תהליך בלתי הפיך

בפיזיקה, ובפרט בתרמודינמיקה, תהליך שלא ניתן להפוך את כיוון התרחשותו נקרא תהליך בלתי הפיך. בתרמודינמיקה, תהליך בלתי הפיך מוגדר כשינוי במצב תרמודינמי של מערכת וסביבתה אשר לא ניתן להופכו באופן שישחזר את מצבה הראשוני של המערכת באמצעות שינויים אינפיטיסמליים בתכונות המערכת וללא שחרור אנרגיה. החזרת מערכת למצבה המקורי לאחר שעברה תהליך בלתי-הפיך עודנה אפשרית, אבל רק בהינתן שינוי בסביבה שאותו לא ניתן להחזיר לאחור.

החוק השני של התרמודינמיקה מספק ניסוח קונקרטי יותר ומבחן מוגדר להפיכותו של תהליך - תהליך בלתי הפיך הוא תהליך בו האנטרופיה הכוללת של היקום גדלה, כלומר שינוי האנטרופיה הוא חיובי. בתהליך הפיך, לעומת זאת, שינוי האנטרופיה יהיה אפס.

הפיכות לעומת אי הפיכות

תהליך הפיך הוא תהליך המבוצע כך שבסוף התהליך ניתן להחזיר את המערכת והסביבה המקומית למצבם הראשוני ללא יצירת שינויים בסביבה. תהליך אשר לא מקיים את הדרישות הוא תהליך בלתי הפיך. ניתן לפרוט דרישה זו לפרוטות לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה - תהליך הפיך הוא כזה שניתן להשיבו למצבו ההתחלתי בלי השקעה של עבודה או מעבר חום אל המערך או ממנה. עבודה היא גודל מאקרוסקופי המכיל את כל האנרגיה המכנית שהושקעה במערכת. הפעלת עבודה והחלפת חום תתבצענה, על פי רוב, בסביבה המקומית של הגוף - המערכת שמכילה את הגוף, ובאופן כללי חלקי הסביבה שנמצאים במגע ישיר עם המערכת. כל מאגר או חלקי סביבה אחרים שעשויים ליצור מגע עם המערכת יוגדרו כסביבת עזר, או במילים אחרות "שאר היקום". כאשר משמעות המילה "יקום" אינה במונחים קוסמיים או שמימיים אלא חלק סופי מהעולם שעשוי ליצור אינטראקציה עם המערכת.

תהליך המכיל את התנאים הבאים:

1. המערכת מתקדמת ממצב התחלתי i למצב סופי f.
2. הגוף המצוי במערכת מבצע עבודה או מבוצעת עליו עבודה.
3. מתרחש מעבר חום מהמערכת אל סדרת המאגרים.

תהליך זה יוגדר כתהליך הפיך אם ניתן לשחזר את המצב ההתחלתי i או יוגדר כתהליך בלתי הפיך אם לא ניתן לשחזר את מצב i.

שאלה מרכזית שעולה מהגדרות תהליכים אלו היא האם תהליכים טבעיים הם הפיכים או לא. מכיוון שאנרגיה נאבדת בכל תהליך אמיתי, הדבר מוביל לכך שכל התהליכים הטבעיים אינם הפיכים. עם זאת, ניתן ליצור תהליך הפיך באופן מבוקר ותוך קיום תנאים מתאימים.

הפיכות מוחלטת לעומת הפיכות סטטיסטית

התורה המודרנית של תרמודינמיקה משמשת כדי לתאר מערכות גדולות, ובהתאמה היא משתלבת עם המכניקה הסטטיסטית. כללים רבים על מערכות גדולות, בהם החוק השני של התרמודינמיקה שמשחק תפקיד חשוב במונח ההפיכות, אינם חוקי פיזיקה מיקרוסקופיים שמתארים את המערכת אלא חוקים שנובעים מהאופי הסטטיסטי של המערכת רבת החלקיקים. תיאורים הסתברותיים וסטטיסטיים שהתרמודינמיקה מספקת הופכים למדויקים כשהמערכת גדולה מספיק.

