פילוסופיה של הפיזיקה

תרמודינמיקה

תיאור תמציתי, עוצמתי וכללי של א-סימטריה בזמן של תהליכים פיסיקליים רגילים נתחברו בהדרגה במהלך התפתחות המאה ה -19 של מדע התרמודינמיקה.

מיני המערכות הפיזיות בהן מתרחשות א-סימטריות ברורות הן תמיד מקרוסקופיות; ליתר דיוק, מדובר במערכות המורכבות ממספר עצום של חלקיקים. מכיוון שלמערכות כאלה ככל הנראה יש תכונות ייחודיות, מספר חוקרים התחייבו לפתח מדע אוטונומי של מערכות כאלה. כפי שקורה, החוקרים עסקו בעיקר בשיפורים בתכנון מנועי הקיטור, ולכן מערכת העניין הפרדיגמטי עבורם, והיא שעדיין פונה אליה באופן שגרתי בדיונים יסודיים על תרמודינמיקה, היא קופסת גז.

שקול אילו מונחים מתאימים לתיאור של משהו כמו קופסת גז. התיאוריה המלאה ביותר האפשרית תהיה פירוט המיקומים והמהירות והתכונות הפנימיות של כל החלקיקים המרכיבים את הגז והתיבה שלו. מתוך מידע זה, יחד עם חוק התנועה הניוטוני, ניתן לחשב באופן עקרוני את המיקומים והמהירות של כל החלקיקים בכל הזמנים האחרים, ובאמצעות העמדות והמהירות הללו, כל מה שקשור להיסטוריה של הגז והתיבה. יכול להיות מיוצג. אבל החישובים, כמובן, יהיו מסורבלים באופן בלתי אפשרי. דרך פשוטה יותר, עוצמתית ושימושית יותר לדבר על מערכות כאלה תשתמש בתפיסות מקרוסקופיות כמו גודל, צורה, מסה ותנועה של התיבה כולה וטמפרטורת הגז, לחץ ונפח. אחרי הכל, עובדה חוקית היא שאם הטמפרטורה של תיבת גז תעלה מספיק גבוהה, התיבה תתפוצץ, ואם תיבת גז נדחקת ברציפות מכל הצדדים, היא תתקשה לסחוט ככל שתגיע קטן יותר. אף שעובדות אלה ניתנות להסכמה מהמכניקה הניוטונית, ניתן לבצע שיטתיות באופן עצמאי - לייצר מערכת חוקים תרמודינמיים אוטונומיים המתייחסים ישירות לטמפרטורה, לחץ ונפח של גז זה לזה ללא שום התייחסות לעמדות ו מהירות החלקיקים מהם הגז מורכב. העקרונות המהותיים של מדע זה הם כדלקמן.

יש, קודם כל, תופעה שנקראת חום. הדברים מתחממים על ידי ספיגת חום ומצננים על ידי ויתור על כך. חום זה משהו שניתן להעביר מגוף לגוף. כשמניחים גוף קריר ליד גוף חם, הקריר מתחמם והחם מתקרר וזה מכוח זרימת החום מהגוף החם לגוף הקריר יותר. החוקרים התרמודינמיים המקוריים הצליחו לקבוע באמצעות ניסויים פשוטים וטיעון תיאורטי מבריק, שחום חייב להיות סוג של אנרגיה.

ישנן שתי דרכים בהן גזים יכולים להחליף אנרגיה עם סביבתם: כחום (כמו כאשר גזים בטמפרטורות שונות מובאים למגע תרמי זה עם זה) ובצורה מכנית, כעבודה (כמו כאשר גז מרים משקל באמצעות דחיפה על בוכנה). מכיוון שהאנרגיה הכוללת נשמרת, זה חייב להיות המקרה שבמהלך כל דבר שעלול לקרות לגז, DU = DQ + DW, כאשר DU הוא השינוי בסך האנרגיה של הגז, DQ הוא האנרגיה שהגז מרוויח מסביבתו בצורה של חום, ו- DW הוא האנרגיה שהגז מאבד לסביבתו בצורה של עבודה. המשוואה שלמעלה, המבטאת את חוק שימור האנרגיה הכוללת, מכונה החוק הראשון של התרמודינמיקה.

החוקרים המקוריים של התרמודינמיקה זיהו משתנה, שאותו כינו אנטרופיה, שמגדיל אך לעולם לא יורד בכל התהליכים הפיזיים הרגילים שאינם מתרחשים הפוך. האנטרופיה גוברת, למשל, כאשר חום עובר באופן ספונטני מהמרק החם לאוויר קריר, כאשר העשן מתפשט באופן ספונטני בחדר, כאשר כיסא המחליק לאורך הרצפה מאט בגלל החיכוך, כאשר נייר צהוב עם הגיל, כאשר הזכוכית נשברת, ו כאשר הסוללה פועלת. החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי האנטרופיה הכוללת של מערכת מבודדת (האנרגיה התרמית ליחידת הטמפרטורה שאינה זמינה לביצוע עבודה מועילה) לעולם אינה יכולה לרדת.

על בסיס שני חוקים אלה נגזרה תיאוריה מקיפה של התכונות התרמודינמיות של מערכות פיזיקליות מקרוסקופיות. עם זאת, לאחר שזוהו החוקים, שאלת ההסבר או הבנתם במונחים של מכניקה ניוטונית הציעה עצמה באופן טבעי. זה היה במהלך ניסיונותיהם של מקסוול, ג'יי וילארד גיבס (1839–1903), אנרי פוינקארה (1854–1912), ובעיקר לודוויג אדוארד בולצמן (1844–1906) לדמיין הסבר כזה שבעיית הכיוון של הזמן הגיע לראשונה לידיעת הפיזיקאים.