不可逆過程とは？元へ戻せないのは、物だけでなく周囲も含めた変化

不可逆過程は、系と周囲の両方を、何の変化も残さず元へ戻すことができない過程です。冷めた飲み物を再び温められても、そのために周囲へ別の変化を残すなら、元の冷却が可逆だったことにはなりません。

読み：ふかぎゃくかてい ／ 英語・別名：irreversible process 可逆過程 reversible process

元の温度へ戻すだけでは足りない

熱い飲み物を部屋に置くと、熱が移って温度差が小さくなります。ヒーターで飲み物の温度を戻せても、電源のエネルギーを使い、周囲も変えています。物の見かけの状態だけでなく、関わったもの全体を元へ戻せるかが基準です。

摩擦・混合・有限の温度差

滑る物体が摩擦で止まる、異なる気体が混ざる、温度差のある二物体の間で熱が流れる。こうした典型例では、全体としてエントロピーが生成されます。エネルギーは消滅せず、仕事へ戻しにくい形へ分配されるという見方が役立ちます。

系のエントロピーだけなら、熱を外へ渡すことで減る場合があります。したがって「すべての物のエントロピーが必ず増える」とは言いません。熱の出入りによる移動と、不可逆性による生成を分け、周囲まで含めた収支を取ります。

ゆっくりなら、必ず可逆なのか

可逆過程は、状態の差を限りなく小さくして、逆向きにも進められる理想です。しかし摩擦があれば、ゆっくり動かしても散逸は残り得ます。平衡に近い状態をたどる準静的な過程であることは、可逆であることと同じではありません。

例としてピストンを少しずつ動かしても、接触面に摩擦があれば、往復で仕事の差が出ます。速度を小さくしたという情報だけで、熱力学的な可逆性を判定できないわけです。

時間を逆向きにした映像との違い

割れたコップが集まる逆再生を想像すると方向性はつかめますが、不可逆性の定義は映像の奇妙さではありません。どの状態を制御でき、周囲へ何を残すかを指定して考えます。微視的な法則の時間反転と、巨視的なエントロピー生成を区別すると、時間の矢への入口にもなります。

参考資料

• OpenStax：可逆過程と不可逆過程
• OpenStax：エントロピー