כתוצאה מכך, על אף שהחוקים המיקרוסקופיים של הפיזיקה כולם הפיכים בזמן^[1][2], הם מרכיבים מערכת גדולה ומורכבת שהתנהגותה אינה הפיכה בזמן. תהליך בודד בין שני מצבים מיקרוסקופיים יהיה הפיך פעמים רבות, אבל על התהליך המאקרוסקופי יש לחשוב כעל תהליך בין שני צברים - והתהליך הזה יכול להיות לא הפיך משיקולים סטטיסטיים. (להרחבה, ראו החוק השני של התרמודינמיקה)

אי הפיכות מכנית חיצונית

במכניקה ובפיזיקה קלאסית בכלל ישנם מעברי אנרגיה רבים שאינם תרמודינמיים באופיים, ומכילים שינוי של עבודה ואנרגיה פוטנציאלית לחום שמגיע למאגר חום הסובב אותם (כמו האוויר), באופן שהתהליך המתקבל בין הגופים הוא איזותרמי. בין תהליכים אלו אפשר למנות:

1. חיכוך כתוצאה משפשוף שני מוצקים.
2. בחישה לא רגולרית של נוזל צמיג.
3. דפורמציה פלסטית של מוצק.
4. מעבר מטען דרך נגד.
5. זיכרון מגנטי של חומר.

כדי להפוך את התהליך במלואו, יש להפוך את כיוון מעבר האנרגיה כך שחום יצא מהמאגר ויהפוך כולו לעבודה. תהליך כזה אסור על פי החוק השני (באחד מניסוחיו המוקדמים, שמיוחס ללורד קלווין) ועל כן כל התהליכים לעיל הם בלתי הפיכים.

כאשר התהליכים הללו קורים במערכת מבודדת, את תפקיד מאגר החום ממלאים הגופים עצמם שמתחממים. התהליך לכן הוא אדיאבטי, ואינו מכיל זרימת חום פנימה או החוצה מהמערכת. במקום זאת, תהליכים אלו מלווים בעליה בטמפ' של המערכת. כתוצאה מכך, על מנת להחזיר את המערכת ואת סביבתה המקומית למצב הראשוני מבלי לעורר שינויים במקום אחר, יש צורך תהליך דומה בו האנרגיה הכוללת של המערכת נותרת זהה, אבל חום יומר במלואו לעבודה. גם תהליך כזה אינו אפשרי לפי החוק השני, ולכן גם התהליכים הללו בלתי הפיכים.

מנקודת המבט של המכניקה הקלאסית, תהליכים אלה קשורים בכוחות לא משמרים, דוגמת חיכוך וצמיגות. תהליכים כאלה, שמנקודת המבט הלא-תרמודינמית נראים כאילו אינם משמרים אנרגיה, נתפסים בתרמודינמיקה כתהליכים שמשמרים אנרגיה אבל הופכים עבודה לחום - ולכן אינן משמרים. תהליכים המכילים המרה של עבודה לאנרגיית חום פנימית מוגדרים כנובעים מאי הפיכות מכנית חיצונית.

אי הפיכות מכנית פנימית

באופן שדומה לתהליכים הקודמים, ניתן לדבר על אי-הפיכות מכנית פנימית, שעוסקת בתהליכים בהם ישנה המרה של אנרגיה פנימית של מערכת לאנרגיה מכנית ולאחר מכן בחזרה לאנרגיה פנימית, באופן שמייצר גם חום, אך ללא אינטראקציה חיצונית.

דוגמאות לתהליכים אלו:

1. התפשטות של גז אידיאלי בואקום (התפשטות חופשית, התפשטות ג'אול).
2. זרימת גז דרך נחיר או שסתום (תהליך עצור, התפשטות ג'אול-תומסון).
3. שבירה של כבל מתוח כתוצאה מחיתוכו.
4. קריסה של בועת סבון.

בתהליכים כאלה אנרגיה פוטנציאלית מאקרוסקופית הופכת לאנרגיה קינטית של תנועה לא רגולרית ותנודות אשר הופכת בתורה לאנרגיה פנימית ולחום (במקרה כמו של הכבל או הבועה), או לאנרגיה פנימים וחום בתוך הגז (בתהליכים שמערבים זרימת גז). בתהליכים כאלה נאמר שישנה אי הפיכות מכנית פנימית.

אי הפיכות תרמית חיצונית ופנימית

תהליכים המכילים מעבר חום בין המערכת לבין המאגר עקב הבדל טמפ', כדוגמת התהליכים הבאים:

1. הולכה או הקרנה של חום מהמערכת אל מאגר קר יותר.
2. הולכה או הקרנה של חום לאורך המערכת (שאינה משתנה) ממאגר חם למאגר קר יותר.

על מנת לשחזר את המערכת וסביבתה המקומית למצב הראשוני החום יצטרך לעבור מגוף קר לגוף חם יותר, מכיוון שדרישה זו מפרה את החוק השני (לפי ניסוח קלאוזיוס), על כן תהליכים אלו מוגדרים כבלתי הפיכים.

