Равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые процессы

Пусть цилиндр с поршнем заполнен газом. Если поршень неподвижен и температура окружающего воздуха неизменна, то газ в цилиндре находится в термодинамическом равновесии: давление газа во всех точках внутри цилиндра одинаково, а температура равна температуре окружающих тел.

Если сжимать газ в цилиндре под поршнем, то состояние его будет меняться: объем уменьшаться, а давление расти. Мы видим, что термодинамические параметры изменяются со временем, происходит, как говорят, термодинамический процесс. Но если сжатие происходит очень медленно, то в любой момент времени будет успевать устанавливаться новое состояние равновесия с новыми значениями давления и объема. Подобные медленные процессы называются равновесными.

Если после медленного сжатия проводить равновесный процесс в обратном направлении, т. е. предоставить газу возможность медленно расширяться, то он пройдет через ту же последовательность равновесных состояний, что и при сжатии. По этой причине равновесные процессы называются обратимыми.

Именно состояние термодинамического равновесия и равновесные процессы в первую очередь являются предметом исследования в термодинамике. Здесь закономерности наиболее просты.

Процесс изменения состояния, сопровождающийся нарушением равновесия в системе, называется неравновесным. Пусть поршень сожмет газ в цилиндре очень быстро. Тогда равновесное состояние будет нарушено, и лишь спустя некоторое время (время релаксации) газ перейдет в новое равновесное состояние. Такой процесс сжатия будет необратимым: при быстром сжатии давление под поршнем в первый момент больше, чем в остальном цилиндре, а при быстром расширении — меньше.

Реальные процессы, конечно, не протекают бесконечно медленно, и фактически все они необратимы. Представление об обратимом процессе такая же идеализация настоящих процессов, как движение абсолютно твердого тела или течение идеальной жидкости в механике. Но изучение обратимых процессов тем не менее может дать нам ценные сведения о возможных изменениях в реальных системах. Кроме того, и реальные процессы могут протекать достаточно медленно, и их можно с хорошим приближением считать равновесными. Для этого надо, чтобы время изменения параметров было много больше времени релаксации.