Perché una trasformazione di un gas sia reversibile, il gas deve restare infinitamente vicino all’equilibrio durante tutto il processo. Non basta che stato iniziale e stato finale siano di equilibrio: ogni singolo istante intermedio deve esserlo. Questa è una richiesta severa, che si spezza in due condizioni distinte da soddisfare simultaneamente.
La prima è l’equilibrio termico: la temperatura del gas deve essere uguale — o differire al più di un infinitesimo — da quella dei termostati con cui scambia calore. Se ci fosse un salto finito di temperatura tra gas e termostato, il calore fluirebbe spontaneamente dal caldo al freddo e genererebbe entropia, rendendo il processo irreversibile.
La seconda è l’equilibrio meccanico: la pressione del gas deve essere uguale — o differire di un infinitesimo — dalla pressione esterna che agisce sul pistone. Se la pressione interna superasse di una quantità finita quella esterna, il gas spingerebbe il pistone in modo brusco e non controllato, di nuovo producendo entropia.
Note
Una trasformazione reversibile è sempre infinitamente lenta: ad ogni istante il gas si trova in equilibrio. È il prezzo da pagare perché non compaia mai nemmeno un salto finito di temperatura o di pressione.
Approfondimento — Come si realizza in pratica
Una trasformazione reversibile si ottiene concretamente usando infiniti termostati a temperature progressivamente diverse, così che il gas passi da una temperatura all’altra sempre a contatto con un termostato quasi identico al suo stato. Per la pressione, si immagina di aggiungere granelli di sabbia uno alla volta sopra il pistone, cambiandone il carico in modo così graduale da non allontanare mai il gas dall’equilibrio meccanico. Nella realtà i processi reversibili sono un’idealizzazione utile: nessun processo reale è perfettamente reversibile, perché ogni trasformazione finita in tempo finito genera un po’ di entropia.
Collegamenti
Argomenti: Termodinamica Concetti: Trasformazioni termodinamiche · Secondo principio della termodinamica Oggetti: Gas ideale · Pistone e cilindro
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