可逆過程（熱力学）

熱力学において、可逆過程とは、系とその周囲が関わる過程であり、圧力や温度などの周囲のいくつかの特性の微小な変化によってその方向を反転させることができる過程である。 ^[¹^]^[²^]^[³^]

可逆過程全体を通して、系は物理的にも化学的にも熱力学的平衡状態にあり、周囲環境との圧力および温度平衡もほぼ保たれています。これにより、不均衡な力や系境界の移動加速が防止され、結果として摩擦やその他のエネルギー散逸が回避されます。

平衡を維持するために、可逆過程は非常に遅い（準静的）です。熱力学的パラメータに小さな変化が生じた後、システム内の物理過程が、新しい変化したパラメータ値に自己調整するのに十分な時間があるほど、過程は十分にゆっくりと起こる必要があります。たとえば、水の入った容器が周囲の空気の定常温度に一致するほど十分に長い時間部屋に置かれている場合、空気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長く待たなければ、次の小さな変化は起こりません。^{[ a ]}孤立したシステムの過程は決して可逆的ではありませんが、^{[ 3 ]}循環過程は可逆的または不可逆的になる可能性があります。^{[ 4 ]}可逆過程は仮説的または理想化されたものですが、熱力学第二法則の中心です。^{[ 3 ]}水中の氷の融解または凍結は、ほぼ可逆的な現実的な過程の例です。可逆的に起こりうる他の実際のプロセスとしては、半透膜を介した気相または液相の物質の可逆的な混合が挙げられる。この可逆的な混合は、混合物のエントロピーを定義する上で重要な要素となる。

さらに、プロセスが可逆的であるとみなされるためには、システムは常に周囲と（準静的）平衡状態にあり、摩擦などの散逸効果があってはならない。^{[ 5 ]}

可逆過程は、熱と膨張/圧縮仕事の方程式が単純であるほど理想化されているため、熱力学において有用である。^{[ 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は状態関数であり、その変化はプロセスの発生方法ではなく、システムの初期状態と最終状態のみに依存することを利用している。^{[ 6 ]}したがって、実際のプロセスにおけるエントロピーと内部エネルギーの変化は、実際のシステムの初期状態と最終状態を結ぶ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

熱力学的プロセスは、可逆的または不可逆的のいずれかの方法で行うことができる。理想的な熱力学的に可逆なプロセスでは、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行われる仕事の大きさが最大化される。しかし、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る。熱力学的プロセスの経路に対する仕事の依存性は、可逆性とは無関係である。なぜなら、圧力-体積図上で平衡曲線の下の面積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（例えば、断熱膨張後に等温膨張、等温膨張後に断熱膨張など）ごとに異なるからである。

不可逆性

不可逆過程では有限の変化が生じるため、過程全体を通してシステムは平衡状態にはありません。循環過程では、可逆仕事と不可逆仕事の差は $(\,W_{\mathsf {rev}}\,)$ そして実際の作業 $(\,W_{\mathsf {act}}\,)$ 次の式に示すようなプロセスの場合： $\;I=W_{\mathsf {rev}}-W_{\mathsf {act}}~.$

境界と国家

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の合計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、可逆断熱過程の場合のみです。）しかしながら、カルノーサイクルは、システムが初期状態に戻る際に、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の効率の限界を定義します。可逆過程とは、機械が最大の効率を発揮する過程です（カルノーサイクルを参照）。

可逆断熱過程：左側の状態は、右側の状態から到達できるだけでなく、その逆も可能であり、周囲との熱交換は不要である。

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な場合があります。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 ]}例えば、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、準静的ではありますが、可逆過程ではありません。^{[ 7 ]}システムは平衡状態から微小量だけ移動していますが、摩擦によりエネルギーが不可逆的に廃熱として失われており、ピストンを同じ微小量だけ反対方向に動かすだけでは回収できません。

