Изменения состояния термодинамической системы вследствие воздействия на неё внешней среды называется термодинамическим процессом. При этом происходит последовательное изменение параметров рабочего тела.
Процесс, состоящий из непрерывного ряда последовательных равновесных состояний, называется равновесным процессом. Каждое из таких состояний, будучи равновесным, может быть описано уравнением состояния.
Для того чтобы при переходе термодинамической системы из одного состояния в другое все промежуточные состояния могли рассматриваться как равновесные, такой процесс должен проходить очень медленно (то есть с интервалом времени в течение которого система самопроизвольно возвращается в состояние равновесия). Процесс, не удовлетворяющие этому требованию называется неравновесным.
Любой реальный процесс в той или иной степени неравновесный. Например, при движении поршня в цилиндре процесс протекает довольно быстро и поэтому не выполняется условие его равновесности.
Термодинамический процесс, который может протекать через одни и те же равновесные состояния как в прямом А-В, так и в обратном В-А направлениях, называется обратимым:
Таким образом, не происходит остаточных изменений ни в самой системе, не в окружающей среде. Равновесные процессы являются обратимыми процессами.
Необратимый термодинамическим процессом называется термодинамический процесс, не допускающих возможности возвращения системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения.
Все реальные процессы протекают с конечной скоростью. Они сопровождаются трением, диффузией и теплообменом при конечной разности между температурами системы и внешней среды. Следовательно, все они неравновесны и необратимы.
Несмотря на то что реально протекающие процессы необратимы, изучение обратимых процессов имеет немаловажное практическое значение. Они служат для оценки степени совершенства реальных (необратимых) процессов. Кроме того, сопоставление необратимых процессов с обратимыми позволяет выявить пути повышения эффективности первых (повышение КПД тепловых двигателей). Мера необратимости процесса в замкнутой системе, то есть изменение функции его состояния - энтропия (об этой функции я напишу позже).
Процесс, в результате которого рабочее тело возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом или циклом (рисунок 1б, см. выше). Обратимый цикл образуется только из обратимых процессов.
Вовремя теплообмена в термически обратимом процессе, протекающим в обратном В-А направлении, теплота отводится при той же температуре и никакие изменения не происходят как в самой системе (внутреннее равновесие), так и в окружающей среде (внешнее равновесие). Если теплообмен происходит за счёт разности температур, то имеет место необратимое обесценивание теплоты, так как теплота переходит на более низкий температурный уровень.
Процессы протекающие быстро по сравнению с процессом релаксации и идущие с нарушением равновесия из-за наличия разности температур или давлений, называются неравновесными.