Termodinamika
A termodinamika tudományának 19. századi fejlesztése során fokozatosan összeillették a rendes fizikai folyamatok időbeli aszimmetriájának tömör, erőteljes és általános beszámolóját.
Az a fizikai rendszer, amelyben nyilvánvaló időbeli aszimmetriák merülnek fel, mindig makroszkopikus; pontosabban rendkívül sok részecskékből álló rendszerek. Mivel az ilyen rendszereknek nyilvánvalóan megkülönböztető tulajdonságai vannak, számos kutató vállalta az ilyen rendszerek autonóm tudományának kidolgozását. Mint ez történik, ezeknek a kutatóknak elsősorban a gőzgép motorjainak tervezésében történt fejlesztésekre kellett irányulniuk, és így a paradigmatikus érdeklődésre számot tartó rendszerük, amelyre továbbra is rutinszerűen hivatkoznak a termodinamika alapvető megbeszélésein, egy doboz gáz.
Fontolja meg, hogy mely kifejezések alkalmasak valami, például egy doboz gáz leírására. A lehető legteljesebb ilyen beszámoló a gázot és annak dobozát alkotó összes részecske helyzetének, sebességének és belső tulajdonságainak meghatározása. Ezen információk alapján, a newtoni mozgás törvényével együtt elvileg kiszámolható az összes részecske helyzetét és sebességét, és ezen pozíciók és sebességek segítségével mindent, ami a gáz és a doboz történetében található képviselhető lenne. De a számítások természetesen lehetetlenné válnak. Az ilyen rendszerekről szóló egyszerűbb, erősebb és hasznosabb módszer a makroszkopikus fogalmak, például a doboz egészének mérete, alakja, tömege és mozgása, valamint a gáz hőmérséklete, nyomása és térfogata alapján történik. Végül is törvényszerű tény, hogy ha egy gázdoboz hőmérsékletét elég magasra emelik, akkor a doboz felrobban, és ha egy gázdobozt folyamatosan minden oldalról összepréselnek, akkor nehezebb lesz összenyomódni, amint lesz. kisebb. Noha ezek a tények levezethetők a newtoni mechanikából, önmagukban is szisztematizálhatók - elkészíthető egy olyan autonóm termodinamikai törvény, amely közvetlenül összekapcsolja a gáz hőmérsékletét, nyomását és térfogatát, a helyzetre és a helyzetre való hivatkozás nélkül. azon részecskék sebessége, amelyekből a gáz áll. Ennek a tudománynak az alapelvei a következők.
Mindenekelőtt a hőnek nevezett jelenség van. A dolgok melegebbek lesznek, ha hőt vesznek fel, és hűvösebbé válnak, amikor elhagyják őket. A hő az, ami átvihető az egyik testből a másikba. Ha egy hideg testet egy meleg test mellé helyeznek, akkor a hideg felmelegszik, a meleg pedig lehűl, és ennek oka a hő áramlása a melegebb testből a hűvösebb testbe. Az eredeti termodinamikai kutatók egyértelmű kísérletek és ragyogó elméleti érvelés segítségével meg tudták állapítani, hogy a hőnek energiának kell lennie.
Kétféle módon lehet a gázok energiát cserélni a környezetükkel: hőként (mint amikor a különböző hőmérsékleten lévő gázok hőérintkezésbe kerülnek) és mechanikus formában, mint munkaként (mint amikor a gáz emeli a súlyát dugattyú). Mivel a teljes energia megtakarításra kerül, úgy kell történnie, hogy bármi történhet egy gázzal, DU = DQ + DW, ahol DU a gáz teljes energiájának változása, DQ a gáz energiája a környezetéből nyer hőt, és a DW az az energia, amelyet a gáz munka közben veszít a környezetének. A fenti egyenletet, amely kifejezi a teljes energia megőrzésének törvényét, a termodinamika első törvényének nevezzük.
A termodinamika eredeti kutatói olyan változót azonosítottak, amelyet entrópiának hívtak, amely növekszik, de soha nem csökken minden olyan szokásos fizikai folyamat során, amely soha nem fordul elő fordítva. Az entrópia növekszik például akkor, amikor a hő spontán átmegy a meleg levestől a hűvös levegőhöz, amikor a füst spontán terjed egy szobában, amikor a padló mentén csúszó szék súrlódás miatt lelassul, amikor a papír sárgul az életkorral, amikor az üveg eltörik, és amikor az akkumulátor lemerül. A termodinamika második törvénye kimondja, hogy egy izolált rendszer teljes entrópiája (a hőmérsékleti egységnyi hőenergia, amely nem használható hasznos munka elvégzéséhez) soha nem csökkenhet.
E két törvény alapján átfogó elméletet kaptunk a makroszkopikus fizikai rendszerek termodinamikai tulajdonságairól. Miután a törvényeket azonosították, természetesen felvette a kérdést, hogy megmagyarázzák vagy megértsék őket a newtoni mechanika szempontjából. Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) és különösen Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) próbálkozásai során elképzelni egy ilyen magyarázatot, hogy a Az idő először felhívta a fizikusok figyelmét.
