termodynamika
Počas vývoja vedy o termodynamike v 19. storočí sa postupne spájal výstižný, silný a všeobecný popis časovej asymetrie bežných fyzikálnych procesov.
Druhy fyzických systémov, v ktorých vznikajú zjavné asymetrie času, sú vždy makroskopické systémy; konkrétnejšie sú to systémy pozostávajúce z obrovského počtu častíc. Pretože také systémy zjavne majú charakteristické vlastnosti, niekoľko výskumníkov sa zaviazalo vyvinúť autonómnu vedu o týchto systémoch. Ako sa to stalo, títo vyšetrovatelia sa v prvom rade zaoberali zlepšením konštrukcie parných strojov, a preto je pre nich systém paradigmatického záujmu a systém, ktorý sa stále bežne oslovuje v elementárnych diskusiách o termodynamike, krabicou plynu.
Zvážte, aké výrazy sú vhodné na opis niečoho ako krabica plynu. Najplnejším možným takýmto popisom by bola špecifikácia pozícií a rýchlostí a vnútorných vlastností všetkých častíc, ktoré tvoria plyn a jeho puzdro. Z týchto informácií, spolu s newtonovským zákonom o pohybe, by sa v zásade mohli vypočítať polohy a rýchlosti všetkých častíc vo všetkých ostatných časoch a pomocou týchto pozícií a rýchlostí všetko o histórii plynu a skrinky. mohol byť zastúpený. Výpočty by však, samozrejme, boli neuveriteľne ťažkopádne. Jednoduchší, výkonnejší a užitočnejší spôsob rozprávania o takýchto systémoch by využil makroskopické pojmy, ako je veľkosť, tvar, hmotnosť a pohyb škatule ako celku a teplota, tlak a objem plynu. Koniec koncov je to zákonodarná skutočnosť, že ak sa teplota nádoby na plyn dostatočne zvýši, nádoba exploduje a ak sa nádoba plynu stlačí nepretržite zo všetkých strán, bude ťažšie stlačiť, keď sa dostane. menšie. Aj keď sú tieto fakty odvoditeľné z newtonovskej mechaniky, je možné ich systematizovať samy osebe - vytvoriť súbor samostatných termodynamických zákonov, ktoré priamo súvisia teplota, tlak a objem plynu bez toho, aby sa zmienili o polohách a rýchlosti častíc, z ktorých sa plyn skladá. Základné princípy tejto vedy sú nasledujúce.
Predovšetkým je to jav nazývaný teplo. Veci sa otepľujú absorbovaním tepla a ochladzovaním ich odovzdaním. Teplo je niečo, čo sa môže prenášať z jedného tela na druhé. Keď sa chladné teleso umiestni vedľa teplého, chladné sa zahrieva a teplé ochladzuje, a to vďaka prúdeniu tepla z teplejšieho telesa do chladnejšieho telesa. Pôvodní termodynamickí vyšetrovatelia dokázali pomocou priamych experimentov a skvelých teoretických argumentov dokázať, že teplo musí byť formou energie.
Existujú dva spôsoby, ako môžu plyny vymieňať energiu so svojím okolím: ako teplo (ako keď sa plyny pri rôznych teplotách navzájom dostávajú do tepelného kontaktu) a v mechanickej forme, ako práca (ako keď plyn zdvíha váhu tlačením na piest). Keďže je celková energia zachovaná, musí sa stať, že v priebehu čokoľvek, čo by sa mohlo stať s plynom, DU = DQ + DW, kde DU je zmena v celkovej energii plynu, DQ je energia v plynu získava zo svojho okolia vo forme tepla a DW je energia, ktorú plyn stráca do svojho okolia formou práce. Vyššie uvedená rovnica, ktorá vyjadruje zákon zachovania celkovej energie, sa označuje ako prvý termodynamický zákon.
Pôvodní výskumníci termodynamiky identifikovali premennú, ktorú nazývali entropia, ktorá sa zvyšuje, ale nikdy neznižuje vo všetkých bežných fyzikálnych procesoch, ktoré sa nikdy nevyskytujú opačne. Entropia sa zvyšuje napríklad vtedy, keď teplo spontánne prechádza z teplej polievky na studený vzduch, keď sa spontánne šíri dym v miestnosti, keď stolička kĺzajúca po podlahe spomalí kvôli treniu, keď papier žltne s vekom, keď sa rozbije sklo, a keď sa vybije batéria. Druhý termodynamický zákon uvádza, že celková entropia izolovaného systému (tepelná energia na jednotku teploty, ktorá nie je k dispozícii na vykonanie užitočnej práce) sa nikdy nemôže znížiť.
Na základe týchto dvoch zákonov bola odvodená komplexná teória termodynamických vlastností makroskopických fyzikálnych systémov. Po identifikácii zákonov sa však prirodzene navrhla otázka ich vysvetlenia alebo porozumenia z hľadiska newtonovskej mechaniky. V priebehu pokusov Maxwella, J. Willarda Gibbsa (1839–1903), Henri Poincarého (1854–1912) a najmä Ludwiga Eduarda Boltzmanna (1844–1906) si predstaviť také vysvetlenie, že problém smerovania čas sa prvýkrát dostal do pozornosti fyzikov.
