ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ

ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ

ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Σ' ένα θερμοδυναμικό σύστημα πραγματοποιείται μια μεταβολή.Τότε αλλάζουν τόσο το σύστημα όσο και το περιβάλλον του συστήματος.Σε ορισμένες περιπτώσεις υπάρχει η δυνατότητα επαναφοράς του συστήματος και του περιβάλλοντος στην αρχική τους κατάσταση.

Αντιστρεπτή μεταβολή ονομάζεται εκείνη η μεταβολή κατά την οποία υπάρχει η δυνατότητα επαναφοράς του συστήματος και του περιβάλλοντος στην αρχική τους κατάσταση

 Αντιστρεπτή μεταβολή ονομάζεται εκείνη η μεταβολή κατά την οποία υπάρχει η δυνατότητα επαναφοράς του συστήματος και του περιβάλλοντος στην αρχική τους κατάσταση.

Ένα κερί που καίγεται δεν μπορεί να ακολουθήσει την αντίστροφη πορεία,δηλαδή το μήκος του να αυξάνεται

 Γενικά οι μεταβολές στη φύση δεν είναι αντιστρεπτές.Ένα κερί που καίγεται δεν μπορεί να ακολουθήσει την αντίστροφη πορεία,δηλαδή το μήκος του να αυξάνεται.

H ανάπτυξη ενός φυτού.Είναι αδύνατον το φυτό να μικραίνει μέχρι να ξαναγίνει σπόρος

 Το ίδιο συμβαίνει και στα φυτά.Η αντίστροφη πορεία στην ανάπτυξη ενός φυτού θα ήταν το φυτό να μικραίνει μέχρι να ξαναγίνει σπόρος.Αυτό είναι αδύνατον.

Η αντίστροφη πορεία ενός φαινομένου φαίνεται να παραβιάζει την κοινή λογική

 Η αντίστροφη πορεία ενός φαινομένου φαίνεται να παραβιάζει την κοινή λογική.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ

 Ας θεωρήσουμε μια ποσότητα αερίου,που περιέχεται μέσα στο θερμικά μονωμένο κύλινδρο,όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Μια ποσότητα αερίου περιέχεται μέσα στο θερμικά μονωμένο κύλινδρο

 Το ανοικτό άκρο του κυλίνδρου κλείνεται με έμβολο το οποίο μπορεί να κινείται χωρίς τριβές.Το αέριο μέσα στο δοχείο βρίσκεται σε ισορροπία.Η θερμοκρασία του είναι ΤΑ,ο όγκος  που καταλαμβάνει VA και η πίεση που ασκεί pA.

 Αν υποθέσουμε ότι σπρώχνουμε το έμβολο σιγά-σιγά είναι δυνατόν για κάθε θέση του,να επιτυγχάνεται κατάσταση ισορροπίας του αερίου.Μεταβάλουμε την κατάσταση του αερίου ώστε ο όγκος του να μειωθεί σε VB και η πίεση και η θερμοκρασία να πάρουν τελικά τις τιμές pB και TB.

Προσθέτουμε στο έμβολο αργά κόκκους άμμου μέχρι το αέριο να φτάσει στην τελική κατάσταση Β.Το αέριο μεταβαίνει από την κατάσταση Α στη Β μέσω διαδοχικών καταστάσεων που μπορούν να θεωρηθούν καταστάσεις ισορροπίας.Η μεταβολή αυτή είναι αντιστρεπτή και παριστάνεται με μια γραμμή που οδηγεί από την αρχική στην τελική κατάσταση

 Για να καταφέρουμε την συνεχή κατάσταση ισορροπίας του αερίου ένας τρόπος είναι ο εξής:

