Proceso reversible (termodinámica)

En termodinámica, un proceso reversible es un proceso que involucra a un sistema y su entorno, cuya dirección puede invertirse mediante cambios infinitesimales en algunas propiedades del entorno, como la presión o la temperatura.

A lo largo de todo un proceso reversible, el sistema está en equilibrio termodinámico, tanto físico como químico, y casi en equilibrio de presión y temperatura con su entorno. Esto evita fuerzas desequilibradas y la aceleración de los límites del sistema en movimiento, lo que a su vez evita la fricción y otras disipaciones.

Para mantener el equilibrio, los procesos reversibles son extremadamente lentos (cuasiestáticos). El proceso debe ocurrir lo suficientemente lento como para que después de algún pequeño cambio en un parámetro termodinámico, los procesos físicos en el sistema tengan tiempo suficiente para que los otros parámetros se autoajusten para igualar el nuevo valor del parámetro modificado. Por ejemplo, si un recipiente con agua ha permanecido en una habitación el tiempo suficiente para igualar la temperatura constante del aire circundante, para que un pequeño cambio en la temperatura del aire sea reversible, todo el sistema de aire, agua y recipiente debe esperar mucho tiempo. suficiente para que el recipiente y el aire se establezcan en una temperatura nueva y coincidente antes de que pueda ocurrir el siguiente pequeño cambio. Si bien los procesos en sistemas aislados nunca son reversibles, los procesos cíclicos pueden ser reversibles o irreversibles. Los procesos reversibles son hipotéticos o idealizados, pero fundamentales para la segunda ley de la termodinámica. El derretimiento o congelación del hielo en agua es un ejemplo de un proceso realista que es casi reversible.

Además, el sistema debe estar en equilibrio (cuasiestático) con su entorno en todo momento y no debe haber efectos disipativos, como la fricción, para que un proceso se considere reversible.

Los procesos reversibles son útiles en termodinámica porque están tan idealizados que las ecuaciones para el calor y el trabajo de expansión/compresión son simples. Esto permite el análisis de procesos modelo, que normalmente definen la máxima eficiencia alcanzable en los procesos reales correspondientes. Otras aplicaciones explotan que la entropía y la energía interna son funciones de estado cuyo cambio depende sólo de los estados inicial y final del sistema, no de cómo ocurrió el proceso. Por lo tanto, la entropía y el cambio de energía interna en un proceso real se pueden calcular con bastante facilidad analizando un proceso reversible que conecta los estados reales inicial y final del sistema. Además, la reversibilidad define la condición termodinámica para el equilibrio químico.

Descripción general

Los procesos termodinámicos se pueden llevar a cabo de dos formas: reversible o irreversible. Un proceso ideal termodinámicamente reversible está libre de pérdidas disipativas y, por lo tanto, se maximizaría la magnitud del trabajo realizado por o sobre el sistema. Sin embargo, la conversión incompleta de calor en trabajo en un proceso cíclico se aplica tanto a ciclos reversibles como irreversibles. La dependencia del trabajo de la trayectoria del proceso termodinámico tampoco está relacionada con la reversibilidad, ya que el trabajo de expansión, que puede visualizarse en un diagrama de presión-volumen como el área debajo de la curva de equilibrio, es diferente para diferentes procesos de expansión reversibles (por ejemplo, adiabático, luego isotérmico, versus isotérmico, luego adiabático) conectando los mismos estados inicial y final.

Irreversibilidad

En un proceso irreversible se realizan cambios finitos, por lo que el sistema no está en equilibrio durante todo el proceso. En un proceso cíclico, la diferencia entre el trabajo reversible ()Wrev){displaystyle (,W_{mathsf {rev},)} y el trabajo efectivo ()Wact){fnMicrosoft Sans Serif} para un proceso como se muestra en la siguiente ecuación: I=Wrev− − Wact.{displaystyle ;I=W_{mathsf {rev}-W_{mathsf {}}~}

Límites y estados

Los procesos reversibles simples cambian el estado de un sistema de tal manera que el cambio neto en la entropía combinada del sistema y su entorno es cero. (La entropía del sistema por sí sola se conserva sólo en procesos adiabáticos reversibles). Sin embargo, el ciclo de Carnot demuestra que el estado del entorno puede cambiar en un proceso reversible cuando el sistema regresa a su estado inicial. Los procesos reversibles definen los límites de cuán eficientes pueden ser los motores térmicos en termodinámica e ingeniería: un proceso reversible es aquel en el que la máquina tiene la máxima eficiencia (ver ciclo de Carnot).

En algunos casos, puede ser importante distinguir entre procesos reversibles y cuasiestáticos. Los procesos reversibles son siempre cuasiestáticos, pero lo contrario no siempre es cierto. Por ejemplo, una compresión infinitesimal de un gas en un cilindro donde hay fricción entre el pistón y el cilindro es un proceso cuasiestático, pero no reversible. Aunque el sistema ha sido expulsado de su estado de equilibrio sólo en una cantidad infinitesimal, la energía se ha perdido irreversiblemente en forma de calor desperdiciado, debido a la fricción, y no se puede recuperar simplemente moviendo el pistón en la dirección opuesta en la misma cantidad infinitesimal.

Arcaísmos de la ingeniería

Históricamente, el término principio de Tesla se utilizó para describir (entre otras cosas) ciertos procesos reversibles inventados por Nikola Tesla. Sin embargo, esta frase ya no se usa convencionalmente. El principio establecía que algunos sistemas podían invertirse y operarse de manera complementaria. Fue desarrollado durante la investigación de Tesla en corrientes alternas donde la magnitud y dirección de la corriente variaban cíclicamente. Durante una demostración de la turbina Tesla, los discos giraban y el motor accionaba la maquinaria fijada al eje. Si se invertía el funcionamiento de la turbina, los discos actuaban como una bomba.