Proces ustalania równowagi termicznej jest jednokierunkowy i nieodwracalny, a układ będący w równowadze termicznej sam w sobie nie wiąże się z kierunkowością. Proces ten jest nieodwracalny, ale stan równowagi można przerwać i-przywrócić.
Z termodynamicznego punktu widzenia, gdy stykają się dwa obiekty o różnych temperaturach, ciepło będzie spontanicznie i jednokierunkowo przepływać od obiektu o wyższej-temperaturze do obiektu o niższej-temperaturze, aż temperatury się wyrównają, osiągając równowagę termiczną. Proces ten ma wyraźną kierunkowość, jest zgodny z drugą zasadą termodynamiki i dlatego jest nieodwracalny.
Na przykład filiżanka gorącej kawy pozostawiona w temperaturze pokojowej w naturalny sposób ostygnie, ostatecznie osiągając tę samą temperaturę co otoczenie. Jednak proces ten nie ulegnie samoistnemu odwróceniu.-Nigdy nie widzieliśmy filiżanki zimnej kawy automatycznie podgrzewającej się i powracającej do pierwotnej wysokiej temperatury. Ta „strzałka czasu” jest przejawem nieodwracalności.
Ważne jest, aby rozróżnić:
Proces a stan: „Proces” osiągania równowagi termicznej jest nieodwracalny, ale gdy system znajdzie się w „stanie równowagi termicznej”, jego właściwości makroskopowe są stabilne i nie mają kierunkowości.
Idealizacja procesów odwracalnych: teoretycznie istnieje nieskończenie powolny,-swobodny, rozpraszający, quasi-proces wymiany ciepła (taki jak proces izotermiczny w cyklu Carnota), który można uznać za proces odwracalny. Jednak w rzeczywistości nie da się tego osiągnąć. W praktyce wszystkie procesy makroskopowe polegające na przenoszeniu ciepła są nieodwracalne.
Dlaczego procesy równowagi termicznej są nieodwracalne?
Kierując się zasadą wzrostu entropii: Podczas wymiany ciepła całkowita entropia (nieporządek) systemu wzrasta. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki entropia izolowanego układu nigdy nie maleje; dlatego procesu nie można samoistnie odwrócić.
Istnienie gradientu temperatury wskazuje na brak-równowagi: dopóki między dwoma obiektami istnieje różnica temperatur, system znajduje się w stanie braku-równowagi, a przepływ ciepła jest kierunkowy. Dopiero gdy różnica temperatur zaniknie, układ wchodzi w stan równowagi.
Rzeczywistym procesom towarzyszy rozpraszanie energii: Prawdziwemu przenoszeniu ciepła często towarzyszą nieodwracalne czynniki, takie jak straty konwekcji i promieniowania, co prowadzi do pogorszenia jakości energii, której nie można w pełni odzyskać.
Przypadek specjalny: nie-spontaniczny „odwrotny transfer ciepła”
Chociaż ciepło nie może samorzutnie przenieść się z niskiej temperatury do wysokiej, efekt ten można osiągnąć poprzez pracę zewnętrzną (np. w lodówce lub klimatyzatorze). W tym przypadku, choć system powraca do pierwotnego stanu, środowisko zapłaciło cenę za energię, a cały proces pozostaje nieodwracalny. Potwierdza to stwierdzenie Clausiusa: „Niemożliwe jest przeniesienie ciepła z obiektu o niskiej-temperaturze do obiektu o wysokiej-temperaturze bez wywołania innych efektów”.