 Ρίχνουμε πρώτα λίγους κόκκους άμμου πάνω στο έμβολο.Αυτό θα μειώσει ελάχιστα τον όγκο του αερίου.Περιμένουμε λίγο ώστε να ισορροπήσει το αέριο.Η νέα κατάσταση ισορροπίας βρίσκεται πολύ κοντά στη αρχική.Αν απεικονίζαμε γραφικά τη νέα κατάσταση ισορροπίας θα προέκυπτε ένα σημείο πολύ κοντά στο σημείο που απεικονίζει την αρχική κατάσταση ισορροπίας.Στη συνέχεια ρίχνουμε πάλι λίγους κόκκους άμμου πάνω στο έμβολο,μειώνοντας ακόμα λίγο τον όγκο,περιμένουμε πάλι να αποκατασταθεί κατάσταση ισορροπίας,κ.ο.κ.
 Επαναλαμβάνοντας συνεχώς αυτή τη διαδικασία φέρνουμε το σύστημα στην τελική κατάσταση.

Κατά τη διάρκεια της αντιστρεπτής μεταβολής το σύστημα περνάει από διαδοχικές καταστάσεις που μπορούμε να τις θεωρήσουμε καταστάσεις ισορροπία

 Κατά τη διάρκεια αυτής της μεταβολής το σύστημα περνάει από διαδοχικές καταστάσεις που μπορούμε να τις θεωρήσουμε καταστάσεις ισορροπίας.

 Οι τιμές της πίεσης,του όγκου και της θερμοκρασίας του αερίου,που αντιστοιχούν σε κάθε θέση του εμβόλου,δηλαδή σε κάθε κατάσταση ισορροπίας,συνδέονται με την σχέση:

                                                                                         P=f(V,T)

 Μετακινώντας το έμβολο σιγά-σιγά κατά την αντίθετη φορά μπορούμε να διαγράψουμε την ίδια μεταβολή κατά την αντίθετη κατεύθυνση.Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί με αντίστροφους χειρισμούς, αφαιρώντας δηλαδή άμμο από το έμβολο,ώστε το σύστημα θα οδηγηθεί πάλι στην αρχική του κατάσταση.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ

 Μια τέτοια μεταβολή που αποτελείται από μια σειρά διαδοχικών καταστάσεων ισορροπίας λέγεται αντιστρεπτή.

Αντιστρεπτή μεταβολή ενός συστήματος ονομάζεται η μεταβολή που αποτελείται από μια σειρά διαδοχικών καταστάσεων ισορροπίας και μπορεί να διαγραφεί και κατά τις δυο φορές με αντίστροφους χειρισμούς

 Άρα:

 Αντιστρεπτή μεταβολή ενός συστήματος ονομάζεται η μεταβολή που αποτελείται από μια σειρά διαδοχικών καταστάσεων ισορροπίας και μπορεί να διαγραφεί και κατά τις δυο φορές με αντίστροφους χειρισμούς.
 Κάθε μεταβολή που σύμφωνα με τον ορισμό της αντιστρεπτής μεταβολής ενός συστήματος,δεν είναι αντιστρεπτή την ονομάζουμε μη αντιστρεπτή μεταβολή.

Μια μεταβολή είναι αντιστρεπτή,όταν πραγματοποιείται πάρα πολύ αργά και δεν υπάρχουν δυνάμεις τριβής

 Μια μεταβολή είναι αντιστρεπτή,όταν:
α) Πραγματοποιείται πάρα πολύ αργά (θεωρητικά σε άπειρο χρόνο).Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται ότι:
1) Το σύστημα βρίσκεται διαρκώς σε κατάσταση ισορροπίας.
2) Η ροή θερμότητας από το περιβάλλον προς το σύστημα και αντίστροφα οφείλεται σε απειροστές διαφορές θερμοκρασίας.
β) Δεν υπάρχουν δυνάμεις τριβής.

