Квазистатическим процессом называется такой термодинамический процесс, при котором система проходит через последовательность состояний, каждое из которых можно считать равновесным. Иными словами, на протяжении всего процесса отклонения от термодинамического равновесия пренебрежимо малы, так что можно однозначно определить все макроскопические параметры системы (давление, температуру, объём и т. д.) в любой момент времени.
Для осуществления квазистатического процесса необходимо, чтобы изменения состояния происходили достаточно медленно, позволяя внутренним параметрам системы адаптироваться к внешним условиям без возникновения значительных градиентов или неравновесий.
Чтобы процесс был квазистатическим, требуется выполнение следующих условий:
Медленное изменение внешних параметров. Например, при сжатии газа давление на поршень должно увеличиваться настолько постепенно, чтобы газ успевал перераспределить давление и температуру внутри себя.
Минимизация внутренних потоков энергии. Например, тепловые потоки должны быть настолько малы, чтобы температура могла считаться одинаковой во всём объёме системы.
Отсутствие скачкообразных изменений. Все изменения происходят непрерывно, без резких переходов и турбулентностей.
В реальных физических системах ни один процесс не является строго квазистатическим. Однако во многих случаях отклонения от равновесия столь малы, что процесс можно считать квазистатическим с высокой степенью точности.
Одним из ключевых свойств квазистатических процессов является их геометрическая интерпретируемость. На диаграммах состояния (например, на pV- или TS-диаграммах) квазистатический процесс изображается в виде непрерывной линии, каждая точка которой соответствует термодинамическому равновесному состоянию.
Благодаря этому свойству, для квазистатических процессов можно точно рассчитывать величины работы и тепла путём интегрирования по траектории процесса:
$$ A = \int_{V_1}^{V2} p\,dV,\quad Q = \int{T_1}^{T_2} C(T)\,dT $$
Обратимым называется термодинамический процесс, который можно мысленно или практически обратить, проведя систему и окружающую среду через те же самые промежуточные состояния в обратном порядке, не оставив после себя никаких необратимых изменений.
Чтобы процесс был обратимым, необходимо выполнение более строгих условий, чем в случае квазистатичности:
Любое нарушение этих условий делает процесс необратимым. Например, если теплопередача происходит при конечной разности температур, часть энергии безвозвратно рассеивается, и процесс становится термодинамически необратимым.
Каждый обратимый процесс обязательно является квазистатическим, поскольку он должен проходить через непрерывную цепь равновесных состояний. Однако обратное неверно: квазистатический процесс не всегда обратим.
Пример: медленное сжатие газа с трением поршня о цилиндр может быть сколь угодно медленным (квазистатическим), но из-за трения оно будет необратимым.
Таким образом, обратимость требует не только квазистатичности, но и отсутствия всех источников диссипации энергии.
Обратимые процессы играют в термодинамике роль идеального эталона, с которым сравниваются реальные процессы. Их важность обусловлена тем, что:
В квазистатических и, особенно, в обратимых процессах возможно точное определение переданной работы и теплоты, что выражается в следующей форме первого начала термодинамики:
$$ \delta Q = dU + \delta A $$
Здесь $\delta Q$ — элемент теплоты, $\delta A$ — элемент работы, $dU$ — изменение внутренней энергии. В обратимом процессе $\delta A = p\,dV$, что позволяет интегрировать выражение по известной траектории на диаграмме.
Для необратимых процессов расчёт становится сложнее: из-за отсутствия строгой зависимости между параметрами состояния нельзя выразить тепло и работу в виде определённых интегралов.
Второе начало термодинамики, в формулировке Клаузиуса, напрямую связано с понятием обратимости:
«Теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему».
При этом величина энтропии $S$ системы при обратимом процессе подчиняется следующему равенству:
$$ \delta Q_{\text{обр}} = T dS $$
Для необратимых процессов выполняется неравенство:
$$ \delta Q_{\text{необр}} < T dS $$
Таким образом, обратимые процессы характеризуются нулевым приростом энтропии изолированной системы, в то время как необратимые сопровождаются её ростом.
Изотермическое расширение идеального газа в обратимом режиме: система медленно расширяется, находясь в контакте с термостатом; температура остаётся постоянной; процесс обратим, если нет трения и другие условия идеальны.
Адиабатическое сжатие без потерь: если теплообмен отсутствует ($\delta Q = 0$), и сжатие происходит квазистатически и без трения, процесс можно считать обратимым.
Теплопередача при конечной разности температур: даже если происходит очень медленно, остаётся необратимой из-за диссипативной природы теплового потока.
В инженерной практике и прикладной физике обратимые и квазистатические процессы применяются:
Они являются фундаментом всей теоретической конструкции термодинамики и необходимы для корректной формализации понятий теплоты, работы и энтропии.