התהליכים לעיל יוגדרו כאי הפיכות תרמית חיצונית, כאשר המעבר חום יתבצע בין חלקים שונים של אותה המערכת התהליכים יוגדרו כאי הפיכות תרמית פנימית.

אי הפיכות כימית

חלק מהתהליכים המעניינים ביותר בטבע כרוכים בשינויים ספונטניים במבנה הפנימי, בהרכב הכימי, בצפיפות ועוד.

דוגמאות לתהליכים אלו:

1. יצירת תרכובות כימיות חדשות - כל הריאקציות הכימיות.
2. ערבוב שני חומרים שונים – פעפוע של שני גזים אידיאלים שונים וערבוב של אלכוהול עם מים.
3. שינוי פאזה פתאומי – הקפאת נוזל במצב קירור על ועיבוי של אדים במצב רוויית יתר.
4. מעבר חומר בין פאזות במגע – אוסמוזה והמסה של מוצק בתוך מים.

תהליכים אלו הם הקשים ביותר לשליטה במעבדה ויש לטפל בהם בשיטות מיוחדות.

תהליכים הכרוכים בשינויים ספונטניים במבנה הפנימי, בהרכב הכימי, בצפיפות ועוד, יוגדרו כאי הפיכות כימית.

תנאים להפיכות ולאי הפיכות

החוק השני של התרמודינמיקה אומר שכל התהליכים הטבעיים והספונטניים הם בלתי הפיכים, בדיקה מובחנת יותר מראה כי כל התהליכים הטבעיים מכילים אחד או שנים מתוך הבאים:

1. תנאים לשיווי משקל מכני, תרמי, כימי וכלל שיווי משקל תרמודינמי לא מוגדרים היטב.
2. נוכחות של אפקטים לא משמרים, לדוגמה: חיכוך, צמיגות, אנאלסטיות, התנגדות חשמלית או זיכרון מגנטי.

כלומר, על מנת שתהליך יהיה הפיך אסור שיקיים אחד משני התנאים לעיל.

תהליך הפיך יקיים את שני התנאים הבאים:

1. תהליך שמבוצע באופן קוואזי-סטטי.
2. חוסר נוכחות של אפקטים לא משמרים (חיכוך, צמיגות ועוד).

תנאים אלו קשים למימוש באופן מלא, על כן תהליך הפיך הוא בגדר אידיאל מופשט, שימושי לחישובים תאורטיים אך לא תואם למציאות.

דוגמאות לתהליכים בלתי הפיכים

דוגמאות לתהליכים ספונטאניים^[3] יומיומיים:

• לידה, הזדקנות ומוות.
• חלוקת תאים וגידול רקמות.
• מעבר חום כתוצאה מהבדל טמפרטורות.
• חיכוך.
• הזרמת זרם דרך נגד.
• מגנטיזציה ופוליריזאציה.
• התפשטות טבעית של נוזלים.
• תגובות כימיות ספונטאניות.

דוגמה לתהליך בלתי הפיך קלאסי בתרמודינמיקה הוא התפשטות ג'אול. זהו תהליך בו נפח של גז נשמר בצדו האחד של מיכל מבודד תרמית וזאת באמצעות מחיצה, בצדה השני של המיכל מצוי ריק. כאשר נפתחת המחיצה בין שני חלקי המיכל, הגז ממלאה באופן טבעי את המיכל כולו. כך שבמהלך התפשטות הגז האנטרופיה גדלה.

ביבליוגרפיה

• mark-waldo-zemanskyrichard-dittman, heat-and-themodynamics -seventh edition chapter 6.9,1997

https://www.academia.edu/35252332/Heat_and_Thermodynamics_by_Mark_W_Zemansky_and_Richard_H_Dittman_pdfboi_com_pdf

ראו גם

• תהליך הפיך (תרמודינמיקה)
• פיזיקה סטטיסטית
• תרמודינמיקה

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא תהליך בלתי הפיך בוויקישיתוף

הערות שוליים

1. David Albert on Time and Chance
2. בפועל בתחומים של פיזיקת חלקיקים מתברר שטענה זו אינה מדויקת, והיפוך חץ הזמן לבדו אינו סימטריה אמיתית של הטבע, אלא רק כחלק מסימטריית CPT. בכל מקרה, על פי רוב תהליכים מהסוג שהערך עוסק בו מתוארים היטב על ידי חוקי המכניקה הקלאסית, שאכן סימטריים להיפוך בזמן.
3. Moran, John (2008). "Fundamentals of Engineering Thermodynamics", p. 220. John Wiley & Sons, Inc., USA. ISBN 978-0-471-78735-8.