Φιλοσοφία της φυσικής

Θερμοδυναμική

Μια συνοπτική, ισχυρή και γενική περιγραφή της ασυμμετρίας των συνηθισμένων φυσικών διεργασιών συγκεντρώθηκε σταδιακά κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης της επιστήμης της θερμοδυναμικής του 19ου αιώνα.

Τα είδη των φυσικών συστημάτων στα οποία εμφανίζονται προφανείς ασυμμετρίες χρόνου είναι πάντοτε μακροσκοπικά. πιο συγκεκριμένα, είναι συστήματα που αποτελούνται από τεράστιο αριθμό σωματιδίων. Επειδή τέτοια συστήματα έχουν προφανώς διακριτικές ιδιότητες, ορισμένοι ερευνητές ανέλαβαν να αναπτύξουν μια αυτόνομη επιστήμη τέτοιων συστημάτων. Όπως συμβαίνει, αυτοί οι ερευνητές ασχολήθηκαν κυρίως με την πραγματοποίηση βελτιώσεων στο σχεδιασμό των ατμομηχανών, και έτσι το σύστημα παραδειγματικού ενδιαφέροντος για αυτούς, και αυτό που εξακολουθεί να προσελκύεται συνήθως στις στοιχειώδεις συζητήσεις για τη θερμοδυναμική, είναι ένα κουτί αερίου.

Εξετάστε τους όρους που είναι κατάλληλοι για την περιγραφή κάτι σαν κιβώτιο αερίου. Ο πληρέστερος δυνατός τέτοιος λογαριασμός θα ήταν μια περιγραφή των θέσεων και των ταχυτήτων και των εσωτερικών ιδιοτήτων όλων των σωματιδίων που αποτελούν το αέριο και το κουτί του. Από αυτές τις πληροφορίες, μαζί με τον Νεύτωνα νόμο κίνησης, οι θέσεις και οι ταχύτητες όλων των σωματιδίων σε όλες τις άλλες στιγμές θα μπορούσαν κατ 'αρχήν να υπολογιστούν και, μέσω αυτών των θέσεων και ταχύτητας, τα πάντα σχετικά με την ιστορία του αερίου και του κιβωτίου θα μπορούσε να εκπροσωπηθεί. Όμως, οι υπολογισμοί, φυσικά, θα ήταν απίστευτα δυσκίνητοι. Ένας απλούστερος, πιο ισχυρός και πιο χρήσιμος τρόπος να μιλάμε για τέτοια συστήματα θα έκανε χρήση μακροσκοπικών εννοιών όπως το μέγεθος, το σχήμα, η μάζα και η κίνηση του κουτιού ως σύνολο και η θερμοκρασία, η πίεση και ο όγκος του αερίου. Είναι, εξάλλου, ένα νομικό γεγονός ότι εάν η θερμοκρασία ενός κιβωτίου αερίου αυξηθεί αρκετά, το κιβώτιο θα εκραγεί και εάν ένα κιβώτιο αερίου συμπιέζεται συνεχώς από όλες τις πλευρές, θα γίνει πιο δύσκολο να συμπιεστεί καθώς παίρνει μικρότερος. Παρόλο που αυτά τα γεγονότα μπορούν να αφαιρεθούν από τη Νεύτωνα μηχανική, είναι δυνατό να τα συστηματοποιήσουν μόνα τους - να παράγουν ένα σύνολο αυτόνομων θερμοδυναμικών νόμων που σχετίζονται άμεσα με τη θερμοκρασία, την πίεση και τον όγκο ενός αερίου μεταξύ τους χωρίς καμία αναφορά στις θέσεις και ταχύτητες των σωματιδίων από τα οποία συνίσταται το αέριο. Οι βασικές αρχές αυτής της επιστήμης είναι οι εξής.

Υπάρχει, πρώτα απ 'όλα, ένα φαινόμενο που ονομάζεται θερμότητα. Τα πράγματα γίνονται πιο ζεστά απορροφώντας τη θερμότητα και πιο δροσερά παραιτώντας την. Η θερμότητα είναι κάτι που μπορεί να μεταφερθεί από το ένα σώμα στο άλλο. Όταν ένα δροσερό σώμα τοποθετείται δίπλα σε ένα ζεστό, το δροσερό θερμαίνεται και το ζεστό ψύχεται και αυτό οφείλεται στη ροή θερμότητας από το θερμότερο σώμα στο ψυχρότερο. Οι αρχικοί θερμοδυναμικοί ερευνητές μπόρεσαν να αποδείξουν, μέσω απλού πειραματισμού και λαμπρού θεωρητικού επιχειρήματος, ότι η θερμότητα πρέπει να είναι μια μορφή ενέργειας.

Υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους τα αέρια μπορούν να ανταλλάσσουν ενέργεια με το περιβάλλον τους: όπως η θερμότητα (όπως όταν τα αέρια σε διαφορετικές θερμοκρασίες έρχονται σε θερμική επαφή μεταξύ τους) και σε μηχανική μορφή, όπως η εργασία (όπως όταν ένα αέριο ανυψώνει ένα βάρος πιέζοντας ένα έμβολο). Δεδομένου ότι η συνολική ενέργεια διατηρείται, πρέπει να συμβαίνει ότι, κατά τη διάρκεια οτιδήποτε μπορεί να συμβεί σε ένα αέριο, DU = DQ + DW, όπου DU είναι η αλλαγή στη συνολική ενέργεια του αερίου, DQ είναι η ενέργεια του αερίου κερδίζει από το περιβάλλον του με τη μορφή θερμότητας, και το DW είναι η ενέργεια που χάνει το αέριο στο περιβάλλον του με τη μορφή εργασίας. Η παραπάνω εξίσωση, που εκφράζει το νόμο της διατήρησης της συνολικής ενέργειας, αναφέρεται ως ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής.

Οι αρχικοί ερευνητές της θερμοδυναμικής εντόπισαν μια μεταβλητή, την οποία ονόμαζαν εντροπία, η οποία αυξάνεται αλλά δεν μειώνεται ποτέ σε όλες τις συνήθεις φυσικές διεργασίες που δεν συμβαίνουν ποτέ αντίστροφα. Η εντροπία αυξάνεται, για παράδειγμα, όταν η θερμότητα περνά αυθόρμητα από τη ζεστή σούπα στον κρύο αέρα, όταν ο καπνός εξαπλώνεται αυθόρμητα σε ένα δωμάτιο, όταν μια καρέκλα που γλιστράει κατά μήκος ενός δαπέδου επιβραδύνεται λόγω τριβής, όταν το χαρτί κιτρινίζει με την ηλικία, όταν σπάει το γυαλί και όταν εξαντλείται η μπαταρία. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ότι η συνολική εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος (η θερμική ενέργεια ανά μονάδα θερμοκρασίας που δεν είναι διαθέσιμη για να κάνει χρήσιμη εργασία) δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί.

Με βάση αυτούς τους δύο νόμους, προέκυψε μια ολοκληρωμένη θεωρία των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των μακροσκοπικών φυσικών συστημάτων. Μόλις εντοπίστηκαν οι νόμοι, ωστόσο, το ζήτημα της εξήγησής τους ή της κατανόησής τους από την άποψη της Νεύτωνας μηχανικής φυσικά προτάθηκε. Κατά τη διάρκεια των προσπαθειών των Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912), και ιδιαίτερα του Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) να φανταστεί μια τέτοια εξήγηση ότι το πρόβλημα της κατεύθυνσης του πρώτη φορά ήρθε στην προσοχή των φυσικών.