Обратимые и необратимые процессы

Новой качественной особенностью систем большого числа частиц по сравнению с чисто механическими системами является необратимый характер термодинамических процессов. Если рассматривать движение тела как механический процесс, в результате которого происходит изменение его координат и скоростей, то очевидно, что в механике без учета сил трения все процессы обратимы. Обратимость механического процесса означает, что если изменить направление процесса на обратное, то тело, обладающее определенными значениями координат и скорости в конечном состояний, будет проходить последовательность тех же состояний, которую оно проходило при первоначальном направлении процесса, но в обратном порядке и в конце процесса окажется опять в состоянии с начальными значениями координат и скорости. Таково, например, упругое столкновение шаров, которое может происходить как в прямом, так и в обратном направлениях. Этот факт — прямое следствие второго закона Ньютона, сохраняющего постоянной полную механическую энергию системы. Запишем его в форме.

.

Второй закон Ньютона представляет собой уравнения движения тела. Решив эти уравнения относительно координат и импульса как функций времени, можно определить с достоверностью их значения в любой последующий момент времени, если известны значения этих величин в начальный момент: r (0) и p (0). С такой же достоверностью можно, пользуясь уравнениями Ньютона, проследить за движением тела в обратном направлении. Если заменить в законе Ньютона t на — t и p на — p, то уравнения движения не изменятся. Это означает, что если известны координаты и скорости тела в конечном состоянии, можно определить их значения в любой заданный момент в прошлом. Таким образом, задание начальных или конечных условий полностью определяет поведение механической системы в будущем или в прошлом.

Иная ситуация возникает в системах, состоящих из большого числа частиц. Каждая частица в отдельности, конечно, по-прежнему подчиняется уравнениям движения в форме второго закона Ньютона. Отличие состоит в том, что в системе большого числа частиц каждая отдельная частица испытывает большое число последовательных столкновений с другими частицами. Поскольку столкновения имеют случайный характер и изменяют координаты и скорости данной частицы непредсказуемым образом, то информацию о состоянии данной частицы по прошествии некоторого времени в системе большого числа частиц можно теперь определить не с достоверностью, как в механике, а только с некоторой вероятностью. Поскольку всякий термодинамический процесс включает в себя множество независимых случайных событий, то для того, чтобы он мог происходить в обратном направлении, необходимо, чтобы реализовалась вся эта случайная последовательность событий в обратном порядке. Поскольку вероятность нескольких независимых событий есть произведение вероятностей каждого из событий, то суммарная вероятность обратного процесса оказывается ничтожно малой, практически равной нулю. В качестве примера такого процесса укажем на процесс передачи тепла от более нагретого тела менее нагретому — обратный процесс, как известно, сам, но себе никогда не реализуется на практике. Таким образом, физическая причина необратимости термодинамических процессов заключается в случайном характере столкновений частиц, который создает неопределенность в начальных условиях к уравнениям движения частиц.

Реальный термодинамический процесс всегда необратим. Тем не менее в термодинамике говорят об обратимом процессе как о некоторой идеализированной схеме процесса. Рассмотрим некоторый равновесный процесс, совершаемый системой под влиянием внешнего воздействия так, что система последовательно проходит через ряд равновесных состояний из начального в конечное. Если ту же последовательность состояний можно реализовать в обратном порядке и при этом не изменить состояния окружающих тел, то процесс будет обратимым. При этом каждая из частиц системы вовсе не вернется в свое исходное состояние, важно только, что средние, равновесные характеристики системы примут свои начальные значения, а это происходит при обратимом процессе благодаря неразличимости или тождественности частиц системы.