Zvratnost a jeho doplňovat nevratnost jsou důležité pojmy v fyziky a zejména v termodynamice .
Každý měl následující zkušenosti:
První zkušenost je typická pro nevratné chování, druhá je to, co se nejvíce blíží reverzibilní transformaci , ale není přesně reverzibilní. Jakkoli se to může zdát jednoduché, tyto dva příklady ilustrují možnost nebo nemožnost termodynamického systému spontánně a přesně obnovit svůj stav bezprostředně před modifikací.
Jev je reverzibilní, pokud nekonečně malá modifikace podmínek umožňuje systému, který se vyvinul pod vlivem tohoto jevu, vrátit se do svého bezprostředně předchozího stavu. Tento jev se stává reverzibilním, pokud je kromě předchozích nezbytných podmínek stejný s vnějším prostředím . Když tedy uvolníme pružinu, která byla původně napnutá, přestaneme působit silou a není totožná s jejím počátečním stavem. V termodynamice je pojem reverzibilní evoluce kvantitativní: jedná se o evoluci systému, pro který není produkována žádná entropie .
Naproti tomu jsou všechny ostatní jevy považovány za nevratné. Jedná se o ty, u kterých je nemožné, aby se systém vrátil do bezprostředně předchozího stavu bez podstatných změn podmínek. V termodynamice to vede k produkci entropie.
Ve fyzice jsou všechny jevy nevratné. Reverzibilita je matematická hranice nebo idealizace.
Klasická mechanika, jak ji založil zejména Newton , implicitně předpokládá reverzibilitu jevů. Ve všech základních rovnicích je čas skutečně reverzibilní, to znamená, že změna časové proměnné t in -t ponechává základní rovnice neměnné.
Pro klasickou mechaniku je tedy „odvíjení filmu“ fyzické evoluce vzhůru nohama docela přijatelné. Tato vize se však střetává se zdravým rozumem a pro jednoduché jevy je fyzicky přijatelný pouze jeden směr evoluce. Například míč spadnutý z určité výšky spadne na zem, chvíli se tam odrazí a poté se zastaví, jakmile se vzdá veškeré své kinetické energie na zem. Pro klasickou mechaniku je teoreticky naprosto přijatelné, aby reverzní proces probíhal spontánně: země by pak dodávala energii míči, který by začal skákat výš a výš, dokud nezískala výšku ruky, která se uvolnila!
První historické úspěchy Newtonových zákonů jim již dlouho dávají zvláštní základ ve světě vědy. Tak Laplace neváhá předpovědět nejen celkovou determinismus zákonů fyziky, ale také možnost, z daného státu, popsat minulost a budoucnost mechanického systému: čas n 'nemá žádný směr proudění.
Řada koncepční a praktické problémy nastanou, avšak z XVIII th a XIX th století, a to zejména po vývoji parních strojů . Jedním z hlavních problémů je teplo . Všechny experimenty ukazují, že se to přenáší z horkého těla do chladného těla, a to za předpokladu, že teploty nejsou stejné. Je tedy iluzorní čekat, až se chladné tělo vzdá tepla horkému tělu: jakmile je přenos proveden, je nevratný. Dalším zásadním zjištěním nevratnosti je toto: i když je extrémně jednoduché získat teplo mechanickou prací (takhle naši předkové zapálili oheň třením suchého dřeva), zdá se být mnohem obtížnější toto stejné teplo přeměnit na práci (vy například nebude moci přesunout hůl suchého dřeva zapálením). Stále tedy existuje nevratnost.
Přesto i v této době je pro zastánce mechanistického přístupu k fyzice obtížné přijmout zpochybňování úplné reverzibility evolucí. Fyzici jako Maxwell se pokoušejí odhalit paradoxy nebo vyvinout myšlenkové experimenty schopné prokázat rozpory nevratnosti ve fyzice (viz zejména uvolnění Joule a Gay-Lussaca a Maxwellova démona ).
Problémy spočívají v mikroskopickém nebo částicovém přístupu klasické mechaniky, kde studovanými objekty jsou hmotné body , nebo také sady bodů, jejichž vnitřní struktura je snadno zapomenutelná (co se týká pohybu planety ve vesmíru). V tomto měřítku a pro tento typ objektu studovaného individuálně se fyzika jeví jako skutečně reverzibilní. Je to přechod k mnoha souborům objektů, který nejčastěji způsobuje výskyt nevratných jevů: tomu se říká přechod k termodynamickému limitu .
Nejjednodušší příklad se týká plynů. I když je možné určit velké množství vlastností plynů tím, že se každá částice bude považovat za bod a použije se výhradně klasická mechanika, všechny transformace plynů jsou nevratné a většina z nich bez termodynamiky nevysvětlitelná.
Teoretická vysvětlení, která umožňují pochopit nevratnost transformace aplikované na množství mikroskopických objektů v reverzibilní individuální evoluci, poskytuje statistická fyzika a teorie chaosu .
Entropie, která se zvyšuje s časem, je jediná známá šipka času . Netermodynamické systémy se proto nezabývají entropií, a proto ani časem. Všechno je pro ně reverzibilní. Toto pozorování nutí některé fyziky říkat, že čas na úrovni jedné částice neexistuje.
