CHIỀU HƯỚNG CỦA Q TRÌNH NHIỆT
§5.1 Q TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ KHÔNG THUẬN NGHỊCH
Trong chương này chúng ta sẽ xét hệ vĩ mô ở trạng thái có thể cân bằng hoặc không cân bằng. Các quá trình thường gặp trong thực tế thì đa số là khơng cân bằng. Khi nghiên cứu các q trình khơng cân bằng, vấn đề quan trọng hàng đầu là làm rõ các qui luật về chiều hướng diễn biến của chúng.
Trước hết ta nêu một khái niệm rộng hơn: quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch. Một quá trình được gọi là thuận nghịch nếu nó có thể diễn biến theo cả chiều thuận cũng như
chiều ngược lại, trong quá trình ngược hệ đi qua các trạng thái trung gian như quá trình thuận và theo một thứ tự ngược lại, sau khi trở về trạng thái đầu thì điều kiện xung quanh khơng thay đổi. Một q trình là khơng thuận nghịch nếu vi phạm điều kiện đã đặt ra.
Hãy nêu vài thí dụ trong cơ học và trong nhiệt học.
Thí dụ 1: Con lắc tốn học. Khi quả cầu của con lắc chuyển động từ vị trí cao nhất ở một phía sang vị trí cao nhất phía bên kia thì nó đã thực hiện một quá trình thuận nghịch: chuyển động ngược lại trở về trạng thái ban đầu là thực hiện được. Muốn trở về được trạng thái ban đầu thì phải loại trừ hồn tồn ma sát.
Thí dụ 2: Dãn nén khối khí trong bình có pitông. Phải nén đủ chậm để tại mỗi thời điểm trạng thái kịp thiết lập sự cân bằng. Phải loại trừ ma sát để không làm tăng nhiệt độ do nguyên nhân ngoại lai. Như thế ta đã có một q trình thuận nghịch: quá trình ngược lại sẽ giống hệt quá trình thuận, nhưng theo thứ tự ngược lại. Nếu dãn nén khơng đủ chậm thì khi nén áp suất ở gần pitơng sẽ lớn hơn ở vị trí xa, cịn khi dãn áp suất ở gần pitông sẽ nhỏ hơn so với vị trí xa. Điều này làm cho q trình trở nên khơng thuận nghịch.
Ta thấy một q trình khơng thuận nghịch cơ học có ngun nhân là ma sát, trong khi q trình khơng thuận nghịch nhiệt học ngoài ma sát cịn có một ngun nhân nữa: sự phá vỡ cân bằng của trạng thái trong quá trình.
Dễ thấy rằng một quá trình cân bằng thì thuận nghịch. Điều ngược lại khơng đúng: có những q trình thuận nghịch mà khơng cân bằng. Thí dụ, lấy một vịng dây siêu dẫn, cho một thanh nam châm chuyển động theo trục của vòng dây qua lại quanh tâm của vịng. Khi đó trong vịng dây xuất hiện một dòng điện cảm ứng xoay chiều. Q trình này thuận nghịch nhưng khơng cân bằng.
Sau đây là vài thí dụ khác về các q trình khơng thuận nghịch của hệ nhiệt:
- Sự truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp, q trình ngược lại khơng thể xảy ra.
- Dịch chuyển một bình khí có ma sát ở thành bên ngồi, cơng sẽ biến thành nhiệt làm tăng nhiệt độ khối khí một lượng ⊗T.