תהליך בלתי הפיך
במדע תהליך שלא ניתן להפוך את כיוון התרחשותו נקרא תהליך בלתי הפיך, העקרון נפוץ בתרמודינמיקה.
בתרמודינמיקה, תהליך בלתי הפיך מוגדר כשינוי במצב תרמודינמי של מערכת וסביבתה אשר לא ניתן להחזירו באופן מדויק למצבה הראשוני של המערכת, זאת באמצעות שינויים אינפיטיסמליים בתכונות המערכת וללא שחרור אנרגיה. מערכת שמסיימת לעבור את התהליך הבלתי הפיך עשויה עדיין לחזור למצבה הראשוני, אך במקרה זה בלתי אפשרי להחזיר את הסביבה למצבה הראשוני.
הגדרה נוספת מהתרמודינמיקה עבור תהליך בלתי הפיך היא תהליך בו האנטרופיה של היקום גדלה, כלומר שינוי האנטרופיה הוא חיובי. החוק השני של התרמודינמיקה משמש לקביעה אם תהליך הוא הפיך או בלתי הפיך, כאשר עבור תהליך הפיך השינוי באנטרופיה יהיה שווה לאפס.
הפיכות לעומת אי הפיכות
תהליך הפיך הוא תהליך המבוצע כך שבסוף התהליך ניתן להחזיר את המערכת והסביבה המקומית למצבם הראשוני ללא יצירת שינויים בשאר היקום. תהליך אשר לא מקיים את הדרישות הוא תהליך בלתי הפיך. כאשר החשיבות היא שכל המצבים ההתחלתיים של המערכת והסביבה יהיו ניתנים לשחזור.
בתרמודינמיקה, עבודה היא עקרון מאקרוסקופי, ניתן לתאר עבודה במונחים של העלאה או הורדה של גוף, או מתיחה וכיווץ של קפיץ. בהכללה, עבודה ניתנת לתיאור על ידי פעולה הגורמת להגדלה או הקטנת האנרגיה הפוטנציאלית של המערכת.
בהינתן מערכת בה מצוי גוף מסוים (מעלית, קפיץ ועוד). אם נתאר את המערכת כמערכת הנמצאת במגע עם מאגרים שבאמצעותם, ניתן יהיה לתאר כל זרימת אנרגיה (חום) אל המערכת וממנה.
הסביבה המקומית במצב זה תוגדר להיות הגוף, המערכת והמאגרים. הגדרה כללית יותר היא שכל חלק בסביבה שנמצא במגע ישיר עם המערכת מוגדר כסביבה מקומית. כל מאגר או חלקי סביבה אחרים שעשויים ליצור מגע עם המערכת יוגדרו כסביבת עזר, או במילים אחרות "שאר היקום". כאשר משמעות המילה "יקום" אינה במונחים קוסמיים או שמימיים אלא חלק סופי מהעולם שעשוי ליצור אינטראקציה עם המערכת.
תהליך המכיל את התנאים הבאים:
- המערכת מתקדמת ממצב התחלתי i למצב סופי f.
- הגוף המצוי במערכת מבצע עבודה או מבוצעת עליו עבודה.
- מתרחש מעבר חום מהמערכת אל סדרת המאגרים.
תהליך זה יוגדר כתהליך הפיך אם ניתן לשחזר את המצב ההתחלתי i או יוגדר כתהליך בלתי הפיך אם לא ניתן לשחזר את מצב i.
שאלה מרכזית שעולה מהגדרות תהליכים אלו היא האם תהליכים טבעיים הם הפיכים או לא. מכיוון שאנרגיה נאבדת בכל תהליך אמיתי, הדבר מוביל לכך שכל התהליכים הטבעיים אינם הפיכים. עם זאת, ניתן ליצור תהליך הפיך באופן מבוקר ותוך קיום תנאים מתאימים.
הפיכות מוחלטת לעומת הפיכות סטטיסטית
התרמודינמיקה מגדירה את ההתנהגות הסטטיסטית של מספר רב של מרכיבים כניתנת לתיאור באופן מדויק באמצעות חוקים מסוימים.
