En termodinámica , un proceso reversible es un proceso que involucra a un sistema y su entorno , cuya dirección puede revertirse por cambios infinitesimales en algunas propiedades del entorno, como la presión o la temperatura. [1] [2] [3]
Durante todo un proceso reversible, el sistema se encuentra en equilibrio termodinámico , tanto físico como químico, y casi en equilibrio de presión y temperatura con su entorno. Esto evita fuerzas desequilibradas y la aceleración de los límites móviles del sistema, lo que a su vez evita la fricción y otras disipaciones.
Para mantener el equilibrio, los procesos reversibles son extremadamente lentos ( cuasiestáticos ). El proceso debe ocurrir lo suficientemente lento como para que después de un pequeño cambio en un parámetro termodinámico, los procesos físicos en el sistema tengan suficiente tiempo para que los otros parámetros se ajusten automáticamente para coincidir con el nuevo valor del parámetro cambiado. Por ejemplo, si un recipiente con agua ha permanecido en una habitación el tiempo suficiente para que coincida con la temperatura constante del aire circundante, para que un pequeño cambio en la temperatura del aire sea reversible, todo el sistema de aire, agua y recipiente debe esperar lo suficiente para que el recipiente y el aire se asienten en una nueva temperatura coincidente antes de que pueda ocurrir el siguiente pequeño cambio. [a] Si bien los procesos en sistemas aislados nunca son reversibles, [3] los procesos cíclicos pueden ser reversibles o irreversibles. [4] Los procesos reversibles son hipotéticos o idealizados, pero centrales para la segunda ley de la termodinámica . [3] La fusión o congelación del hielo en agua es un ejemplo de un proceso realista que es casi reversible.
Además, el sistema debe estar en equilibrio (cuasiestático) con el entorno en todo momento y no debe haber efectos disipativos, como la fricción, para que un proceso se considere reversible. [5]
Los procesos reversibles son útiles en termodinámica porque están tan idealizados que las ecuaciones para el calor y el trabajo de expansión/compresión son simples. [6] Esto permite el análisis de procesos modelo , que generalmente definen la máxima eficiencia alcanzable en los procesos reales correspondientes. Otras aplicaciones explotan que la entropía y la energía interna son funciones de estado cuyo cambio depende solo de los estados inicial y final del sistema, no de cómo ocurrió el proceso. [6] Por lo tanto, el cambio de entropía y energía interna en un proceso real se puede calcular con bastante facilidad analizando un proceso reversible que conecta los estados inicial y final reales del sistema. Además, la reversibilidad define la condición termodinámica para el equilibrio químico .
Los procesos termodinámicos pueden llevarse a cabo de dos maneras: reversiblemente o irreversiblemente. Un proceso termodinámicamente reversible ideal está libre de pérdidas disipativas y, por lo tanto, la magnitud del trabajo realizado por o sobre el sistema se maximizaría. Sin embargo, la conversión incompleta de calor en trabajo en un proceso cíclico se aplica tanto a ciclos reversibles como irreversibles. La dependencia del trabajo en la trayectoria del proceso termodinámico tampoco está relacionada con la reversibilidad, ya que el trabajo de expansión, que se puede visualizar en un diagrama de presión-volumen como el área debajo de la curva de equilibrio, es diferente para diferentes procesos de expansión reversibles (por ejemplo, adiabático, luego isotérmico; vs. isotérmico, luego adiabático) que conectan los mismos estados inicial y final.
En un proceso irreversible se producen cambios finitos, por lo que el sistema no está en equilibrio durante todo el proceso. En un proceso cíclico, la diferencia entre el trabajo reversible y el trabajo real de un proceso se muestra en la siguiente ecuación:
Los procesos reversibles simples [3] cambian el estado de un sistema de tal manera que el cambio neto en la entropía combinada del sistema y sus alrededores es cero. (La entropía del sistema solo se conserva en procesos adiabáticos reversibles ). Sin embargo, el ciclo de Carnot demuestra que el estado de los alrededores puede cambiar en un proceso reversible a medida que el sistema vuelve a su estado inicial. Los procesos reversibles definen los límites de cuán eficientes pueden ser los motores térmicos en termodinámica e ingeniería: un proceso reversible es aquel en el que la máquina tiene máxima eficiencia (ver ciclo de Carnot ).
En algunos casos, puede ser importante distinguir entre procesos reversibles y cuasiestáticos . Los procesos reversibles son siempre cuasiestáticos, pero lo inverso no siempre es cierto. [2] Por ejemplo, una compresión infinitesimal de un gas en un cilindro donde hay fricción entre el pistón y el cilindro es un proceso cuasiestático , pero no reversible . [7] Aunque el sistema ha sido impulsado desde su estado de equilibrio solo por una cantidad infinitesimal, la energía se ha perdido irreversiblemente en calor residual, debido a la fricción , y no se puede recuperar simplemente moviendo el pistón en la dirección opuesta por la misma cantidad infinitesimal.
Históricamente , el término principio de Tesla se utilizó para describir (entre otras cosas) ciertos procesos reversibles inventados por Nikola Tesla . [8] Sin embargo, esta frase ya no se usa convencionalmente. El principio establecía que algunos sistemas podían invertirse y funcionar de manera complementaria. Fue desarrollado durante la investigación de Tesla en corrientes alternas donde la magnitud y la dirección de la corriente variaban cíclicamente. Durante una demostración de la turbina Tesla , los discos giraban y la maquinaria sujeta al eje era operada por el motor. Si se invertía el funcionamiento de la turbina, los discos actuaban como una bomba . [9]
Este es el sello distintivo de un proceso reversible: un cambio infinitesimal en las condiciones externas invierte la dirección del cambio.
