Termodynamika
W trakcie XIX-wiecznego rozwoju nauki termodynamiki stopniowo zebrano zwięzłe, mocne i ogólne sprawozdanie o asymetrii czasowej zwykłych procesów fizycznych.
Rodzaje układów fizycznych, w których powstają oczywiste asymetrie czasowe, są niezmiennie makroskopowe; w szczególności są to systemy składające się z ogromnej liczby cząstek. Ponieważ takie systemy najwyraźniej mają charakterystyczne właściwości, wielu badaczy podjęło się opracowania niezależnej nauki o takich systemach. Tak się składa, że badaczom tym zależało przede wszystkim na udoskonaleniu konstrukcji silników parowych, dlatego też system ich paradygmatycznych zainteresowań, do którego wciąż rutynowo odwołuje się elementarne dyskusje termodynamiczne, to skrzynia z gazem.
Zastanów się, jakie warunki są odpowiednie dla opisu czegoś takiego jak pudełko gazu. Najpełniejszym możliwym tego rodzaju opisem byłoby określenie pozycji i prędkości oraz właściwości wewnętrznych wszystkich cząstek, które składają się na gaz i jego skrzynkę. Na podstawie tych informacji, wraz z newtonowskim prawem ruchu, można w zasadzie obliczyć położenia i prędkości wszystkich cząstek w innych momentach, a za pomocą tych położeń i prędkości wszystko o historii gazu i skrzynki może być reprezentowany. Ale obliczenia byłyby oczywiście niewygodne. Prostszy, mocniejszy i bardziej użyteczny sposób mówienia o takich systemach wykorzystywałby makroskopowe pojęcia, takie jak rozmiar, kształt, masa i ruch skrzynki jako całości oraz temperatura, ciśnienie i objętość gazu. W końcu jest to prawnie faktem, że jeśli temperatura skrzynki gazu będzie wystarczająco wysoka, skrzynia eksploduje, a jeśli skrzynia gazu będzie wyciskana w sposób ciągły ze wszystkich stron, będzie trudniej ścisnąć, gdy się pojawi mniejszy. Chociaż fakty te można wywnioskować z mechaniki newtonowskiej, możliwe jest ich samodzielne usystematyzowanie - w celu stworzenia zestawu autonomicznych praw termodynamicznych, które bezpośrednio wiążą ze sobą temperaturę, ciśnienie i objętość gazu bez żadnego odniesienia do pozycji i prędkości cząstek, z których składa się gaz. Podstawowe zasady tej nauki są następujące.
Przede wszystkim istnieje zjawisko zwane ciepłem. Sprawy stają się cieplejsze, absorbując ciepło, a chłodniejsze, rezygnując z nich. Ciepło jest czymś, co można przenosić z jednego ciała na drugie. Kiedy chłodne ciało zostanie umieszczone obok ciepłego, chłodne ogrzeje się, a ciepłe ostygnie, a to z powodu przepływu ciepła z cieplejszego ciała do chłodniejszego. Pierwotni badacze termodynamiczni byli w stanie ustalić, poprzez proste eksperymenty i genialny argument teoretyczny, że ciepło musi być formą energii.
Istnieją dwa sposoby, w jakie gazy mogą wymieniać energię z otoczeniem: jako ciepło (jak wtedy, gdy gazy o różnych temperaturach doprowadzają się do kontaktu termicznego ze sobą) oraz w formie mechanicznej, jako praca (jak wtedy, gdy gaz podnosi ciężar, popychając tłok). Ponieważ całkowita energia jest zachowana, musi być tak, że w trakcie wszystkiego, co może się zdarzyć gazowi, DU = DQ + DW, gdzie DU jest zmianą całkowitej energii gazu, DQ jest energią gazu zyskuje z otoczenia w postaci ciepła, a DW jest energią, którą gaz traci do otoczenia w formie pracy. Powyższe równanie, które wyraża prawo zachowania energii całkowitej, jest nazywane pierwszą zasadą termodynamiki.
Pierwotni badacze termodynamiki zidentyfikowali zmienną, którą nazwali entropią, która zwiększa, ale nigdy nie maleje we wszystkich zwykłych procesach fizycznych, które nigdy nie zachodzą w odwrotnej kolejności. Entropia wzrasta na przykład, gdy ciepło samorzutnie przechodzi z ciepłej zupy do chłodnego powietrza, gdy dym spontanicznie rozprzestrzenia się w pokoju, gdy krzesło przesuwane po podłodze zwalnia z powodu tarcia, gdy papier żółknie z wiekiem, gdy szkło pęka, i gdy bateria się wyczerpie. Druga zasada termodynamiki mówi, że całkowita entropia izolowanego układu (energia cieplna na jednostkę temperatury niedostępna do wykonania użytecznej pracy) nigdy nie może się zmniejszyć.
Na podstawie tych dwóch praw opracowano kompleksową teorię właściwości termodynamicznych makroskopowych układów fizycznych. Jednak po zidentyfikowaniu praw pojawiło się pytanie o wyjaśnienie lub zrozumienie ich w kategoriach mechaniki newtonowskiej. W trakcie prób Maxwella, J. Willarda Gibbsa (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912), a zwłaszcza Ludwiga Eduarda Boltzmanna (1844–1906), wyobrażono sobie takie wyjaśnienie, że problem kierunku czas po raz pierwszy zwrócił uwagę fizyków.