Termodynamika, která interpretuje makroskopické jevy z jejich mikroskopických příčin, umožnila přísnější zacházení s nevratnostmi, a to rozšířením určitých konceptů klasické mechaniky (zejména energetické ) a přidáním nových principů ( Druhý princip termodynamiky ).
Skutečné transformace jsou nevratné hlavně kvůli disipativním jevům. Systém se nemůže spontánně „vrátit zpět“. V termodynamice je to formalizováno v rámci druhého principu termínem vytváření entropie, který charakterizuje skutečnost, že globální porucha (systém + prostředí) narůstá nebo dokonce došlo ke ztrátě té části informací o systému. Je docela možné, že se systém vrátí do stavu bezprostředně před nevratnou transformací, ale to vyžaduje akci vnějšího operátora.
Moderní vyjádření druhého principu formalizuje toto vytváření entropie a umožňuje kvantifikovat nevratnost transformace. Pro jakýkoli uzavřený systém lze zapsat variaci entropie během transformace:
Statistická interpretace entropie a teorie informace (zejména Shannonova entropie ) také poskytují interpretace nevratnosti transformací. Odpovídá:
Teoretické podmínky pro reverzibilní transformaci jsou následující:
Přesněji řečeno, můžeme říci, že reverzibilní transformace je ideálním modelem, pro který jsou výměny rozsáhlých veličin téměř statické, prováděné ve velkém počtu kroků, takže nerovnováha kombinovaných intenzivních veličin je dosažena velmi malými kroky a při absenci disipativních jevů. K tomuto modelu je velmi často možné přistoupit za vhodných experimentálních podmínek.
Uvažujme o reverzibilní izotermické transformaci ideálního plynu počínaje počátečním stavem A definovaným stavovými proměnnými : p (A), V (A), T, n k dosažení konečného rovnovážného stavu B definovaného: p (B), V (B), T, n .
Základním projevem práce tlakových sil: .
kde p loc je tlak plynu lokálně na rozhraní s vnějším prostředím (často píst). Pokud je transformace reverzibilní, je pohyb dostatečně pomalý, aby se tlak homogenizoval v plynu při p = p loc . Navíc je systém v každém okamžiku v rovnováze a lze jej popsat jeho stavovou rovnicí . Pokud je plyn perfektní:
Práce provedená během transformace odpovídá integrálu definovanému pro změnu objemu mezi V (A) a V (B) .
Reverzibilita transformace umožňuje tento výpočet. Pro jakoukoli transformaci s p ≠ p loc je nutné zapsat zachování energie pístu oddělujícího plyn od vnějšího média:
s W ext práce vnějších sil působících na píst a E K, píst kinetickou energii pístu. Stačí tedy, aby práce tlakových sil plynu byla stejná jako práce vnější. Tato rovnost se získá, když píst začíná a končí nulovou rychlostí; například při brutálním rozdrcení ideálního plynu těžkým pístem (nevratným).
Je pevné těleso tepelná kapacita konstanta C , a počáteční teplota T . Jeho vnitřní energie je U (T) = T c a jeho entropie S (T) = T c Ln . Toto těleso je v kontaktu se zdrojem teploty T '= T x . Jeho konečná teplota v rovnováze bude tedy T ' a bude si vyměňovat se zdrojem teplo Q = c (T'-T) = c T (x-1) .
Studium variace entropieMezi počátečním stavem a konečným stavem máme následující variantu entropie:
Entropie vyměněná se zdrojem při teplotě T ' je podle definice:
Entropie vytvořená během transformace je tedy podle druhého principu:
Evoluce je proto vždy nevratná bez ohledu na konečnou a počáteční teplotu.
Kvazi-statická transformaceNyní si můžeme představit transformaci, která stále vede pevné těleso ze stejné počáteční teploty T na stejnou konečnou teplotu T ', ale tím, že se tělo postupně dostane do kontaktu s řadou i zdrojů tepla při teplotách postupně se pohybujících od T do T' .
S je stavová funkce, která závisí pouze na počátečních a konečných podmínkách, variace entropie zůstává nezměněna:
Entropie vyměněná tělem se zdrojem tepla i , při teplotě se rovná:
Pokud vezmeme v úvahu, že transformace se provádí kvazi-statickým způsobem, počet kroků, to znamená i , má sklon k nekonečnu. V tomto případě je teplotní rozdíl nekonečně malý a my pózujeme .
Celková entropie vyměněná tělem je součtem entropií vyměněných s každým ze zdrojů:
Pro i tendenci k nekonečnu a za extrémních teplotách T a T " , které máme:
A nakonec najdeme pro tuto kvazi-statickou transformaci limit vytvořenou entropii:
proto má transformace tendenci být reverzibilní pro kvazi-statickou transformaci.
V termochemii je významným způsobem také pojem nevratnosti. Ve skutečnosti žádná chemická transformace není reverzibilní a vytvořená entropie bude vždy přísně pozitivní. Vyplývá to ze skutečnosti, že jakýkoli fyzikálně-chemický systém se vyvíjí směrem k rovnovážnému stavu, ve kterém bude chemická reakce kompenzována reverzní reakcí (s výjimkou případu narušení rovnováhy získaného například regenerací reakčního činidla nebo vyloučením produktu reakce, jakmile dojde k jeho tvorbě ...). Před dosažením této rovnováhy jsou komponenty systému v méně stabilním stavu a nelze si představit, že se reakční systém vrátí do původního stavu bez zásahu vnějšího prostředí.