Το αέριο κατά την αντιστρεπτή μεταβολή περνάει από μια διαδοχική σειρά σχεδόν καταστάσεων ισορροπίας και όσο πιο αργά γίνεται η μεταβολή τόσο προσεγγίζεται καλύτερα η κατάσταση ισορροπίας

 Είναι βέβαια δύσκολο να φανταστούμε πως ένα αέριο σε ισορροπία μπορεί να μεταβάλλεται και να παραμένει σε ισορροπία ενώ μεταβάλλεται.Γι' αυτό το σωστό είναι να λέμε ότι το αέριο κατά την αντιστρεπτή μεταβολή περνάει από μια διαδοχική σειρά σχεδόν καταστάσεων ισορροπίας και όσο πιο αργά γίνεται η μεταβολή τόσο προσεγγίζεται καλύτερα η κατάσταση ισορροπίας.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ

 Όπως είναι φανερό,όλες οι μεταβολές στη φύση είναι μη αντιστρεπτές. Υπάρχουν,όμως,παραδείγματα στα οποία προσεγγίζεται η αντιστρεπτή διαδικασία.Τέτοια παραδείγματα είναι:
α) Η βραδεία συμπίεση ενός αερίου με τη βοήθεια εμβόλου που κινείται χωρίς τριβές.

Η βραδεία συμπίεση ενός αερίου με τη βοήθεια εμβόλου που κινείται χωρίς τριβές

β) Η βραδεία προσφορά μικρών ποσών θερμότητας σ' ένα δοχείο που περιέχει νερό και πάγο σε θερμοκρασία 0 °C.

Η βραδεία προσφορά μικρών ποσών θερμότητας σ' ένα δοχείο που περιέχει νερό και πάγο σε θερμοκρασία 0 °C

 Προσφέροντας σιγά-σιγά μικρά ποσά θερμότητας σ' ένα δοχείο που περιέχει νερό και πάγο σε θερμοκρασία 0 °C,είναι δυνατόν να προκαλέσουμε τήξη μέρους του πάγου σε νερό.Αφαιρώντας από το ίδιο δοχείο θερμότητα μπορούμε να προκαλέσουμε πήξη του νερού σε πάγο και να επαναφέρουμε το σύστημα νερό-πάγος στην αρχική του κατάσταση.

ΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ

 Εφόσον η μια κατάσταση ισορροπίας διαδέχεται την άλλη,τα σημεία στο διάγραμμα θα βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια γραμμή που ξεκινάει από την αρχική κατάσταση και οδηγεί στην τελική.

Διάγραμμα P-V για τη μεταβολή του αερίου σε μια αντιστρεπτή μεταβολή από την αρχική κατάσταση ισορροπίας Α(pA,VA,TA) στην τελική κατάσταση ισορροπίας B(pB,VB,TB) 

 Σ' ένα διάγραμμα P-V η μεταβολή του αερίου σε μια αντιστρεπτή μεταβολή από την αρχική κατάσταση ισορροπίας Α(pA,VA,TA) στην τελική κατάσταση ισορροπίας B(pB,VB,TB),μπορεί να παρασταθεί γραφικά από την συνεχή καμπύλη του παραπάνω σχήματος.Η καμπύλη είναι συνεχή γιατί όλες οι ενδιάμεσες καταστάσεις είναι καταστάσεις ισορροπίας του αερίου.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΜΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ

 Αντίθετα αν,στην περίπτωση του αερίου που μελετήσαμε,για να πάμε από την αρχική κατάσταση ισορροπίας Α(pA,VA,TA) στην τελική κατάσταση ισορροπίας B(pB,VB,TB),μετακινήσουμε απότομα το έμβολο,κτυπώντας το π.χ. με ένα σφυρί,τότε οι ενδιάμεσες καταστάσεις από τις οποίες περνάει το αέριο δεν είναι καταστάσεις ισορροπίας  και επομένως δεν περιγράφονται από την εξίσωση P=f(V,T).

