Irreversibilität beschreibt in der Physik, insbesondere in der Thermodynamik, die Eigenschaft eines Prozesses, nicht spontan in seinen Ausgangszustand zurückkehren zu können, ohne dass von außen Arbeit zugeführt wird oder eine andere Veränderung im System oder seiner Umgebung stattfindet. Im Gegensatz dazu wäre ein reversibler Prozess ein idealisierter Vorgang, der umgekehrt werden könnte, wobei das System und seine Umgebung am Ende wieder genau in ihrem ursprünglichen Zustand wären. In der Realität sind jedoch alle natürlichen Prozesse in gewissem Maße irreversibel, was eine fundamentale Konsequenz des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist.

Ein klassisches Beispiel für Irreversibilität ist die Übertragung von Wärme von einem wärmeren zu einem kälteren Körper. Wärme fließt immer von selbst in diese Richtung; sie wird niemals spontan vom kälteren zum wärmeren Körper fließen. Ein weiteres Beispiel ist Reibung: Wenn ein Gegenstand über eine Oberfläche gleitet, wird kinetische Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt. Diese Wärme kann nicht spontan wieder in die ursprüngliche kinetische Energie umgewandelt werden, um den Gegenstand in Bewegung zu setzen. Auch die Vermischung zweier Gase oder die Auflösung von Zucker in Wasser sind irreversible Prozesse, da die ursprüngliche, getrennte oder geordnete Anordnung der Moleküle nicht ohne äußeren Energieaufwand wiederhergestellt werden kann.

Auf mikroskopischer Ebene lässt sich Irreversibilität oft durch die Wahrscheinlichkeit und die statistische Mechanik erklären. Systeme neigen dazu, sich von unwahrscheinlichen, geordneten Zuständen zu wahrscheinlicheren, ungeordneten Zuständen zu entwickeln. Ein Gasteilchen in einer Ecke eines Raumes ist ein sehr unwahrscheinlicher Zustand im Vergleich zur gleichmäßigen Verteilung des Teilchens im gesamten Raum. Wenn das Teilchen freigesetzt wird, wird es sich im Raum verteilen und dort verbleiben, weil die Wahrscheinlichkeit, dass alle Teilchen spontan wieder in die Ecke zurückkehren, astronomisch klein ist. Die Makrozustände, die wir als "irreversibel" wahrnehmen, sind jene, die einer enormen Anzahl von Mikrozuständen entsprechen, während der ursprüngliche, geordnete Zustand nur sehr wenigen Mikrozuständen entspricht.

Die zentrale Rolle bei der Erklärung der Irreversibilität spielt die Entropie. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtentropie eines isolierten Systems bei irreversiblen Prozessen stets zunimmt und im Gleichgewicht ein Maximum erreicht. Entropie ist ein Maß für die Unordnung oder die Anzahl der möglichen Mikrozustände eines Systems. Da sich Systeme spontan zu Zuständen mit höherer Wahrscheinlichkeit entwickeln, nimmt ihre Entropie zu. Diese Zunahme der Entropie ist der Grund für die „Pfeilrichtung der Zeit“: Wir erleben die Zeit nur in eine Richtung, weil Prozesse in dieser Richtung ablaufen, die die Gesamtentropie des Universums erhöhen.

Die Konzept der Irreversibilität hat weitreichende Implikationen in verschiedenen Wissenschafts- und Ingenieurdisziplinen. In der Ingenieurwissenschaft setzt die Irreversibilität fundamentale Grenzen für die Effizienz von Wärmekraftmaschinen und Kühlsystemen, wie durch den Carnot-Wirkungsgrad beschrieben. Ein Motor kann niemals 100 % der zugeführten Wärme in Arbeit umwandeln, da ein Teil der Energie immer als ungenutzte Wärme an die Umgebung abgegeben wird, was einen irreversiblen Prozess darstellt. In der Kosmologie führt die kontinuierliche Zunahme der Entropie zur Vorstellung vom "Wärmetod" des Universums, einem hypothetischen Endzustand, in dem alle Energie gleichmäßig verteilt ist und keine weiteren thermodynamischen Prozesse mehr stattfinden können.

Obwohl reversible Prozesse in der Natur nicht existieren, sind sie ein wichtiges theoretisches Konzept. Sie dienen als idealisierte Referenzpunkte, um die maximale Effizienz von Prozessen zu bestimmen und die Ursachen und Auswirkungen von Irreversibilitäten zu analysieren. Die Untersuchung der Irreversibilität hilft uns nicht nur, die fundamentalen Gesetze der Natur zu verstehen, sondern auch, Technologien zu entwickeln, die möglichst effizient arbeiten, indem sie die unvermeidliche Entropieproduktion minimieren.