¿Por qué la transferencia de calor es reversible cuando la diferencia de temperatura es infinitesimal?

Question

No entiendo por qué la transferencia de calor del depósito caliente al sistema se considera reversible en este caso:
$T_{reservoir}$ = $T_{system}$ + dT

pero se considera irreversible en este caso:
$T_{reservoir}$ = $T_{system}$ + T

Donde dT es la diferencia infinitesimal mientras que T es la diferencia finita de temperatura entre el depósito y el sistema.

En ambos casos se transfiere algo de calor del depósito al sistema, por lo que debería ser irreversible en ambos casos. ¿Qué es lo que me falta por entender?

Answer 1

Para hacerlo de forma reversible, se puede calentar el cuerpo de $T_1$ a $T_2$ (es decir, a lo largo de un cambio de temperatura finito) utilizando una secuencia infinita de depósitos de temperatura constante, en la que cada depósito, a su vez, sólo tiene una temperatura dT superior a la del cuerpo en cualquier momento (y también sólo una temperatura dT superior a la del depósito anterior en la secuencia). Cada incremento en la transferencia de calor tendría lugar con sólo una fuerza impulsora de temperatura diferencial entre el cuerpo y el depósito actual. Para invertir el proceso, y hacer que tanto el cuerpo como los depósitos vuelvan a sus estados originales, simplemente se pondría en contacto el cuerpo con los depósitos en la secuencia inversa, en cuyo caso los depósitos tendrían una temperatura dT inferior a la del cuerpo en cada paso del proceso). La única diferencia sería con respecto a los primeros y últimos depósitos (que no podrían volver a su estado original). Pero esto sería insignificante.

En el caso de que el cuerpo se caliente de $T_1$ a $T_2$ poniéndolo en contacto con un depósito de temperatura constante a $T_2$ durante todo el tiempo hasta que el cuerpo se equilibró en $T_2$ En este caso, toda la transferencia de calor tendría lugar con una fuerza motriz de temperatura finita, y no habría forma de devolver tanto el cuerpo como el depósito a sus estados originales sin provocar un cambio significativo en otra cosa (como utilizar otros depósitos).

Un proceso reversible es aquel en el que el sistema sólo se aleja un poco de estar en equilibrio termodinámico a lo largo del cambio. Por lo tanto, un proceso reversible puede considerarse como la imposición de una secuencia continua de estados de equilibrio termodinámico.

Answer 2

Es reversible en el primer caso porque satisface la definición de reversibilidad. Un proceso termodinámico se llama reversible si un cambio infinitesimal de la condición externa invierte el proceso. Consideremos un sistema a temperatura $T$ en contacto térmico con un depósito térmico a la misma temperatura. Por un aumento infinitesimal $dT$ de la temperatura del depósito se consigue que el calor fluya hacia el cuerpo. Con una disminución infinitesimal más, digamos $2dT$ inviertes el flujo. No ocurrirá lo mismo si hubiera una diferencia finita de temperatura.

Answer 3

Porque los efectos de la transferencia de calor.

Si la diferencia de temperatura es grande, el proceso no puede invertirse. El calor es una forma de energía que puede transformarse en un aumento del movimiento de las moléculas en un sistema y si el sistema es agua, y esta agua es hidrostática, la energía cinética se convertirá en presión. Así que para revertir esto, necesitas hacer un proceso de refrigeración que requiere trabajo y por lo tanto afecta a los alrededores, por lo que el proceso entonces no puede ser revertido.

Si la transferencia de calor se debe a una diferencia de temperatura infinitamente pequeña, el proceso puede invertirse sin necesidad de un proceso de refrigeración y manteniendo el entorno intacto.

Ahora bien, transferir una cantidad de calor a través de una diferencia de temperatura infinitesimal requeriría una cantidad de tiempo infinita, así que en otras palabras, la tasa de $Q$ transferido es infinitamente pequeño, lo que nos permite invertir el proceso porque la temperatura del cuerpo de menor temperatura y del cuerpo de mayor temperatura se mantendría constante. ¡¡Así que no hay energía cinética y el proceso aquí es isotérmico!!

Así que aquí tienes

Ahora sobre el ejemplo que has mostrado, un proceso es reversible y el otro no lo es aunque ambos pasan por el mismo proceso y pasan exactamente por el mismo estado. Pero uno es reversible interna y externamente, el otro afectaría al entorno.

Answer 4

La respuesta corta es que hay irreversibilidades asociadas a las dos transferencias de calor. Pero la irreversibilidad asociada a la transferencia de calor por una diferencia de temperatura finita $T$ es mucho mayor que la irreversibilidad asociada a la transferencia de calor por una diferencia de temperatura infinitesimal $dT$ que este último proceso puede ser aproximado como reversible.

Simplemente, el grado de irreversibilidad asociado a la $dT$ es tan pequeño que puede ser aproximado como reversible.

Answer 5

Porque nos gustaría tener un proceso cuasiestático, ya que es una condición para el proceso reversible. Así que si la diferencia de temperatura es más entonces el proceso no será cuasiestático, pero si la diferencia de temperatura es Infitesimali pequeña entonces la transferencia de calor se llevará a cabo en un tiempo muy grande haciendo nuestro proceso cuasiestático (casi estático) Cumpliendo la condición de Reversibiliyty..... Ahora bien, por qué el proceso cuasiestático es reversible es un tema diferente en sí mismo... Gracias