La complessità della reversibilità e irreversibilità nei processi fisici

Condizioni per la reversibilità

Una trasformazione reversibile deve soddisfare alle seguenti condizioni:

- deve potersi realizzare in entrambi i versi;

- deve avvenire in entrambi i versi passando attraverso gli stessi stati intermedi;

- dopo che la trasformazione sia avvenuta inentrambi i versi il sistema e l'ambiente circostante devono trovarsi nelle condizioni di partenza.

Qualunque trasformazione che non soddisfi anche ad una sola delle condizioni indicate è detta irreversibile.

Tutti i processi che avvengono in sistemi soggetti all'azione di forze conservative sono reversibili.

Esempi di processi reversibili

Supponiamo che una pallina perfettamente elastica cada nel vuoto e urti contro una piastra perfettamente elastica. Se applichiamo le leggi dell'urto perfettamente elastico potremo far vedere che la palla, dopo aver urtato la piastra, torna indietro al punto di partenza ripassando per gli stessi stati intermedi dell'andata. Al termine del processo la palla e tutti i corpi circostanti si trovano nelle condizioni iniziali e il processo può essere ripetuto a piacere. Analogamente, è possibile osservare che sono reversibili

anche processi quali le oscillazioni nel vuoto di un pendolo, oppure quelle di un corpo applicato ad una molla perfettamente elastica. È anche possibile far vedere senza grandi difficoltà che tutti i processi termici quasi statici sono reversibili.

Irreversibilità nella realtà

Per la presenza delle forze d’attrito tutte le trasformazioni reali sono irreversibili.

Gli esempi dati in precedenza di trasformazioni reversibili costituiscono solo una idealizzazione di ciò che avviene realmente in natura. Poiché le forze d'attrito sono ineliminabili, non esistono sistemi soggetti esclusivamente a forze conservative.

Inoltre non esistono trasformazioni reali che siano pienamente quasi statiche, perché qualsiasi trasformazione avviene a velocità finita e non infinitesima. È dunque chiaro che tutti i processi reali sono irreversibili.

Idealizzazioni nella fisica

Non dobbiamo però commettere l'errore di pensare che il concetto di processo quasi

statico sia vuoto di significato reale e dunque inutile. Così come accade per altre idealizzazioni della fisica quali punto materiale, carica puntiforme, sistema conservativo, etc., il concetto di processo reversibile può essere utilizzato come idealizzazione dei processi reali utile a semplificare la soluzione di problemi concreti; nell'applicarlo bisogna però ricordarsi di controllare accuratamente sino a che punto la applicazione di una tale idealizzazione sia lecita, e in quale misura i risultati ottenuti

dal modello ideale, rispecchino quelli osservabili sperimentalmente.

Esempi di irreversibilità termica

Consideriamo ora diversi esempi a sostegno della tesi della irreversibilità dei processi termici reali.
È ben noto che nei processi di diffusione, in assenza di influenze esterne, la

concentrazione tende spontaneamente a divenire uniforme e che un tale processo non

si inverte mai. Comunque si aspetti, una miscela di gas non si dividerà mai

spontaneamente nei suoi componenti, e nemmeno accadrà che un soluto (sale,

zucchero, vernice,...) si separi dal liquido in cui è stato sciolto.

Naturalmente, qualsiasi miscuglio può essere diviso nei suoi componenti. Ma in tale caso: in primo luogo il sistema non ripassa attraverso gli stessi stati intermedi; in secondo luogo il sistema non può ritornare alle condizioni iniziali senza cambiare le proprietà dei corpi che lo circondano. Così, se si separa una miscela di gas, ottenuta per diffusione, nei suoi componenti iniziali, bisogna spendere energia per far funzionare delle pompe. Allo stesso modo, per separare il sale da una soluzione acquosa per distillazione, si spende l'energia necessaria alla evaporazione dell'acqua. Tutto ciò è poi accompagnato da un mutamento nello stato dell'ambiente circostante.

La diffusione è un processo unidirezionale e, dunque, un processo irreversibile.

Scambi di calore e irreversibilità

Come la diffusione, anche gli scambi di calore sono processi irreversibili: negli

scambi di calore l'energia passa sempre spontaneamente dai corpi più caldi ai corpi più freddi. Di conseguenza gli scambi di calore sono sempre accompagnati da un livellamento termico. Il processo inverso, cioè il passaggio spontaneo di calore da un corpo freddo a uno caldo, non avviene mai.
Un altro processo monodirezionale è la trasformazione di energia meccanica in

energia interna negli urti anelastici o in presenza di attrito. L'energia meccanica dei corpi che si urtano, o che strisciano, si converte in energia interna e, per effetto di ciò, la loro temperatura aumenta. Invece,per quanto si attenda, non si osserva mai il processo inverso: la conversione spontanea di energia interna in energia meccanica.