על אף שהחוקים התאורטיים הבסיסים של הפיזיקה כולם הפיכים בזמן[1], מבחינת נסיונית – הסבירות שתהליך אמיתי יהיה תהליך הפיך קטנה. עקרון ההפיכות בתרמודינמיקה מוכרח להיות סטטיסטי בטבע, כלומר, בסבירות גבוהה לא צפוי שיתרחש תהליך הפיך אך אינו בלתי אפשרי. צורה מדויקת יותר היא הטענה שאנטרופיה של המערכת לא עשויה לקטון.
אי הפיכות מכנית חיצונית
ישנו מגוון רחב של תהליכים המכילים מעברים איזותרמים (ללא שינוי טמפ') של עבודה לאורך המערכת (שאינה משתנה) ואל תוך האנרגיה הפנימית של המאגר.
דוגמאות לתהליכים אלו:
- חיכוך כתוצאה משפשוף שני מוצקים הנמצאים במגע עם מאגר.
- בחישה לא רגולרית של נוזל צמיג הנמצא במגע עם מאגר.
- דפורמציה אנאלסטית של מוצק הנמצא במגע עם מאגר.
- מעבר מטען דרך נגד שנמצא במגע עם מאגר.
- זיכרון מגנטי של חומר הנמצא במגע עם מאגר.
על מנת להחזיר את המערכת ואת סביבתה המקומית למצב הראשוני מבלי לעורר שינויים במקום אחר, החום שיוצא מהמאגר צריך להיות מומר כולו לעבודה. דרישה זו מפרה את החוק השני (לפי ניסוח קלווין) ועל כן כל התהליכים לעיל הם בלתי הפיכים.
באותו אופן, ישנו מגוון של תהליכים המכילים מעברים אדיאבטים (ללא מעבר חום) של עבודה אל תוך האנרגיה הפנימית של המערכת.
דוגמאות לתהליכים אלו:
- חיכוך כתוצאה משפשוף שני מוצקים המבודדים תרמית.
- בחישה לא רגולרית של נוזל צמיג מבודד תרמית.
- דפורמציה אנאלסטית של מוצק מבודד תרמית.
- מעבר מטען דרך נגד מבודד תרמית.
- זיכרון מגנטי של חומר מבודד תרמית.
תהליכים אלו מלווים בעליה בטמפ' של המערכת, במצב זה על מנת להחזיר את המערכת ואת סביבתה המקומית למצב הראשוני מבלי לעורר שינויים במקום אחר, יש צורך להקטין את האנרגיה הפנימית של המערכת על ידי הוצאת חום שכולו יומר לעבודה. דרישה זו מפרה את החוק השני ועל כן התהליכים לעיל מוגדרים כבלתי הפיכים.
ניתן להכליל את התופעות שמסייעות להמרת העבודה לאנרגיה פנימית, תופעות כמו חיכוך, צמיגות, אנאסלטיות, התנגדות חשמלית ועוד, מוגדרות כאפקטים לא משמרים. תהליכים המכילים המרה של עבודה לאנרגיה פנימית יוגדרו כאי הפיכות מכנית חיצונית.
אי הפיכות מכנית פנימית
תהליכים המכילים המרה של אנרגיה פנימית של מערכת לאנרגיה מכנית ולאחר מכן בחזרה לאנרגיה פנימית.
דוגמאות לתהליכים אלו:
- גז אידיאלי מתפשט בואקום (התפשטות חופשית, התפשטות ג'אול).
- גז זורם דרך נחיר או שסתום (תהליך עצור, התפשטות ג'אול-תומסון).
- שבירה של כבל מתוח לאחר חיתוכו.
- קריסה של בועת סבון לאחר חדירתה.
דוגמה לתהליכים אלו היא התפשטות חופשית, בהתפשטות זו יש המרה של אנרגיה פנימית לאנרגיה קינטית, אנרגיה קינטית זו הופכת לאנרגיה פנימית שבאה לידי ביטוי כצמיגות. דוגמה נוספת היא חיתוך כבל מתוח, האנרגיה הפנימית מומרת לאנרגיה קינטית של תנועה לא רגולרית ותנודות, אנרגיה קינטית זו הופכה לאנרגיה פנימית שבא לידי ביטוי כאנאלסטיות.
תהליכים אלו יוגדרו כאי הפיכות מכנית פנימית.
אי הפיכות תרמית חיצונית ופנימית
תהליכים המכילים מעבר חום בין המערכת לבין המאגר עקב הבדל טמפ', כדוגמת התהליכים הבאים:
- הולכה או הקרנה של חום מהמערכת אל מאגר קר יותר.
