Termodynamiikka
Lyhyt, voimakas ja yleinen selitys tavallisten fysikaalisten prosessien ajan epäsymmetrisyydestä liitettiin vähitellen yhteen termodynamiikan tieteen 1800-luvun kehityksen aikana.
Sellaiset fysikaaliset järjestelmät, joissa ilmeinen ajan epäsymmetria esiintyy, ovat aina makroskooppisia; tarkemmin sanottuna, ne ovat järjestelmiä, jotka koostuvat valtavasta määrästä hiukkasia. Koska tällaisilla järjestelmillä on ilmeisesti erottuvia ominaisuuksia, joukko tutkijoita sitoutui kehittämään itsenäisen tieteen sellaisista järjestelmistä. Kuten tapahtuu, nämä tutkijat olivat ensisijaisesti kiinnostuneita parannuksista höyrykoneiden suunnittelussa, ja siten heidän paradigmaattisen mielenkiintonsa omaava järjestelmä, johon edelleen rutiininomaisesti vedotaan termodynamiikan peruskeskusteluissa, on kaasurasia.
Mieti, mitkä termit ovat sopivia kuvaamaan jotain kuten kaasurasiaa. Täydellisin mahdollinen selitys olisi kaikkien kaasun ja sen laatikon muodostavien hiukkasten sijaintien, nopeuksien ja sisäisten ominaisuuksien määrittely. Näistä tiedoista yhdessä Newtonin liikelain kanssa voidaan periaatteessa laskea kaikkien hiukkasten sijainnit ja nopeudet muina ajankohtina, ja näiden paikkojen ja nopeuksien avulla kaikkea kaasun ja laatikon historiasta voitaisiin edustaa. Mutta laskelmat olisivat tietysti mahdotonta hankalia. Yksinkertaisempi, tehokkaampi ja hyödyllisempi tapa puhua sellaisista järjestelmistä käyttäisi makroskooppisia käsitteitä, kuten koko laatikon koko, muoto, massa ja liike sekä kaasun lämpötila, paine ja tilavuus. Loppujen lopuksi on laillista tosiasiaa, että jos kaasukotelon lämpötilaa nostetaan riittävän korkeaksi, laatikko räjähtää, ja jos kaasurasiaa puristetaan jatkuvasti kaikista puolista, sitä tulee vaikeampi puristaa, kun se saa pienempi. Vaikka nämä tosiasiat ovat päätelmiä Newtonin mekaniikasta, on mahdollista systematoida ne yksinään - tuottaa joukko itsenäisiä termodynaamisia lakeja, jotka liittyvät suoraan kaasun lämpötilaan, paineeseen ja tilavuuteen toisiinsa ilman viittauksia asemiin ja niiden hiukkasten nopeudet, joista kaasu koostuu. Tämän tieteen keskeiset periaatteet ovat seuraavat.
Ensinnäkin on ilmiö, jota kutsutaan lämpöä. Asiat lämpenevät absorboimalla lämpöä ja viileämmät luovuttamalla siitä. Lämpö on jotain, joka voidaan siirtää kehosta toiseen. Kun viileä kappale sijoitetaan lämpimän ruumiin viereen, viileä kehä lämpenee ja lämmin jäähtyy, ja tämä johtuu lämmön virtauksesta lämpimämmästä kappaleesta jäähdyttimeen. Alkuperäiset termodynaamiset tutkijat pystyivät osoittamaan suoraviivaisen kokeilun ja loistavan teoreettisen väitteen avulla, että lämmön on oltava energian muoto.
Kaksi tapaa, jolla kaasut voivat vaihtaa energiaa ympäristöönsä, ovat: lämpöä (kuten silloin, kun eri lämpötiloissa olevat kaasut saatetaan lämpökontaktiin toistensa kanssa) ja mekaanisessa muodossa, kuten työ (kuten silloin, kun kaasu nostaa painon työntämällä mäntä). Koska kokonaisenergia säästyy, niin on oltava, että kaasulle mahdollisesti tapahtuvan DU = DQ + DW, missä DU on muutos kaasun kokonaisenergiassa, DQ on kaasun energia hyötyy ympäristöstään lämmön muodossa, ja DW on energia, jonka kaasu menettää ympäristöstään työn muodossa. Yllä olevaa yhtälöä, joka ilmaisee kokonaisenergian säilymisen lain, kutsutaan termodynamiikan ensimmäiseksi lakiksi.
Alkuperäiset termodynamiikan tutkijat tunnistivat muuttujan, jota he kutsuivat entroopiaksi, joka kasvaa, mutta ei koskaan pienene kaikissa tavanomaisissa fysikaalisissa prosesseissa, joita ei koskaan tapahdu käänteisesti. Entropia kasvaa esimerkiksi silloin, kun lämpö siirtyy spontaanisti lämpimästä keitosta viileään ilmaan, kun savu levittää itsestään huoneessa, kun lattiaa pitkin liukuva tuoli hidastuu kitkan takia, kun paperi kellastuu iän myötä, kun lasi hajoaa, ja kun akku loppuu. Termodynamiikan toisen lain mukaan eristetyn järjestelmän kokonais entropia (lämpöenergiayksikkö lämpötilayksikköä kohti, jota ei voida käyttää hyödyllisen työn tekemiseen) ei voi koskaan laskea.
Näiden kahden lain perusteella johdettiin kattava teoria makroskooppisten fysikaalisten järjestelmien termodynaamisista ominaisuuksista. Kun lait oli yksilöity, kysymys niiden selittämisestä tai ymmärtämisestä newtonilaisen mekaniikan kannalta ehdotti luonnollisesti itseään. Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) ja erityisesti Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) yrittivät kuvitella selityksen sellaiseksi, että aika tuli ensin fyysikkojen tietoisuuteen.
