¿Existe un proceso cuasistático que no sea reversible?

Question

He visto varias preguntas y buenas respuestas sobre la relación entre procesos reversibles y cuasiestáticos, como aquí o aquí. Sin embargo, estas preguntas solo abordan un lado del problema: un proceso reversible es necesariamente cuasiestático.

Estoy interesado en el otro lado de la equivalencia: ¿existe un proceso que sea cuasiestático y no reversible? Me parece que un proceso irreversible no puede ser perfectamente cuasiestático.

El artículo de Wikipedia sobre procesos cuasiestáticos toma como ejemplo la compresión muy lenta de un gas con fricción. Como la compresión ocurre muy lentamente, la transformación es cuasiestática, y la fricción la hace irreversible. No estoy convencido por este ejemplo: si presionas el pistón con una fuerza infinitesimal, tendrás que alcanzar el umbral de la ley de Coulomb para la fricción sólida antes de mover el pistón de todos modos. Esto hace que el proceso no sea cuasiestático, sin importar cuán pequeño sea el umbral de Coulomb.

Otro ejemplo del que he oído hablar es la reacción entre un ácido fuerte y una base fuerte. Siempre es un proceso irreversible, y podrías hacerlo cuasistático agregando pequeñas gotas de base al ácido a medida. Pero al intentar hacer eso, inevitablemente llegarías a un límite en el tamaño de la gota impuesto por la tensión superficial.

Incluso si "reversible" y "cuasiestático" significan cosas muy diferentes, ¿es cierto considerar que en la práctica, un proceso reversible y un proceso cuasiestático son esencialmente lo mismo?

Answer 1

La mayoría de los procesos cuasiestáticos son irreversibles. El problema radica en lo siguiente: el término cuasiestático se aplica a la descripción de un solo sistema que experimenta un proceso, mientras que el término irreversible se aplica a la descripción del proceso en su totalidad, que a menudo implica múltiples sistemas interactuantes.

• Para utilizar el término cuasiestático, se debe tener en mente un cierto sistema. Un sistema experimenta un proceso cuasiestático cuando se lo hace pasar por una secuencia de estados de equilibrio.

• Un proceso es irreversible si (a) el sistema experimenta un proceso no cuasiestático, (b) el sistema experimenta un proceso cuasiestático pero está intercambiando energía con otro sistema que está experimentando un proceso no cuasiestático, o (c) dos sistemas están intercambiando energía de forma irreversible, generalmente a través de flujo de calor a través de una diferencia finita de temperatura.

Se puede imaginar un proceso (admitidamente idealizado, como la mayoría de la termodinámica básica en la física) en el cual dos sistemas experimentan procesos cuasiestáticos mientras intercambian energía a través de calor debido a una diferencia de temperatura finita entre ellos. La irreversibilidad surge debido al calentamiento debido a la diferencia de temperatura entre ellos en lugar de debido a irreversibilidades dentro de cada sistema.

Answer 2

En tu pregunta mencionaste dos ejemplos -- (1) mover algo lentamente que tiene fricción, y (2) mezclar gradualmente dos químicos que reaccionan espontáneamente ($\Delta G\gg0$).

Luego dijiste que ninguno de estos cuenta como cuasi-estáticos debido a (1) estática, y (2) tamaño mínimo de gota debido a la tensión superficial.

Veo tus objeciones como críticas sin sentido. Primero, con un poco de creatividad, podemos superar estas objeciones. (1) En lugar de fricción entre dos sólidos, llámalo arrastre viscoso de un sólido en un líquido. (2) Pon el ácido y la base en dos lados de una barrera con poros extraordinariamente pequeños en ella, de manera que una molécula pase a través cada minuto. Está bien, dirás, pero aún así es una molécula a la vez, no verdaderamente infinitesimal. Eso nos lleva al segundo punto, que es que puedes hacer este tipo de críticas con cualquier proceso cuasi-estático. Toma un motor Carnot ideal. ¡Es ideal! Tiene paredes perfectamente aislantes y pistones perfectamente sin fricción y reservorios infinitos con transferencia de calor infinitesimalmente lenta. ¡Ninguna de estas cosas es físicamente posible!

Toda la noción de "cuasi-estático" es un ideal que es conceptualmente útil aunque sea un poco inconsistente con las realidades prácticas en muchos (quizás todos) los casos.

