Procesos reversibles e irreversibles

La termodinámica es la ciencia que pretende estudiar las transiciones de energía en calor y trabajo mecánico, y el flujo de energía de un punto a otro. Ilustra las razones detrás de muchos procesos en la naturaleza, como los procesos de fusión, congelación, evaporación y sublimación, que también se relaciona con las propiedades de la materia. 

En la termodinámica, hay dos procesos que ocurren cuando el calor fluye de un objeto caliente a un objeto frío o al revés:

1. Proceso irreversible.
2. Proceso reversible.

proceso irreversible   

Un proceso irreversible es un proceso espontáneo que ocurre en todos los procesos naturales. El calor fluye espontáneamente del objeto caliente al objeto frío sin regresar al objeto caliente, lo que significa que este proceso camina en una dirección. Una vez que comienza el proceso, el estado del objeto cambia. El derretimiento de la espuma de leche sobre el café se considera un proceso irreversible. El calor fluye del café a la espuma de leche. Al entrar en la espuma de la leche, el calor provoca un desorden entre las moléculas de la leche que lleva a reorganizar el orden de las moléculas. Así, la espuma de leche ya no es una espuma. Por lo general, este proceso genera un cambio significativo en la entropía del universo porque es más probable que suceda.

Otros ejemplos

1. Convertir la energía mecánica en calor para detener el automóvil mediante los frenos del automóvil.
2. Cristalizando el magma caliente en la superficie de la tierra para formar rocas ardientes. 
3. Remojar las verduras en una solución de agua y sal para fermentarlas. 

Proceso reversible

El proceso reversible contrasta con el proceso irreversible. El calor fluye hacia el objeto en dos direcciones invertidas. Si el proceso finaliza, el estado del objeto puede volver a su estado inicial en las mismas condiciones en las que ocurrió el proceso. Es un proceso no espontáneo, ocurre solo cuando existe un equilibrio termodinámico entre el objeto y su entorno, y se produce un cambio infinitesimal en las condiciones del objeto o su entorno. Por ejemplo, si coloca un bloque de hielo (a 0 °C) en una caja cerrada (a 0 °C también), hace un cambio muy pequeño en la temperatura del hielo cúbico o la caja cerrada, el hielo cúbico se derretirá después de un tiempo. Este tipo de proceso no influye en la entropía del universo, solo ocurre en un nivel infinitesimal. 

Otros ejemplos

1. Un flujo de calor lento entre dos objetos a 25 °C.
2. Compresión adiabática lenta del aire.
3. Empujar un objeto sobre una superficie sin fricción.

Comparación entre proceso irreversible y proceso reversible. 

proceso irreversible	Proceso reversible
Es espontáneo, sucede en la naturaleza.	No es espontáneo, no sucede en la naturaleza.
El calor fluye del cuerpo más caliente al cuerpo más frío solamente. (Una sola dirección)	El calor fluye entre el cuerpo caliente y el cuerpo frío en direcciones opuestas.
Solo requiere diferentes temperaturas.	Requiere (1) equilibrio termodinámico (2) un cambio infinitesimal del cuerpo o las condiciones de su entorno.
Crea un cambio significativo de la entropía del universo.	No influye en la entropía del universo.
Aumenta el desorden de las moléculas, partículas, etc.	No cambia el desorden de las moléculas, partículas, etc.
El objeto no puede volver a su estado inicial.	El objeto puede volver a su estado inicial.

Problemas de muestra 

Pregunta 1: ¿Cuál de los siguientes se considera un proceso reversible?

1. Tostar las nueces a 85 °C.  
2. Quemando los papeles.
3. Una lenta expansión isotérmica del gas helio.

Responder: 

3. Una lenta expansión isotérmica del gas helio.

Pregunta 2: determinar si fluye el calor muy lentamente entre dos objetos en equilibrio térmico proceso reversible o irreversible.

Responder: 

Proceso reversible. El calor fluye tan lentamente , y ambos objetos en equilibrio térmico. 

Pregunta 3: determine si encender la madera en la chimenea para calentar la habitación es un proceso reversible o irreversible.

Responder: 

Proceso irreversible. Después de que la madera se haya convertido en cenizas, no puede revertir el proceso para recuperar la madera.

Pregunta 4: determine si combinar 1 kg de agua a 0 °C en 1 kg de agua a 100 °C es un proceso reversible o irreversible.

Responder:

Proceso irreversible. Hay una diferencia significativa de temperaturas entre 1 kg de agua y 1 kg de agua, por lo que el calor fluirá espontáneamente del agua caliente al agua fría.

Pregunta 5: ¿Cuál de los siguientes se considera un proceso reversible?

1. Mezclando los ingredientes de la torta.
2. Derretir el helado cuando hace calor. 
3. Compresión cuasiestática de gas metano.

Responder: 

3. Compresión cuasiestática de gas metano.

Pregunta 6: Determinar si fluir el calor a una olla a 15 °C colocada en un horno a 150 °C es un proceso reversible o irreversible.

Responder: 

Proceso irreversible. El calor fluirá espontáneamente en la olla.