Reversibler Prozess (Thermodynamik)

Thermodynamische Prozesse können auf zwei Arten durchgeführt werden: reversibel oder irreversibel. Reversibilität bedeutet, dass die Reaktion kontinuierlich bei Quasiequilibrium arbeitet. In einem idealen thermodynamisch reversiblen Prozess würde die Energie aus der Arbeit, die von oder an dem System ausgeführt wird, maximiert, und die aus der Wärme wäre Null. Wärme kann jedoch nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden und geht immer bis zu einem gewissen Grad (an die Umgebung) verloren. (Dies gilt nur im Falle eines Zyklus. Im Falle eines idealen Prozesses kann Wärme vollständig in Arbeit umgewandelt werden, z.B. isotherme Expansion eines idealen Gases in einer Kolben–Zylinder-Anordnung.) Das Phänomen maximierter Arbeit und minimierter Wärme kann in einem Druck–Volumen-Diagramm als Fläche unterhalb der Gleichgewichtskurve dargestellt werden, die die geleistete Arbeit darstellt. Um die Arbeit zu maximieren, muss man der Gleichgewichtskurve genau folgen.

Irreversible Prozesse hingegen sind das Ergebnis einer Abweichung von der Kurve, wodurch die Gesamtarbeit verringert wird; ein irreversibler Prozess kann als thermodynamischer Prozess beschrieben werden, der vom Gleichgewicht abweicht. Irreversibilität ist definiert als die Differenz zwischen der reversiblen Arbeit und der tatsächlichen Arbeit für einen Prozess. Wenn es in Bezug auf Druck und Volumen beschrieben wird, tritt es auf, wenn sich der Druck (oder das Volumen) eines Systems so dramatisch und augenblicklich ändert, dass das Volumen (oder der Druck) keine Zeit hat, das Gleichgewicht zu erreichen. Ein klassisches Beispiel für Irreversibilität ist die Freisetzung eines bestimmten Gasvolumens in ein Vakuum. Indem man Druck auf eine Probe freigibt und sie so einen großen Raum einnehmen lässt, sind das System und die Umgebung während des Expansionsprozesses nicht im Gleichgewicht und es wird wenig Arbeit geleistet. Um den Prozess umzukehren (Komprimieren des Gases auf sein ursprüngliches Volumen und seine ursprüngliche Temperatur), sind jedoch erhebliche Arbeiten erforderlich, bei denen eine entsprechende Energiemenge als Wärmestrom an die Umgebung abgegeben wird.

Eine alternative Definition eines reversiblen Prozesses ist ein Prozess, der, nachdem er stattgefunden hat, rückgängig gemacht werden kann und, wenn er rückgängig gemacht wird, das System und seine Umgebung in ihre Ausgangszustände zurückversetzt. In thermodynamischer Hinsicht würde sich ein Prozess, der „stattfindet“, auf seinen Übergang von einem Zustand in einen anderen beziehen.