Irreversible change

It is a change that cannot be reversed, and is also called an irreversible process. To be precise, when the state of a system (physical system) changes, and there is no way for not only that system, but also the outside of that system, to return to its original state, the change in the state of this system is an irreversible change. If a reversible change is precisely defined, then any change that is not a reversible change is an irreversible change.

Suppose the state of another system changes irreversibly. In this case, if the system absorbs an infinitesimal amount of heat d'Q from a heat source with temperature T, and the entropy S of the system changes by dS, the second law of thermodynamics gives the inequality d'Q/T<dS. If this system is thermally insulated from the outside world, then d'Q=0, so dS>0, and S always increases. Strictly speaking, all changes that occur in nature are irreversible. Therefore, in a system that is thermally isolated from the outside world, the entropy of the system continues to increase every time any change occurs. This is called the law of increasing entropy. From this, it can be easily said that when a system that is thermally insulated from the outside world reaches thermal equilibrium and no further changes occur, the entropy of this system will reach its maximum value.

Ordinary thermodynamics deals almost exclusively with reversible changes, but thermodynamics that deals with irreversible changes is called thermodynamics of irreversible change. This can be called thermodynamics of a non-equilibrium state. In a non-equilibrium state, the state of a system changes from moment to moment with time, but at a given time, it is generally not uniform spatially. However, in sufficiently small areas, it can be considered to be approximately in equilibrium. This is called local equilibrium. For a small part in local equilibrium, the above inequality is replaced by dS = d'Q/T + (dS) _irr . (dS) _irr is the entropy generated in this part by the irreversible change. Assuming that this change occurred during a small time interval dt, divide both sides of this equation by dt to obtain dS/dt = (d'Q/T)/dt + (dS/dt) _irr . This is called the entropy balance equation, and (dS/dt) _irr is called the entropy generation rate. Thermal conduction, electrical conduction, etc. are typical examples of irreversible changes, and the entropy generation rate for these changes has been specifically discussed.

[Shozo Sawada]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

もとへ帰ることができない変化のことであって、不可逆過程ともいう。正確には、一つの体系（物体系）の状態が変化するとき、その体系だけでなく、その体系の外部もまったく始めの状態に帰る方法が一つもないとき、この体系の状態の変化は不可逆変化である。可逆変化が正確に定義されておれば、そうでない変化が不可逆変化である。

　いま一つの体系の状態が不可逆的に変化するとする。このとき体系が、温度がTである熱源から微小な熱量d′Qを吸収し、体系のエントロピーSがdSだけ変化するとすると、熱力学第二法則により、d′Q／T＜dSという不等式が成立する。この体系が外界と熱的に絶縁されていると、d′Q=0であるから、dS＞0であり、Sはかならず増大する。自然界におこる変化は厳密にはすべて不可逆である。したがって、外界から熱的に遮断された体系では、なんらかの変化がおこるたびに、この体系のエントロピーは増大を続ける。これをエントロピー増大の法則という。このことから、外界から熱的に絶縁された体系が熱平衡状態に達して、もはやどのような変化もおこらなくなると、この体系のエントロピーは最大値をとるということもすぐいえる。

　普通の熱力学はほとんど可逆変化だけを取り扱うが、不可逆変化を取り扱う熱力学は不可逆変化の熱力学とよばれる。これは非平衡状態の熱力学といってもよい。非平衡状態では、体系の状態は時間とともに刻々変化してゆくのであるが、ある時刻においては、空間的にみて一般には一様でない。しかし、十分小さい部分では近似的に平衡状態にあると考えることができる。これを局所平衡という。局所平衡にある微小部分については、先の不等式のかわりにdS=d′Q/T+(dS)_irrが成立すると考える。(dS)_irrは不可逆変化によってこの部分に生じたエントロピーである。この変化が微小な時間間隔dtの間におこったとして、この式の両辺をdtで割り、dS/dt=(d′Q/T)/dt+(dS/dt)_irrとする。これはエントロピーバランスの式といわれ、(dS/dt)_irrはエントロピー生成速度といわれる。熱伝導、電気伝導などは典型的な不可逆変化であるが、これらに対してエントロピー生成速度が具体的に議論されている。

［沢田正三］

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