Μετακινούμε απότομα το έμβολο για να πάμε από την αρχική κατάσταση ισορροπίας Α(pA,VA,TA) στην τελική κατάσταση ισορροπίας B(pB,VB,TB).Η μεταβολή αυτή δεν είναι αντιστρεπτή.Σ ' ένα διάγραμμα P-V,η μεταβολή ΑΒ του αερίου παριστάνεται γραφικά με τα δύο σημεία Α και Β,αφού μόνο οι καταστάσεις Α και Β είναι καταστάσεις ισορροπίας του αερίου

 Ο όγκος του αερίου να μειωθεί στην επιθυμητή τιμή και περιμένουμε μέχρι να αποκατασταθεί ισορροπία στο αέριο.Στη διάρκεια της μεταβολής αυτής το αέριο βρίσκεται σε αναταραχή,η πίεση και η θερμοκρασία του δεν είναι ίδιες σε όλη την έκτασή του. 

ΟΡΙΣΜΟΣ ΜΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ

 Μια τέτοια μεταβολή παριστάνεται από δυο σημεία και λέγεται μη αντιστρεπτή μεταβολή.

Μη Αντιστρεπτή μεταβολή ενός συστήματος ονομάζεται η μεταβολή που δεν αποτελείται από μια σειρά διαδοχικών καταστάσεων ισορροπίας και δεν μπορεί να διαγραφεί και κατά τις δυο φορές

 Μη Αντιστρεπτή μεταβολή ενός συστήματος ονομάζεται η μεταβολή που δεν αποτελείται από μια σειρά διαδοχικών καταστάσεων ισορροπίας και δεν μπορεί να διαγραφεί και κατά τις δυο φορές.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΜΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ

 Ένα άλλο παράδειγμα μη αντιστρεπτής μεταβολής είναι το εξής.Αν φέρουμε σε επαφή δυο σώματα που είναι αγωγοί της θερμότητας και έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες,τότε θερμότητα θα μετακινηθεί από το θερμότερο προς το ψυχρότερο σώμα μέχρις ότου οι θερμοκρασίες των δύο σωμάτων εξισωθούν.Η αντίθετης φοράς μεταβολή δεν έχει ποτέ παρατηρηθεί.

Αν φέρουμε σε επαφή δυο σώματα που είναι αγωγοί της θερμότητας και έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες,τότε θερμότητα θα μετακινηθεί από το θερμότερο προς το ψυχρότερο σώμα μέχρις ότου οι θερμοκρασίες των δύο σωμάτων εξισωθούν

 Όλες οι μεταβολές στη φύση είναι μη αντιστρεπτές και συμβαίνουν με ανταλλαγή θερμότητας ή ενέργειας μέσω έργου μεταξύ του συστήματος που υφίσταται τη μεταβολή και του περιβάλλοντος.

Στην πράξη οι διαδικασίες που γίνονται πολύ αργά και στις οποίες οι τριβές μπορεί να θεωρηθούν αμελητέες,είναι συχνά καλές προσεγγίσεις αντιστρεπτών διαδικασιών

 Στην πράξη οι διαδικασίες που γίνονται πολύ αργά και στις οποίες οι τριβές μπορεί να θεωρηθούν αμελητέες,είναι συχνά καλές προσεγγίσεις αντιστρεπτών διαδικασιών και σαν τέτοιες θεωρούνται στη συνέχεια οι μεταβολές των αερίων που αναφέρονται.

ΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΜΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΗΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ

 Θεωρούμε τη μεταβολή μιας ποσότητας αερίου από την αρχική κατάσταση Α(pA,VA,TA)  στην τελική κατάσταση B(pB,VB,TB).

Σ ' ένα διάγραμμα P-V,η μη αντιστρεπτή μεταβολή ΑΒ του αερίου παριστάνεται γραφικά με τα δύο σημεία Α και Β,αφού μόνο οι καταστάσεις Α και Β είναι καταστάσεις ισορροπίας του αερίου

 Σ ' ένα διάγραμμα P-V,η μεταβολή ΑΒ του αερίου παριστάνεται γραφικά με τα δύο σημεία Α και Β,όταν η μεταβολή είναι μη αντιστρεπτή,όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα,αφού μόνο οι καταστάσεις Α και Β είναι καταστάσεις ισορροπίας του αερίου.