熱力学における可逆過程

熱力学における可逆過程（かぎゃくかてい、英: reversible process）とは、系が変化した後に、系と外界の双方に何ら痕跡を残すことなく、元の状態へ完全に戻すことができる理想的な過程を指します。現実の物理現象は常に摩擦や散逸を伴うため、厳密な意味での可逆過程は存在しませんが、熱力学の理論構築において極めて重要な概念です。

定義と条件

ある過程が可逆であるためには、その過程が準静的過程（じゅんせいてきかてい）であり、かつ散逸的な要因が一切存在しない必要があります。準静的過程とは、系が常に平衡状態に近い状態を保ちながら、無限にゆっくりと変化する過程のことです。系が変化する間、系内部および系と外界との間で圧力や温度の差が無視できるほど小さく保たれることで、系はいつでも逆向きの変化をたどることが可能となります。

不可逆過程との違い

現実世界のほとんどの現象は不可逆過程です。これには摩擦、粘性、熱伝導、自由膨張、化学反応などが含まれます。これらの過程では、系が元の状態に戻る際に、必ず外界にエネルギーの散逸やエントロピーの増大といった変化を残します。熱力学第二法則によれば、孤立系におけるエントロピーは不可逆過程を通じて常に増大するため、系を元の状態に戻すには外界から仕事を加えるなどの外部操作が必要となります。

熱力学における役割

可逆過程は、熱機関の効率を議論する際の基準として用いられます。例えば、カルノーサイクルはすべて可逆過程から構成される理想的な熱機関のモデルであり、与えられた温度差の間で動作する熱機関が達成しうる最大の熱効率を示します。実際の熱機関の効率は、常にこの可逆サイクルによる理論上の上限値よりも低くなります。