Filozofija fizike

Termodinamika

Sažet, moćan i općenit prikaz vremenske asimetrije običnih fizikalnih procesa postupno je povezivan tijekom razvoja znanosti o termodinamici u 19. stoljeću.

Vrste fizičkih sustava u kojima nastaju očite asimetrije vremena su uvijek makroskopski; točnije, to su sustavi koji se sastoje od ogromnog broja čestica. Budući da takvi sustavi očito imaju karakteristična svojstva, određeni broj istražitelja obvezao se razvijati autonomnu znanost o takvim sustavima. Kao što se događa, ovi su se istraživači prije svega bavili poboljšanjem dizajna parnih strojeva, pa je sustav paradigmatičnih interesa za njih, i onaj kojem se još uvijek rutinski obraća u elementarnim raspravama o termodinamici, kutija plina.

Razmislite koji su pojmovi prikladni za opis nečega poput kutije s benzinom. Najpotpunija moguća računica bila bi specifikacija položaja i brzina i unutarnjih svojstava svih čestica koje čine plin i njegovu kutiju. Iz tih podataka, zajedno s newtonovim zakonom kretanja, u načelu se mogu izračunati položaji i brzine svih čestica u svim ostalim vremenima, a pomoću tih položaja i brzina, sve o povijesti plina i kutije mogao biti zastupljen. Ali proračuni bi, naravno, bili nemoguće nezgrapni. Jednostavniji, snažniji i korisniji način razgovora o takvim sustavima upotrijebio bi makroskopske pojmove poput veličine, oblika, mase i kretanja kutije u cjelini te temperature, tlaka i volumena plina. Napokon je pravna činjenica da ako se temperatura kutije s plinom podigne dovoljno visoko, kutija će eksplodirati, a ako se kutija s plinom neprekidno stisne sa svih strana, postat će sve teže stisnuti kako se dobije manji. Iako se te činjenice mogu razlučiti iz newtonske mehanike, moguće ih je sistematizirati samostalno - proizvesti skup autonomnih termodinamičkih zakona koji izravno međusobno povezuju temperaturu, tlak i volumen plina bez ikakvog pozivanja na položaje i brzine čestica od kojih se sastoji plin. Bitna načela ove znanosti su sljedeća.

Tu je, prije svega, fenomen koji se zove vrućina. Stvari postaju toplije apsorbirajući toplinu i hladnije odustajući. Toplina je nešto što se može prenijeti s jednog tijela na drugo. Kad se hladno tijelo postavi pored toplog, ono se hladi, a toplo se hladi, a to je zahvaljujući protoku topline iz toplijeg tijela u hladnije. Izvorni istraživači termodinamike uspjeli su, izravnim eksperimentima i briljantnim teorijskim argumentom, utvrditi da toplina mora biti oblik energije.

Postoje dva načina na koji plinovi mogu razmjenjivati ​​energiju sa okolinom: toplina (kao kad se plinovi pri različitim temperaturama dovode u toplinski kontakt jedni s drugima) i u mehaničkom obliku, kao i rad (kao kad plin diže težinu pritiskom na klip). Budući da se ukupna energija čuva, mora biti slučaj da, tijekom svega što se može dogoditi plinu, DU = DQ + DW, gdje je DU promjena ukupne energije plina, DQ je energija koju plin ima dobiva iz svoje okoline u obliku topline, a DW je energija koju plin gubi u svom okruženju u obliku rada. Gornja jednadžba koja izražava zakon očuvanja ukupne energije naziva se prvim zakonom termodinamike.

Izvorni istraživači termodinamike identificirali su varijablu, koju su nazvali entropija, koja se povećava, ali nikad ne smanjuje u svim običnim fizičkim procesima koji se nikada ne događaju obrnuto. Entropija se povećava, na primjer, kada toplina spontano prelazi iz tople juhe u hladan zrak, kada se dim spontano širi u sobi, kad stolica koja klizi po podu usporava zbog trenja, kad papir žuti sa godinama, kad se staklo razbije, i kad se baterija isprazni. Drugi zakon termodinamike kaže da se ukupna entropija izoliranog sustava (toplinska energija po jedinici temperature koja nije dostupna za obavljanje korisnih poslova) nikada ne može smanjiti.

Na temelju ova dva zakona izvedena je sveobuhvatna teorija termodinamičkih svojstava makroskopskih fizičkih sustava. Međutim, nakon što su zakoni identificirani, prirodno se samo od sebe postavilo pitanje objašnjenja ili razumijevanja njih u smislu newtonske mehanike. Tijekom pokušaja Maxwella, J. Willarda Gibbsa (1839. - 1903.), Henrija Poincaréa (1854. - 1990.), a posebno Ludwiga Eduarda Boltzmanna (1844. - 1906.), bilo je zamisliti takvo objašnjenje da je problem smjera vrijeme je prvi put zapazilo fizičare.