Lo que realmente queremos decir con "cuasi-estático" es: Comienza con un cambio rápido, y hazlo cada vez más lento, y ve cuál es el límite a medida que la velocidad tiende a cero. Si un motor Carnot tiene la misma eficiencia en un ciclo por minuto, por semana y por siglo, podemos extrapolar con seguridad que un motor Carnot idealmente cuasi-estático, con un ciclo por eternidad, tendría la misma eficiencia. Lo último puede no ser físicamente posible por varias razones, pero está bien, no necesitamos realmente imaginar construirlo.

De la misma manera, si mezclar químicos juntos durante una hora libera la misma cantidad de calor (dentro del 0.0001%) que durante un mes, podemos decir que ambos procesos de mezcla son esencialmente cuasi-estáticos, y a nadie realmente le importa si es físicamente posible mezclarlos suavemente durante 500 milenios.

Answer 3

Exprimir pasta de dientes de un tubo.

Answer 4

Reversible: El cambio es lo suficientemente lento como para que el sistema esté en una secuencia de estados de equilibrio, en un sentido lo suficientemente fuerte como para garantizar que la entropía nunca aumente en ningún momento porque no se necesita recuperar el equilibrio. (Recomiendo leer un buen libro de física estadística para entender por qué)

Quasistático: El cambio es lo suficientemente lento como para que el sistema esté en una secuencia de estados de equilibrio, en el sentido débil de que las macrovariables están mayormente definidas (temperatura, presión... son uniformes casi en todas partes en el sistema) y que se pueden utilizar fórmulas sobre estados de equilibrio a lo largo del camino (como $dU=TdS-PdV$, $PV=Nk_B T$... ). En este caso, el equilibrio "alcanza" los cambios macroscópicos pero aún existe una creación de entropía subyacente debido a la recuperación del equilibrio.

En algunos casos, es posible describir un proceso progresivo como un camino continuo en el espacio de estados de equilibrio, pero no necesariamente es una verdadera sucesión de estados de equilibrio. Es lo suficientemente lento como para trazar un camino continuo, pero oculta un desequilibrio fino. Un ejemplo es vibrar un pistón a velocidad supersónica para aumentar progresivamente la temperatura de un gas. Esto parecerá un camino continuo de estados de equilibrio $(V,T)$ pero oculta un desequilibrio fino. Otro buen ejemplo es una sucesión de pequeñas expansiones libres. Estas transformaciones son quasistáticas pero no son reversibles.

La termodinámica elemental utiliza un gas ideal con un pistón como ejemplo la mayoría del tiempo, los ejemplos son un poco "extremos" o "artificiales" porque el equilibrio ocurre muy rápido y usar un pistón es una acción bastante suave. Se necesitan acciones violentas para sacar al sistema del equilibrio. Cuando hay fricción o viscosidad involucrada, incluso una acción (aparentemente) muy lenta es irreversible. El intercambio de calor a una diferencia de temperatura finita es otro buen ejemplo de proceso quasistático irreversible pero posiblemente confuso porque el requisito de ser quasistático "el sistema está en equilibrio en todas las etapas" posiblemente no se cumpla.

Ambas definiciones comienzan con "el cambio es lo suficientemente lento como para que el sistema esté en una secuencia de estados de equilibrio" y esto es muy confuso. En la literatura (más frecuentemente), "quasistático" significa lo que acabo de definir excepto (a veces) cuando el texto se centra en explicar qué es la reversibilidad/irreversibilidad y aquí, los escritores pueden usar la palabra quasistático para significar lento, lo que en este contexto significa reversible.

Answer 5

Cuasiestático: proceso lo suficientemente lento como para que el sistema esté prácticamente en equilibrio en cada instante. Reversible: cuando el proceso inverso temporal es realizable en la práctica, etc.

Ver Kerson Huang, Física Estadística, pg 4, Reversible implica cuasiestático Cuasiestático no implica reversibilidad.

Y más... Cuasiestático y sin fricción NO implica reversibilidad.

Un ejemplo de proceso cuasiestático y sin disipación pero NO REVERSIBLE: Una secuencia de expansiones libres sucesivas infinitesimales con largos intervalos de tiempo entre pasos.