Filozofija fizike

Termodinamika

Jedro, močan in splošen prikaz časovne asimetrije običajnih fizičnih procesov se je postopoma sestavljal med razvojem znanosti o termodinamiki v 19. stoletju.

Vrste fizičnih sistemov, v katerih se pojavijo očitne asimetrije časa, so vedno makroskopske; še posebej gre za sisteme, sestavljene iz ogromnega števila delcev. Ker imajo takšni sistemi očitno značilne lastnosti, so se številni preiskovalci lotili razvijanja avtonomne znanosti o takšnih sistemih. Kot so se zgodili, so se ti preiskovalci ukvarjali predvsem z izboljšanjem zasnove parnih strojev, zato je sistem paradigmatičnega zanimanja zanje in tisti, ki se še vedno rutinsko spravlja v elementarne razprave o termodinamiki, škatla s plinom.

Razmislite, kateri izrazi so primerni za opis nečesa, kot je škatla s plinom. Popolnoma možen tak račun bi bil določitev položaja in hitrosti ter notranjih lastnosti vseh delcev, ki sestavljajo plin in njegovo škatlo. Na podlagi teh podatkov bi lahko skupaj z newtonovim zakonom gibanja načeloma izračunali položaje in hitrosti vseh delcev v vseh drugih obdobjih in s pomočjo teh položajev in hitrosti vse o zgodovini plina in škatle. bi lahko predstavljali. Toda izračuni bi bili seveda nemogoče okorni. Preprostejši, močnejši in uporabnejši način pogovora o takšnih sistemih bi uporabil makroskopske pojme, kot so velikost, oblika, masa in gibanje škatle kot celote ter temperatura, tlak in prostornina plina. Navsezadnje je pravno dejstvo, da če se temperatura škatle s plinom dvigne dovolj visoko, bo škatla eksplodirala, in če se škatla s plinom neprestano stisne z vseh strani, se bo težje stisnila, ko pride manjši. Čeprav je ta dejstva mogoče razbrati iz newtonske mehanike, jih je mogoče sistematizirati sami - izdelati nabor avtonomnih termodinamičnih zakonov, ki med seboj neposredno povezujejo temperaturo, tlak in prostornino plina, ne da bi se sklicevali na položaje in hitrosti delcev, iz katerih je sestavljen plin. Bistvena načela te znanosti so naslednja.

Najprej obstaja pojav, imenovan toplota. Stvari se segrejejo tako, da absorbirajo toploto in hladneje, če jo opustijo. Toplota je nekaj, kar se lahko prenaša z enega telesa na drugo. Ko hladno telo postavimo poleg toplega, se hladno ogreje in toplo ohladi, in to zaradi pretoka toplote iz toplejšega v hladnejše telo. Izvirni termodinamični preiskovalci so z neposrednim eksperimentom in briljantnim teoretičnim argumentom lahko ugotovili, da mora biti toplota oblika energije.

Obstajata dva načina, s katerimi lahko plini izmenjujejo energijo s svojo okolico: toplota (kot takrat, ko plini pri različnih temperaturah pridejo v toplotni stik med seboj) in v mehanski obliki, kot delo (kot ko plin dvigne težo s pritiskom na bat). Ker se celotna energija ohranja, mora biti tako, da je med vsem, kar se lahko zgodi plinu, DU = DQ + DW, kjer je DU sprememba celotne energije plina, DQ energija plina pridobiva iz svoje okolice v obliki toplote, DW pa je energija, ki jo plin izgubi v svoji okolici v obliki dela. Zgornja enačba, ki izraža zakon ohranjanja celotne energije, se imenuje prvi zakon termodinamike.

Prvotni preiskovalci termodinamike so ugotovili spremenljivko, ki so ji rekli entropija, ki se povečuje, vendar se nikoli ne zmanjša v vseh običajnih fizičnih procesih, ki se nikoli ne dogajajo v obratni smeri. Entropija se poveča, na primer, ko toplota spontano prehaja iz tople juhe v hladen zrak, ko se dim spontano razširi v sobi, ko stol, ki drsi po tleh, upočasni zaradi trenja, ko papir porumeni s starostjo, ko se steklo razbije in ko baterija prazni. Drugi zakon termodinamike pravi, da se celotna entropija izoliranega sistema (toplotna energija na enoto temperature, ki ni na voljo za koristno delo), nikoli ne more zmanjšati.

Na podlagi teh dveh zakonov je bila izpeljana celovita teorija termodinamičnih lastnosti makroskopskih fizičnih sistemov. Ko so bili zakoni opredeljeni, pa se je seveda pojavilo vprašanje njihove razlage ali razumevanja v smislu newtonske mehanike. V poskusih Maxwella, J. Willarda Gibbsa (1839–1903), Henrija Poincaréja (1854–1912) in zlasti Ludwiga Eduarda Boltzmanna (1844–1906) so si zamislili takšno razlago, da je problem smeri čas je prvič naletel na pozornost fizikov.