可逆過程について

質問

氷が溶けて水になっても、その水を冷蔵庫に入れれば、再び氷になる。したがって氷の融解は可逆過程といっていいんでしょうか？

回答No.3

siegmund

水が凝固する，あるいは氷が融解する，
このことだけからは可逆不可逆の判定はできません．

簡単に大気圧下の現象とすることにして，
０℃の氷が水になるためには 6.01 kJ/mol の熱を周りから受け取る必要があります．
同じことですが，
０℃の水が氷になるためには 6.01 kJ/mol の熱を周りに排出する必要があります．
可逆か非可逆かは，熱を授受した相手の温度によります．
０℃の相手と熱を授受すれば可逆，
有限の温度差のある相手と熱を授受すれば不可逆です．

熱源と系との熱のやりとりが双方同じ温度でおこなわれれば，
この過程は可逆です．
例えば，カルノーサイクルで高温側の等温過程のときには，
高温熱源と熱機関の温度が等しいまま熱機関が熱を受け取っています．
よく知られているようにカルノーサイクルは可逆ですが，
それは同じ温度で熱をやりとりしているからです．

氷を室温(例えば２０℃)に放置して融けてしまえばもちろん不可逆です．
水を冷凍庫(例えば－２０℃)にに入れて氷らせればこれも不可逆です．
双方とも，熱をやりとりする相手と有限の温度差があるからです．

回答No.2

rei00

「可逆過程」や「不可逆過程」というのは，ある決まった条件の元で，「両方向への変化が起きる」か「一方向への変化しか起こらない」かを言っています。

条件を変えた場合に，逆方向の変化が起こるかどうかは「可逆過程」，「不可逆過程」を区別するのには関係ありません。

今の場合，普通に「氷が溶けて水になる」状態では水から氷は出来ません。逆に，「水を冷蔵庫に入れて再び氷になる」状態では氷が溶けて水にはなりません。

つまり，ある一つの条件下ではどちらか一方しか起こっていません。ですので，これらはいづれも「不可逆過程」です。

回答No.1

redbean

可逆過程であることを証明するには、
関わりあったすべてのものも元に戻さ
なければなりません。
水を凍らせるために、冷蔵庫が電力を
消費してしまいましたよね。凍らせ終
わった後に、冷蔵庫が自然に電気を
返してくれればいいのですが、そうは
ならないので可逆の証明にはなって
いません。

結論を言うと、これは非可逆過程です。

断熱壁でかこまれた部屋の中で勝手に
水が凍ることはありません。このような
経験的事実を以下のように表現したのが、
クラウジウスの原理といって、熱力学の
基礎原理です（これに対する証明は
ありません。経験則です）。
「低温の物体から高温の物体へ熱を
移すだけで、他に何の変化ものこさない
ようにすることはできない」

この原理から氷の融解が不可逆であること
がつぎのように証明されます。

もし氷の融解が可逆であるのならば、水
を氷にして、そのとき使った道具（電力
等も含む）もすべて元の状態に戻すことが
できる。水が冷えていく過程を考えると
低温の物体（水／氷）から高温の物体
（まわりの空気、床等）へ熱を移す過程
なので、これはクラウジウスの原理に反
している。
よって氷の融解を可逆とした前提が間違って
いる。

こんなところでしょうか。

お礼

とてもわかりやすかったです。ありがとうございました。