termodinamică
Un raport concis, puternic și general al asimetriei timpului a proceselor fizice obișnuite a fost împărțit treptat în cursul dezvoltării științei termodinamicii din secolul al XIX-lea.
Tipurile de sisteme fizice în care apar asimetrii evidente ale timpului sunt invariabil cele macroscopice; mai ales, sunt sisteme formate dintr-un număr enorm de particule. Deoarece aceste sisteme au aparent proprietăți distinctive, o serie de investigatori s-au angajat să dezvolte o știință autonomă a unor astfel de sisteme. Așa cum se întâmplă, acești anchetatori au fost preocupați în primul rând de îmbunătățirea proiectării motoarelor cu aburi, astfel că sistemul de interes paradigmatic pentru acestea, și la care se apelează în mod curent în discuțiile elementare de termodinamică, este o cutie de gaz.
Luați în considerare ce termeni sunt potriviți pentru descrierea a ceva precum o cutie de gaz. Cel mai complet posibil astfel de cont ar fi o specificare a pozițiilor și a vitezei și a proprietăților interne ale tuturor particulelor care formează gazul și cutia sa. Din aceste informații, împreună cu legea mișcării newtoniene, pozițiile și vitezele tuturor particulelor pot fi calculate în principiu și, prin aceste poziții și viteze, totul despre istoria gazului și a cutiei. ar putea fi reprezentat. Dar, calculele, desigur, ar fi imposibil de greoaie. O modalitate mai simplă, mai puternică și mai utilă de a vorbi despre astfel de sisteme ar folosi noțiuni macroscopice precum mărimea, forma, masa și mișcarea cutiei în ansamblu și temperatura, presiunea și volumul gazului. La urma urmei, este un fapt de drept faptul că, dacă temperatura unei cutii de gaz este ridicată suficient de ridicat, cutia va exploda, iar dacă o cutie de gaz este stoarsă continuu din toate părțile, va deveni mai greu de strâns pe măsură ce devine mai mica. Deși aceste fapte sunt deductibile din mecanica newtoniană, este posibil să le sistematizăm singure - pentru a produce un set de legi termodinamice autonome care raportează direct temperatura, presiunea și volumul unui gaz între ele fără nicio referire la poziții și viteza particulelor din care este format gazul. Principiile esențiale ale acestei științe sunt următoarele.
Există, în primul rând, un fenomen numit căldură. Lucrurile se încălzesc prin absorbția căldurii și a răcirii prin renunțarea la aceasta. Căldura este ceva ce poate fi transferat de la un corp la altul. Când un corp rece este așezat lângă unul cald, cel răcoros se încălzește și cel cald se răcește, iar acest lucru se datorează fluxului de căldură de la corpul mai cald la cel mai rece. Cercetătorii termodinamici originali au putut să stabilească, prin experimentare simplă și argumente teoretice strălucite, că căldura trebuie să fie o formă de energie.
Există două moduri în care gazele pot face schimb de energie cu mediul înconjurător: ca căldură (ca atunci când gazele la temperaturi diferite sunt puse în contact termic între ele) și în formă mecanică, ca funcționare (ca atunci când un gaz ridică o greutate apăsând pe un piston). Întrucât energia totală este conservată, trebuie să fie cazul în care, în cursul a orice s-ar putea întâmpla cu un gaz, DU = DQ + DW, unde DU este schimbarea energiei totale a gazului, DQ este energia gazului câștigă din împrejurimile sale sub formă de căldură, iar DW este energia pe care gazul o pierde în jurul său sub formă de muncă. Ecuația de mai sus, care exprimă legea conservării energiei totale, este denumită prima lege a termodinamicii.
Cercetătorii originali ai termodinamicii au identificat o variabilă, pe care au numit-o entropie, care crește, dar nu scade niciodată în toate procesele fizice obișnuite care nu apar niciodată în sens invers. Entropia crește, de exemplu, atunci când căldura trece spontan de la supa caldă la aerul rece, când fumul se răspândește spontan într-o cameră, când un scaun care alunecă de-a lungul unei podele încetinește din cauza frecării, când gălbenele de hârtie cu vârsta, când se sparge sticla și când o baterie se stinge. A doua lege a termodinamicii afirmă că entropia totală a unui sistem izolat (energia termică pe unitate de temperatură care nu este disponibilă pentru a face lucrări utile) nu poate scădea niciodată.
Pe baza acestor două legi, a fost derivată o teorie cuprinzătoare a proprietăților termodinamice ale sistemelor fizice macroscopice. Odată identificate legile, cu toate acestea, problema explicării sau înțelegerii lor în termeni de mecanică newtoniană a fost în mod firesc propusă. Pe parcursul încercărilor lui Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912), în special Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906), a imaginat o asemenea explicație încât problema direcției de timpul a fost întâi în atenția fizicienilor.
