から微小量だけ動かされていますが、摩擦によりエネルギーは廃熱として不可逆的に失われており、ピストンを反対方向に微小量だけ動かすだけでは回復できません。
エンジニアリングの古語
歴史的には、テスラ原理という用語は、ニコラ・テスラによって発明された特定の可逆プロセス（とりわけ）を説明するために使用されていました。[8]しかし、このフレーズはもはや慣用的には使用されていません。この原理は、いくつかのシステムを逆転させて補完的に動作させることができるというものでした。これは、電流の大きさと方向が周期的に変化する交流電流に関するテスラの研究中に開発されました。テスラタービンのデモンストレーションでは、ディスクが回転し、シャフトに固定された機械がエンジンによって動作しました。タービンの動作が逆転すると、ディスクはポンプとして機能しました。[9]
脚注
- ^
「速い」および「遅い」熱力学的変化の絶対的な基準は、温度変化（およびそれに伴う圧力の変化など）がシステム全体の各部分を伝わるのに必要な最大時間です。ただし、システムまたはプロセスによっては、熱力学的に「遅い」ことが人間の言葉で「速い」ように見える場合があります。容器と室内空気の例では、容器が単なる磁器のコーヒーカップである場合、熱は小さな物体と大きな部屋の間でかなり速く流れます。同じプロセスの別のバージョンで、容器が 40 ガロンの金属製の水タンクである場合、コーヒーカップの温度の再一致（「平衡」）には数分しかかからないと直感的に予想できます。これは、40 ガロンの水タンクで予想される数時間と比較すると速いです。
参照
参考文献
- ^ McGovern, Judith (2020年3月17日). 「可逆プロセス」. PHYS20352 熱および統計物理学. マンチェスター大学. 2020年11月2日閲覧。
これは可逆プロセスの特徴です。外部条件の微小な変化により、変化の方向が逆転します。
- ^ ab Sears, FW & Salinger, GL (1986).熱力学、運動論、統計熱力学（第3版）。Addison-Wesley。
- ^ abcd DeVoe, H. (2020). 「自発的な可逆的および不可逆的プロセス」.熱力学と化学. chem.libretexts.org . 本棚.
- ^ Zumdahl, Steven S. (2005). 「§ 10.2 理想気体の等温膨張と圧縮」.化学原理(第 5 版). Houghton Mifflin.
- ^ Çengel, Yunus; Boles, Michael (2006 年 1 月 1 日)。熱力学、工学的アプローチ(PDF) (第 5 版)。マサチューセッツ州ボストン: Tata McGraw-Hill。p. 299。ISBN 978-0070606593. 2022年11月8日閲覧。
- ^ ab アトキンス、P.;ジョーンズ、L.ラバーマン、L. (2016)。化学原理(第 7 版)。フリーマン。ISBN 978-1-4641-8395-9。
- ^ Giancoli, DC (2000).科学者とエンジニアのための物理学（現代物理学付き）（第3版）。Prentice-Hall。
- ^ 「[タイトルなし]」。Electrical Experimenter（低解像度のテキスト写真）。1919年1月。615ページ – teslasociety.comより。
- ^ 「テスラの新たな機械の君主」。ニューヨーク・ヘラルド・トリビューン。テスラ・エンジン・ビルダーズ協会。1911年10月15日。2011年9月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。