termodynamikk
En kortfattet, kraftig og generell redegjørelse for tidsasymmetri av vanlige fysiske prosesser ble gradvis samlet i løpet av 1800-tallets utvikling av vitenskapen om termodynamikk.
Den slags fysiske systemer der det oppstår åpenbare tidsasymmetrier er alltid makroskopiske; mer spesielt er de systemer som består av et enormt antall partikler. Fordi slike systemer tilsynelatende har særegne egenskaper, forpliktet en rekke etterforskere seg til å utvikle en autonom vitenskap om slike systemer. Slik det skjer, var disse etterforskerne først og fremst opptatt av å gjøre forbedringer i utformingen av dampmaskiner, og systemet av paradigmatisk interesse for dem, og det som fremdeles rutinemessig appelleres til i elementære diskusjoner om termodynamikk, er en boks med gass.
Vurder hvilke begrep som er passende for beskrivelsen av noe som en boks med gass. En fullstendig mulig beretning vil være en spesifikasjon av posisjonene og hastighetene og de indre egenskapene til alle partiklene som utgjør gassen og dens kasse. Fra denne informasjonen, sammen med den newtonske bevegelsesloven, kunne posisjonene og hastighetene til alle partiklene til alle andre tider i prinsippet beregnes, og ved hjelp av disse posisjonene og hastighetene, alt om gassens og boksens historie kunne være representert. Men beregningene ville selvfølgelig være umulig tungvint. En enklere, kraftigere og mer nyttig måte å snakke om slike systemer på, vil gjøre bruk av makroskopiske forestillinger som størrelsen, formen, massen og bevegelsen til boksen som helhet og temperaturen, trykket og volumet på gassen. Det er tross alt et lovlig faktum at hvis temperaturen på en kasse med gass blir hevet høy nok, vil boksen eksplodere, og hvis en kasse med gass presses kontinuerlig fra alle sider, vil det bli vanskeligere å klemme etter hvert som det blir mindre. Selv om disse fakta er deducerbare fra Newtonsk mekanikk, er det mulig å systematisere dem på egen hånd - å produsere et sett med autonome termodynamiske lover som direkte relaterer temperaturen, trykket og volumet til en gass til hverandre uten noen henvisning til stillingene og hastigheter på partiklene som gassen består av. De essensielle prinsippene for denne vitenskapen er som følger.
Det er for det første et fenomen som heter varme. Ting blir varmere ved å absorbere varme og kjøligere ved å gi fra seg det. Varme er noe som kan overføres fra en kropp til en annen. Når en kjølig kropp plasseres ved siden av en varm, varmes den kjølige opp og den varme kjøles ned, og dette er i kraft av varmestrømmen fra den varmere kroppen til den kjøligere. De opprinnelige termodynamiske etterforskerne kunne ved hjelp av enkel eksperimentering og strålende teoretiske argument etablere at varme må være en form for energi.
Det er to måter som gasser kan utveksle energi med omgivelsene sine: som varme (som når gasser ved forskjellige temperaturer bringes i termisk kontakt med hverandre) og i mekanisk form, som arbeid (som når en gass løfter vekten ved å presse på et stempel). Siden total energi er konservert, må det være slik at i løpet av alt som kan skje med en gass, DU = DQ + DW, hvor DU er endringen i den totale energien til gassen, er DQ energien gassen tjener på omgivelsene i form av varme, og DW er energien gassen mister til omgivelsene i form av arbeid. Ligningen ovenfor, som uttrykker loven om bevaring av total energi, blir referert til som den første loven for termodynamikk.
De opprinnelige etterforskerne av termodynamikk identifiserte en variabel, som de kalte entropi, som øker men aldri avtar i alle de ordinære fysiske prosessene som aldri skjer i omvendt retning. Entropi øker for eksempel når varme spontant går fra varm suppe til kjølig luft, når røyk spontant sprer seg ut i et rom, når en stol som glir langs et gulv bremser ned på grunn av friksjon, når papir gule med alderen, når glass går i stykker, og når et batteri går tom. Den andre loven om termodynamikk sier at den totale entropien til et isolert system (den termiske energien per enhetstemperatur som ikke er tilgjengelig for å gjøre nyttig arbeid) aldri kan reduseres.
På grunnlag av disse to lovene ble en omfattende teori om de termodynamiske egenskapene til makroskopiske fysiske systemer avledet. Når lovene først var blitt identifisert, antydet naturligvis spørsmålet om å forklare eller forstå dem i form av Newtonsk mekanikk. Det var i løpet av forsøkene fra Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912), og spesielt Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) å forestille seg en slik forklaring at problemet med retningen til tiden først ble oppmerksom på fysikere.