工学における古風な表現

歴史的に、テスラ原理という用語は、（とりわけ）ニコラ・テスラが発明した特定の可逆プロセス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一般的に使用されていません。この原理は、一部のシステムは反転させて相補的に動作させることができると述べています。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作動しました。タービンの動作を反転すると、ディスクはポンプとして機能しました。^{[ 9 ]}

脚注

↑ 熱力学的変化の「速い」と「遅い」の絶対的な基準は、温度変化（およびそれに伴う圧力などの変化）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、考慮するシステムやプロセスによっては、熱力学的に「遅い」ことが人間の感覚では「速い」ように見えることがあります。容器と室内の空気の例では、容器が磁器のコーヒーカップであれば、熱は小さな物体と広い部屋の間でかなり速く伝わります。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。
システムのさまざまな物理的側面は、小さな擾乱の後、システム全体が熱力学的平衡を再確立するのに必要な時間を増減させ、したがって「準静的」変化に必要な時間を変化させます。考慮すべき側面の数は、面倒になったり、圧倒されたりする可能性があります。タンクの金属の外皮は磁器よりも熱伝導率が高いため、平衡化が速くなりますが、体積に対する表面積の比率が実際には小さい、はるかに大きな水の質量は、平衡の回復を遅らせます。コーヒーカップに蓋がない場合、開いた狭い蛇口しかないほぼ密閉されたタンクと比較して、蒸発冷却によって平衡化がさらに速くなる可能性があります。蛇口が閉じられてタンクが密閉されている場合、その後の圧力変化に適応するための壁の「弾力性」が平衡化の速度に影響します。さらに、室内の空気が停滞しているか、強制的に空気が循環しているか（ファン）などの問題があります。タンクが部屋をほぼ満たしている場合、タンク内の熱量に比べて空気中の熱量が少ないため、温度が安定するまでの時間が短縮される可能性があります。放射冷却速度はタンクの色によっても異なります。
一般的には、できる限り詳細を無視するのが慣例となっているが、無視されたプロセスが実際にはシステム内で最も遅いプロセスである可能性があり、その結果、準静的変化における「遅い」の基準を決定づけることになる。物理学者やエンジニアは、どれくらいの時間待つべきかについて、防御的に曖昧な表現を用いる傾向があり、実際には平衡状態が再確立されるまでに十分な、あるいは過剰な時間を与える。
実験をできるだけ早く進めたい実験者は、システム全体に高精度の温度計を配置することで、平衡状態に達するまでの時間を経験的に決定することができる。システム内のすべての温度計が他のすべての温度計と同じ値を示すようになった時点で平衡状態に達し、システムは次の小さな温度変化を受け入れる準備が整う。

参考文献

↑ McGovern, Judith (2020年3月17日). "可逆過程" . PHYS20352 熱力学および統計物理学. マンチェスター大学. 2020年11月2日取得。これが可逆過程の特徴です。外部条件のごくわずかな変化が変化の方向を反転させます。
1 2 Sears, FW & Salinger, GL (1986). Thermodynamics, Kinetic Theory, and Statistical Thermodynamics (3rd ed.). Addison-Wesley.
1 2 3 4 DeVoe, H. (2020). "自発的な可逆的および不可逆的プロセス" . Thermodynamics and Chemistry . chem.libretexts.org . Bookshelves.
↑ Zumdahl, Steven S. (2005). "§ 10.2 理想気体の等温膨張と圧縮". Chemical Principles (5th ed.). Houghton Mifflin.
↑ Çengel, Yunus; Boles, Michael (2006年1月1日). Thermodynamics, An Engineering Approach (PDF) (第5版). ボストン、マサチューセッツ州: Tata McGraw-Hill. p. 299. ISBN 978-00706065932022年11月8日に取得。
1 2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。
↑ジャンコリ、DC（2000）。科学者と技術者のための物理学（現代物理学付き）（第3版）。プレンティス・ホール。
↑ " [タイトルなし] "。電気実験者（低解像度テキスト写真）。1919年1月。p.615 – teslasociety.com経由。
↑ 「テスラ、機械界の新王者」。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日にオリジナルからアーカイブ。