- הולכה או הקרנה של חום לאורך המערכת (שאינה משתנה) ממאגר חם למאגר קר יותר.
על מנת לשחזר את המערכת וסביבתה המקומית למצב הראשוני החום יצטרך לעבור מגוף קר לגוף חם יותר, מכיוון שדרישה זו מפרה את החוק השני (לפי ניסוח קלאוזיוס), על כן תהליכים אלו מוגדרים כבלתי הפיכים.
התהליכים לעיל יוגדרו כאי הפיכות תרמית חיצונית, כאשר המעבר חום יתבצע בין חלקים שונים של אותה המערכת התהליכים יוגדרו כאי הפיכות תרמית פנימית.
אי הפיכות כימית
חלק מהתהליכים המעניינים ביותר בטבע כרוכים בשינויים ספונטאניים במבנה הפנימי, בהרכב הכימי, בצפיפות ועוד.
דוגמאות לתהליכים אלו:
- יצירת תרכובות כימיות חדשות - כל הריאקציות הכימיות.
- ערבוב שני חומרים שונים – פעפוע של שני גזים אידיאלים שונים וערבוב של אלכוהול עם מים.
- שינוי פאזה פתאומי – הקפאת נוזל במצב קירור על ועיבוי של אדים במצב רוויית יתר.
- מעבר חומר בין פאזות במגע – אוסמוזה והמסה של מוצק בתוך מים.
תהליכים אלו הם הקשים ביותר לשליטה במעבדה ויש לטפל בהם בשיטות מיוחדות.
תהליכים הכרוכים בשינויים ספונטאניים במבנה הפנימי, בהרכב הכימי, בצפיפות ועוד, יוגדרו כאי הפיכות כימית.
תנאים להפיכות ולאי הפיכות
החוק השני של התרמודינמיקה אומר שכל התהליכים הטבעיים והספונטניים הם בלתי הפיכים, בדיקה מובחנת יותר מראה כי כל התהליכים הטבעיים מכילים אחד או שנים מתוך הבאים:
- תנאים לשיווי משקל מכני, תרמי, כימי וכלל שיווי משקל תרמודינמי לא מוגדרים היטב.
- נוכחות של אפקטים לא משמרים, לדוגמה: חיכוך, צמיגות, אנאלסטיות, התנגדות חשמלית או זיכרון מגנטי.
כלומר, על מנת שתהליך יהיה הפיך אסור שיקיים אחד משני התנאים לעיל.
תהליך הפיך יקיים את שני התנאים הבאים:
- תהליך שמבוצע באופן קוואזי-סטטי.
- חוסר נוכחות של אפקטים לא משמרים (חיכוך, צמיגות ועוד).
תנאים אלו קשים למימוש באופן מלא, על כן תהליך הפיך הוא בגדר אידיאל מופשט, שימושי לחישובים תאורטיים אך לא תואם למציאות.
דוגמאות לתהליכים בלתי הפיכים
דוגמאות לתהליכים ספונטאניים[2] יומיומיים:
- לידה, הזדקנות ומוות.
- חלוקת תאים וגידול רקמות.
- מעבר חום כתוצאה מהבדל טמפרטורות.
- חיכוך.
- הזרמת זרם דרך נגד.
- מגנטיזציה ופוליריזאציה.
- התפשטות טבעית של נוזלים.
- תגובות כימיות ספונטאניות.
דוגמה לתהליך בלתי הפיך קלאסי בתרמודינמיקה הוא התפשטות ג'אול. זהו תהליך בו נפח של גז נשמר בצדו האחד של מיכל מבודד תרמית וזאת באמצעות מחיצה, בצדה השני של המיכל מצוי ריק. כאשר נפתחת המחיצה בין שני חלקי המיכל, הגז ממלאה באופן טבעי את המיכל כולו. כך שבמהלך התפשטות הגז האנטרופיה גדלה.
ביבליוגרפיה
- mark-waldo-zemanskyrichard-dittman, heat-and-themodynamics -seventh edition chapter 6.9,1997
ראו גם
הערות שוליים
- ^ David Albert on Time and Chance
- ^ Moran, John (2008). "Fundamentals of Engineering Thermodynamics", p. 220. John Wiley & Sons, Inc., USA. מסת"ב 978-0-471-78735-8.
31763154תהליך בלתי הפיך