В природе подавляющее большинство процессов протекает с определённой направленностью и самопроизвольно. Разбившийся стакан не собирается обратно, нагретое тело самопроизвольно не становится холоднее, если его окружение имеет такую же или более высокую температуру. Эти наблюдения указывают на существование глубинного физического закона, описывающего необратимость процессов.
Направленность термодинамических процессов — проявление фундаментального отличия между прошедшим и будущим, связанного с ростом определённой величины — энтропии. Эволюция макроскопических систем, несмотря на то что элементарные микроскопические уравнения (например, уравнения механики Ньютона) обратимы во времени, подчиняется строго определённому направлению — от состояния меньшей энтропии к состоянию большей энтропии.
Обратимым процессом в термодинамике называют такой идеализированный процесс, при котором система и окружающая среда могут быть возвращены в начальное состояние без каких-либо изменений в других телах. Такие процессы можно мысленно обратить без остаточных изменений.
Необратимый процесс — это процесс, при котором невозможно полное восстановление исходного состояния системы и окружающей среды без внешнего вмешательства. Все реальные процессы в природе необратимы.
Примеры необратимых процессов:
Необратимость процессов имеет фундаментальную природу. Основные причины:
Наличие трения, вязкости, сопротивления — механические и электрические потери преобразуют полезную энергию в теплоту, которая далее рассеивается в окружающей среде.
Теплопередача между телами при конечной разности температур — приводит к увеличению энтропии и невозможности полного возврата системы в начальное состояние.
Диффузия и самопроизвольное перемешивание веществ — процесс идет в направлении выравнивания концентраций и не может быть обращён без затраты энергии.
Радиационные процессы и излучение энергии в виде тепловых фотонов — также сопровождаются рассеянием энергии и увеличением энтропии.
Статистическая природа макросостояний — вероятность перехода от менее вероятного состояния (низкой энтропии) к более вероятному (высокой энтропии) существенно выше, чем наоборот.
Согласно второму началу термодинамики, в замкнутой системе энтропия никогда не убывает:
$$ \Delta S \geq 0 $$
Равенство достигается только для обратимых процессов, а для всех реальных (необратимых) процессов прирост энтропии положителен. Это и фиксирует термодинамическую стрелу времени: процессы идут в сторону увеличения энтропии.
Если система изолирована, то никакие внешние воздействия невозможны, и направление процесса определяется исключительно внутренними причинами. Так, система стремится к термодинамическому равновесию, при котором энтропия достигает максимума, и все макроскопические потоки прекращаются.
Работа, совершаемая системой в необратимом процессе, всегда меньше, чем в соответствующем обратимом:
$$ A\text{необр} < A\text{обр} $$
Это следствие рассеяния энергии, переходящей в недоступную для выполнения полезной работы форму — внутреннюю энергию, сопровождаемую ростом энтропии. Аналогично, для получения той же работы в необратимом процессе требуется большее количество теплоты, чем в обратимом.
Энтропия — мера вероятности макросостояния системы. Состояния с большей энтропией обладают значительно большей статистической весомостью, то есть соответствуют гораздо большему числу микросостояний.
Вероятность того, что система самопроизвольно перейдёт от состояния с высокой энтропией к состоянию с низкой — чрезвычайно мала, практически нулевая. Именно это объясняет невозможность самопроизвольного восстановления прежнего порядка, например, при смешении газов или охлаждении тела без внешнего вмешательства.
Необратимость процессов в природе лежит в основе так называемой стрелы времени — термодинамической направленности эволюции систем. Хотя фундаментальные законы микрофизики симметричны во времени, на макроуровне возникает односторонняя направленность: прошлое и будущее становятся различимыми.
Это приводит к важному философскому и физическому следствию: хотя уравнения движения элементарных частиц не различают направления времени, само существование направленного течения процессов в макромире (от меньшей к большей энтропии) делает прошлое и будущее неэквивалентными.
Чтобы процесс можно было приближённо считать обратимым, необходимо выполнение квазистатичности — прохождения системы через последовательность состояний, максимально близких к равновесным. Это требует:
Любое отступление от этих условий приводит к необратимости и возрастанию энтропии.
Работа тепловых двигателей, холодильников и других устройств всегда связана с необратимыми процессами. Наибольший возможный КПД достигается при обратимом цикле (например, в цикле Карно), но он недостижим на практике.
Реальные машины всегда работают с меньшим КПД из-за:
Таким образом, необратимость накладывает фундаментальные ограничения на эффективность преобразования энергии в технических системах.
Необратимость процессов придаёт устойчивость развитию физических, химических и биологических систем. Случайные флуктуации, приводящие к временным отклонениям от равновесия, быстро затухают, возвращая систему к более вероятным состояниям с большей энтропией.
Это универсальное свойство всех макроскопических систем позволяет объяснить:
Таким образом, необратимость лежит в основе фундаментальной асимметрии природы и объясняет многие макроскопические явления, от стирания следов прошлого до возникновения хаоса и порядка.