Termodinamika
Īss, spēcīgs un vispārīgs pārskats par parasto fizisko procesu laika asimetriju tika pakāpeniski apvienots kopā, attīstoties termodinamikas zinātnei 19. gadsimtā.
Fizisko sistēmu veidi, kuros rodas acīmredzama laika asimetrija, vienmēr ir makroskopiski; jo īpaši tās ir sistēmas, kas sastāv no milzīga skaita daļiņu. Tā kā šādām sistēmām acīmredzot ir atšķirīgas īpašības, vairāki izmeklētāji apņēmās izstrādāt autonomu zinātni par šādām sistēmām. Kā tas notiek, šie izmeklētāji galvenokārt nodarbojās ar uzlabojumu veikšanu tvaika dzinēju konstrukcijā, un tāpēc viņu paradigmātiskā interešu sistēma, un tā, uz kuru joprojām regulāri pievēršas termodinamikas elementārajās diskusijās, ir gāzes kaste.
Apsveriet, kādi termini ir piemēroti, lai aprakstītu kaut ko līdzīgu gāzes kārbai. Pilnīgāks šāds pārskats būtu visu to gāzi un tās kārbu veidojošo daļiņu stāvokļa, ātruma un iekšējo īpašību specifikācija. No šīs informācijas kopā ar Ņūtona kustības likumu principā varēja aprēķināt visu daļiņu pozīcijas un ātrumu visos citos laikos, un, izmantojot šīs pozīcijas un ātrumu, visu, kas attiecas uz gāzes un kastes vēsturi varētu tikt pārstāvēti. Bet aprēķini, protams, būtu neiespējami apgrūtinoši. Vienkāršāks, jaudīgāks un noderīgāks veids, kā runāt par šādām sistēmām, būtu jāizmanto makroskopiski jēdzieni, piemēram, kastes lielums, forma, masa un kustība kopumā, kā arī gāzes temperatūra, spiediens un tilpums. Galu galā tas ir likumam līdzīgs fakts, ka, ja gāzes kastes temperatūra tiek paaugstināta pietiekami augsta, kaste eksplodēs, un, ja gāzes kaste tiks nepārtraukti izspiesta no visām pusēm, to kļūst grūtāk izspiest, tiklīdz tā nokļūs mazāks. Kaut arī šie fakti ir secināmi no Ņūtona mehānikas, tos ir iespējams sistematizēt patstāvīgi - izveidot autonomu termodinamisko likumu kopumu, kas tieši savstarpēji saista gāzes temperatūru, spiedienu un tilpumu, nenorādot uz pozīcijām un to daļiņu ātrumi, no kurām gāze sastāv. Šīs zinātnes pamatprincipi ir šādi.
Pirmkārt, pastāv parādība, ko sauc par karstumu. Lietas kļūst siltākas, absorbējot siltumu, un vēsākas, atsakoties no tās. Karstums ir kaut kas tāds, ko var pārnest no viena ķermeņa uz otru. Kad blakus siltam ir novietots vēss korpuss, tas sasilda un siltais atdziest, un tas notiek pateicoties siltuma plūsmai no siltāka ķermeņa uz vēsāku. Sākotnējie termodinamisko izmeklētāji, izmantojot tiešus eksperimentus un izcilus teorētiskus argumentus, varēja noteikt, ka siltumam jābūt enerģijas veidam.
Ir divi veidi, kā gāzes var apmainīties ar enerģiju ar apkārtni: kā siltums (it kā gāzes, kas dažādās temperatūrās nonāk savstarpēji termiskā saskarē) un mehāniskā formā, kā darbs (kā tad, kad gāze paceļ svaru, iespiežot virzulis). Tā kā kopējā enerģija tiek saglabāta, ir jābūt tādam, ka, kaut kas var notikt ar gāzi, DU = DQ + DW, kur DU ir gāzes kopējās enerģijas izmaiņas, DQ ir gāzes enerģija no apkārtnes iegūst siltumu, un DW ir enerģija, ko gāze darba laikā zaudē apkārtnei. Iepriekš minētais vienādojums, kas izsaka kopējās enerģijas saglabāšanas likumu, tiek minēts kā pirmais termodinamikas likums.
Sākotnējie termodinamikas pētnieki identificēja mainīgo, ko viņi sauca par entropiju un kas palielinās, bet nekad nesamazinās visos parastajos fiziskajos procesos, kas nekad nenotiek apgriezti. Entropija palielinās, piemēram, ja karstums spontāni pāriet no siltas zupas uz vēsu gaisu, kad telpā spontāni izplatās dūmi, kad krēsls, kas slīd gar grīdu, berzes dēļ palēninās, kad papīrs dzeltenojas ar vecumu, kad stikls saplīst, un kad izlādējas akumulators. Otrais termodinamikas likums nosaka, ka izolētas sistēmas kopējā entropija (siltumenerģija uz temperatūras vienību, kas nav pieejama noderīga darba veikšanai) nekad nevar samazināties.
Balstoties uz šiem diviem likumiem, tika iegūta visaptveroša makroskopisko fizisko sistēmu termodinamisko īpašību teorija. Tiklīdz likumi tika identificēti, jautājums par to izskaidrošanu vai izpratni pēc Ņūtona mehānikas, protams, ierosināja pats. Tieši Maksvela, Dž. Villarda Gibsa (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) un it īpaši Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) mēģinājumu laikā tika iedomāts šāds izskaidrojums. laiks pirmo reizi pievērsa uzmanību fiziķiem.