[relative_speed_note-4] 熱力学的変化の「速い」と「遅い」の絶対的な基準は、温度変化（およびそれに伴う圧力などの変化）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、考慮するシステムやプロセスによっては、熱力学的に「遅い」ことが人間の感覚では「速い」ように見えることがあります。容器と室内の空気の例では、容器が磁器のコーヒーカップであれば、熱は小さな物体と広い部屋の間でかなり速く伝わります。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。
システムのさまざまな物理的側面は、小さな擾乱の後、システム全体が熱力学的平衡を再確立するのに必要な時間を増減させ、したがって「準静的」変化に必要な時間を変化させます。考慮すべき側面の数は、面倒になったり、圧倒されたりする可能性があります。タンクの金属の外皮は磁器よりも熱伝導率が高いため、平衡化が速くなりますが、体積に対する表面積の比率が実際には小さい、はるかに大きな水の質量は、平衡の回復を遅らせます。コーヒーカップに蓋がない場合、開いた狭い蛇口しかないほぼ密閉されたタンクと比較して、蒸発冷却によって平衡化がさらに速くなる可能性があります。蛇口が閉じられてタンクが密閉されている場合、その後の圧力変化に適応するための壁の「弾力性」が平衡化の速度に影響します。さらに、室内の空気が停滞しているか、強制的に空気が循環しているか（ファン）などの問題があります。タンクが部屋をほぼ満たしている場合、タンク内の熱量に比べて空気中の熱量が少ないため、温度が安定するまでの時間が短縮される可能性があります。放射冷却速度はタンクの色によっても異なります。
一般的には、できる限り詳細を無視するのが慣例となっているが、無視されたプロセスが実際にはシステム内で最も遅いプロセスである可能性があり、その結果、準静的変化における「遅い」の基準を決定づけることになる。物理学者やエンジニアは、どれくらいの時間待つべきかについて、防御的に曖昧な表現を用いる傾向があり、実際には平衡状態が再確立されるまでに十分な、あるいは過剰な時間を与える。
実験をできるだけ早く進めたい実験者は、システム全体に高精度の温度計を配置することで、平衡状態に達するまでの時間を経験的に決定することができる。システム内のすべての温度計が他のすべての温度計と同じ値を示すようになった時点で平衡状態に達し、システムは次の小さな温度変化を受け入れる準備が整う。

[McGovern-2020-03-17-1] McGovern, Judith (2020年3月17日). "可逆過程" . PHYS20352 熱力学および統計物理学. マンチェスター大学. 2020年11月2日取得。これが可逆過程の特徴です。外部条件のごくわずかな変化が変化の方向を反転させます。

[Sears-Salinger-1986-2] 1 2 Sears, FW & Salinger, GL (1986). Thermodynamics, Kinetic Theory, and Statistical Thermodynamics (3rd ed.). Addison-Wesley.

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[Zumdahl-2005-5] Zumdahl, Steven S. (2005). "§ 10.2 理想気体の等温膨張と圧縮". Chemical Principles (5th ed.). Houghton Mifflin.

[6] Çengel, Yunus; Boles, Michael (2006年1月1日). Thermodynamics, An Engineering Approach (PDF) (第5版). ボストン、マサチューセッツ州: Tata McGraw-Hill. p. 299. ISBN 978-00706065932022年11月8日に取得。

[Atkins-Jones-Laverman-2016-7] 1 2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。

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[ElectrExpm-1919-01-9] " [タイトルなし] "。電気実験者（低解像度テキスト写真）。1919年1月。p.615 – teslasociety.com経由。

[NYTribune-1911-10-15-10] 「テスラ、機械界の新王者」。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日にオリジナルからアーカイブ。

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概要

不可逆性

境界と国家

工学における古風な表現

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関連項目

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関連するトピック

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系

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