Reversibiliate. Procese ireversibile: transmiterea caldurii sub diferente finite de temperatura si frecarea.

Reversibiliate. Procese ireversibile: transmiterea caldurii sub diferente finite de temperatura si frecarea.

O transformare este reversibila daca poate fi efectuata in ambele sensuri, functiile de variatie ale marimilor de stare fiind aceleasi, indiferent de sensul de parcurgere.

Pentru o transformare 1-2, in sensul direct, se scrie:

Pentru sensul invers de parcurgere 2-1:

Deci pentru ambele sensuri (direct si invers):

aL = L₁₂ + L₂₁ = 0

aQ = Q₁₂+Q₂₁ = 0

Rezulta o alta definire pentru transformarea reversibila:

"Pentru o transformare reversibila bilantul schimburilor de energie mecanica si bilantul schimburilor de caldura sunt egale cu zero dupa ce sistemul revine la starea initiala"

Verificarea reversibilitatii unei tranformari se face prin verificarea variatiei entropiei mediului exterior pentru ambele sensuri. Transformarea este reversibila daca:

Adica:

"Transformarea reversibila este transformarea in care sistemul este in permanent echilibru cu sursele exterioare; ea poate fi pornita sau oprita in orice moment printr-o actiune infinit de mica din partea mediului exterior."

Pentru sistemul termodinamic inchis sunt doua procese total ireversibile care insotesc transformarile termodinamice, facandu-le transformari ireversibile: dezechilibrul termic si frecarea. Pentru alte sisteme termodinamice mai sunt si alte procese ireversibile care vor fi studiate ulterior.

Transmiterea caldurii sub diferente finite de temperatura (dezechilibrul termic)

Se considera 2 surse de caldura cu temperaturile T₁ si T₂ izolate termic de alte surse exterioare (Fig.2.23). Cele doua corpuri fac schimb de caldura (Q), fiind in contact termic. Fluxul termic schimbat va fi:

; T₁ > T₂

R_t(K / W) - rezistenta termica a mediului de separare pentru cele doua surse.

Variatia entropiei sursei calde va fi:

iar a sursei reci va fi :

Variatia entropiei sistemului va fi:

Rezulta ca dezechilibrul termic este un proces ireversibil, adica cu crestere de entropie. Desi caldura cedata de sursa calda a fost primita integral de sursa rece, variatia entropiei sistemului nu este nula, ci pozitiva. Pentru ca schimbul de caldura sa fie reversibil (DS =0), trebuie ca intre surse sa existe o diferenta infinit de mica de temperatura (T₁ - T₂ = dT).

Frecarea

Frecarea apare la suprafata de contact a doua corpuri in miscare unul fata de celalalt. Se considera un cilindru  inchis in care se deplaseaza un piston mobil, legat prin biela - manivela la arbore (Fig.2.24). Se neglizeaza pierderile de caldura prin incinta i (R_t ) si influenta presiunii p₀ a mediului exterior.

Apar urmatoarele forte: 

- forta din biela

- forta de apasare asupra pistonului (p - presiune absoluta);

- normala la peretele pistonului N = f(x);

F_f = m N - forta de frecare.

Pentru o deplasare elementara, dx, energia pierduta prin frecare este:

;

si pentru toata deplasarea x:

Dupa principiul conservarii energiei, lucrul mecanic de frecare nu dispare, ci se transforma in caldura de frecare Q_f si pentru ca rezistenta termica a incintei (R_t) este infinit de mare, sistemul termodinamic primeste caldura Q_f (S - creste):

Asadar entropia sistemului creste indiferent de sensul miscarii. Pentru destinderea 1-2 (de la V₁ la V₂), variatia entropiei datorita frecarii este:

iar pentru compresia 2-1:

Variatia totala a entropiei va fi:

DS_f = DS_fd + DS_fc > 0

ceea ce arata ireversibilitatea transformarii inchise (1-2-1) datorita prezentei frecarii. Se considera un  ST care functioneaza dupa ciclul Carnot .

Pentru sursele de caldura:

- daca se neglizeaza frecarea si ciclul ar fi reversibil:

; ;

DS_rev = DS₁ + DS₂ =0

- daca se ia in consideratie frecarea:

(indiferent de prezenta frecarii)

;

Q_f - caldura de frecare.

Sursa rece primeste caldura (Q₂ +Q_f), iar variatia entropiei celor doua surse este:

Deci un ciclu reversibil insotit de frecare devine un ciclu ireversibil. Ciclul nu se poate inchide decat printr-o interventie finita din exterior care va trebui sa compenseze influenta proceselor ireversibile. Frecarea si dezechilibrul termic nu pot fi evitate pe parcursul transformarilor termodinamice, procesele reale fiind deci ireversibile.