可逆过程与不可逆过程

1．自然过程的方向性

自然过程是不受外界干预的条件下能够自动进行的过程．大量事实表明，一切宏观自然过程都具有方向性．

（1）热传导过程的方向性．两个温度不同的物体相互接触，热量总是自动地由高温物体传向低温物体，最后使两物体达到相同的温度．但与此相反的过程却从未发生过，即热量自动地从低温物体传向高温物体，使高温物体的温度更高，低温物体的温度更低．这说明热传导过程是具有方向性的．

（2）功热转换过程的方向性．转动着的飞轮，在撤去动力后，由于转轴的摩擦越转越慢，最后停止转动．该过程中由于摩擦生热，机械能全部转换成热能．而相反的过程，即飞轮周围的空间自动冷却，使飞轮由静止转动起来的过程却从未发生过．这说明功热转换过程具有方向性．

（3）气体自由膨胀过程的方向性．如图5.16，绝热容器被隔板分为A、B两室，A室中贮有气体，B室中为真空．如果将隔板抽开，A室中的气体自动向B室膨胀，最后气体将均匀分布于A、B两室中，这是气体的绝热自由膨胀．而相反的过程，即均匀充满容器的气体，在没有外界作用的情况下，自动收缩到A中去的过程却从未发生过．这说明理想气体的自由膨胀也具有方向性．

图5.16　气体向真空的自由膨胀

2．可逆过程与不可逆过程

从前面的讨论可知，自然界与热现象有关的所有宏观自然过程都具有方向性，为了进一步说明方向性的问题，我们引入可逆与不可逆过程的概念．

在系统状态变化的过程中，如果逆过程能重复正过程的每一状态，而且不引起其他变化，这样的过程称为可逆过程；反之，在不引起其他变化的情况下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽然重复但必然会引起其他变化，这样的过程称为不可逆过程．

为进一步理解可逆过程的概念，我们举例说明并讨论过程可逆的条件．

气体的迅速膨胀过程是不可逆的．事实上，气体在迅速膨胀过程中，作用于活塞的压强小于气体的内部的压强p，所以气体对外所做的功dA1＜pdV；在气体迅速压缩中，作用于活塞的压强大于气体内部的压强p，所以外界对气体所做的功dA2＞pdV．因此，当气体膨胀后，虽然可以把气体压回原来的体积，但在一个循环中外界要多做功A2-A1．这部分功将变为热而耗散掉，所以气体的迅速膨胀是不可逆的．只有当过程进行得无限缓慢并且不存在摩擦时，气体作用于活塞的压强才会无限地接近气体内部的压强，从而在一个循环中使A2无限接近A1，并且不发生其他变化．也就是说只有在这种情况下，过程才是可逆的．

由上可知，在热力学中，过程的可逆与否和系统经历的中间状态是否平衡密切相关．只有过程进行得无限缓慢，没有由于摩擦引起的机械能耗散，由一系列无限接近于平衡状态的中间状态组成的准静态过程，才是可逆过程．当然，这在实际过程中是不可能的，我们可以实现的是与可逆过程非常接近的过程，也就是说可逆过程只是实际过程在某种精确度上的极限情形．