Thermodynamica
Een beknopt, krachtig en algemeen verslag van de tijdsasymmetrie van gewone fysische processen werd geleidelijk samengesteld in de loop van de 19e-eeuwse ontwikkeling van de wetenschap van de thermodynamica.
Het soort fysieke systemen waarin voor de hand liggende tijdsasymmetrieën ontstaan, zijn altijd macroscopische; meer in het bijzonder zijn het systemen die bestaan uit enorme aantallen deeltjes. Omdat dergelijke systemen klaarblijkelijk onderscheidende eigenschappen hebben, hebben een aantal onderzoekers zich ertoe verbonden een autonome wetenschap van dergelijke systemen te ontwikkelen. Toevallig waren deze onderzoekers vooral bezig met het maken van verbeteringen in het ontwerp van stoommachines, en dus is het systeem van paradigmatisch belang voor hen, en het systeem dat nog steeds routinematig wordt aangesproken in elementaire discussies over thermodynamica, een gasdoos.
Bedenk welke termen geschikt zijn voor de beschrijving van zoiets als een gasdoos. Een zo volledig mogelijke verklaring zou een specificatie zijn van de posities en snelheden en interne eigenschappen van alle deeltjes waaruit het gas en zijn kist bestaan. Uit die informatie konden, samen met de bewegingswet van Newton, de posities en snelheden van alle deeltjes op alle andere tijden in principe worden berekend, en door middel van die posities en snelheden alles over de geschiedenis van het gas en de bak kan worden vertegenwoordigd. Maar de berekeningen zouden natuurlijk onmogelijk omslachtig zijn. Een eenvoudigere, krachtigere en nuttiger manier om over dergelijke systemen te praten, zou gebruik maken van macroscopische begrippen zoals de grootte, vorm, massa en beweging van de doos als geheel en de temperatuur, druk en het volume van het gas. Het is immers een wettig feit dat als de temperatuur van een gaskist hoog genoeg wordt verhoogd, de kist explodeert, en als een gaskist van alle kanten continu wordt geperst, wordt het moeilijker om te knijpen als het wordt kleiner. Hoewel deze feiten af te leiden zijn uit de mechanica van Newton, is het mogelijk om ze op zichzelf te systematiseren - om een reeks autonome thermodynamische wetten te produceren die de temperatuur, druk en het volume van een gas rechtstreeks aan elkaar relateren zonder enige verwijzing naar de posities en snelheden van de deeltjes waaruit het gas bestaat. De essentiële principes van deze wetenschap zijn als volgt.
Allereerst is er een fenomeen dat warmte heet. Het wordt warmer door warmte en koeler te absorberen door het op te geven. Warmte is iets dat van het ene lichaam naar het andere kan worden overgedragen. Wanneer een koel lichaam naast een warm lichaam wordt geplaatst, warmt het koele lichaam op en koelt het warme af, en dit komt door de warmtestroom van het warmere lichaam naar het koelere. De oorspronkelijke thermodynamische onderzoekers konden door middel van eenvoudige experimenten en briljant theoretisch argument vaststellen dat warmte een vorm van energie moet zijn.
Er zijn twee manieren waarop gassen energie kunnen uitwisselen met hun omgeving: als warmte (zoals wanneer gassen bij verschillende temperaturen met elkaar in thermisch contact worden gebracht) en in mechanische vorm, als werk (zoals wanneer een gas een gewicht optilt door erop te duwen) een zuiger). Aangezien totale energie wordt bespaard, moet het zo zijn dat, in de loop van alles wat er met een gas zou kunnen gebeuren, DU = DQ + DW, waarbij DU de verandering is in de totale energie van het gas, DQ de energie is van het gas profiteert van zijn omgeving in de vorm van warmte, en DW is de energie die het gas in de vorm van werk aan zijn omgeving verliest. De bovenstaande vergelijking, die de wet van het behoud van de totale energie uitdrukt, wordt de eerste wet van de thermodynamica genoemd.
De oorspronkelijke onderzoekers van de thermodynamica identificeerden een variabele, die ze entropie noemden, die toeneemt maar nooit afneemt bij alle gewone fysieke processen die nooit omgekeerd plaatsvinden. Entropie neemt bijvoorbeeld toe wanneer warmte spontaan overgaat van warme soep naar koele lucht, wanneer rook zich spontaan verspreidt in een kamer, wanneer een stoel die over een vloer schuift, vertraagt door wrijving, wanneer papier vergeelt naarmate het ouder wordt, wanneer glas breekt, en wanneer een batterij leeg raakt. De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de totale entropie van een geïsoleerd systeem (de thermische energie per temperatuureenheid die niet beschikbaar is voor nuttig werk) nooit kan afnemen.
Op basis van deze twee wetten is een uitgebreide theorie van de thermodynamische eigenschappen van macroscopische fysische systemen afgeleid. Toen de wetten eenmaal waren geïdentificeerd, deed zich natuurlijk de vraag voor om ze uit te leggen of te begrijpen in termen van Newtoniaanse mechanica. Het was tijdens pogingen van Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) en vooral Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) om zo'n verklaring voor te stellen dat het probleem van de richting van de tijd kwam voor het eerst onder de aandacht van natuurkundigen.
