Termodynamika
Během vývoje vědy o termodynamice v 19. století se postupně zhroutil výstižný, silný a obecný popis časové asymetrie běžných fyzikálních procesů.
Druhy fyzických systémů, ve kterých vznikají zjevné asymetrie času, jsou vždy makroskopické; konkrétněji to jsou systémy sestávající z obrovského počtu částic. Protože takové systémy mají zjevně charakteristické vlastnosti, řada vyšetřovatelů se zavázala vyvinout autonomní vědu o těchto systémech. Jak se to stalo, tito vyšetřovatelé se primárně zabývali zlepšováním konstrukce parních strojů, a proto je systém paradigmatického zájmu pro ně, a ten, který je stále běžně přitahován v elementárních diskusích o termodynamice, skříňkou plynu.
Zvažte, jaké výrazy jsou vhodné pro popis něčeho, jako je krabice s plynem. Nejúplnějším možným takovým popisem by byla specifikace pozic a rychlostí a vnitřních vlastností všech částic, které tvoří plyn a jeho krabici. Z této informace lze společně s newtonovským zákonem pohybu vypočítat polohy a rychlosti všech částic ve všech ostatních časech a pomocí těchto pozic a rychlostí vše o historii plynu a krabice mohl být zastoupen. Výpočty by ovšem byly neskutečně těžkopádné. Jednodušší, výkonnější a užitečnější způsob mluvení o takových systémech by využil makroskopických pojmů, jako je velikost, tvar, hmotnost a pohyb krabice jako celku a teplota, tlak a objem plynu. Koneckonců, je to zákonem způsobená skutečnost, že pokud je teplota nádoby na plyn dostatečně zvýšena, bude explodovat, a pokud bude nádoba plynu stlačována nepřetržitě ze všech stran, bude těžší ji stlačit, jak se dostane menší. Ačkoli tato fakta lze odvodit z newtonovské mechaniky, je možné je systematizovat samostatně - vytvořit soubor autonomních termodynamických zákonů, které přímo souvisejí mezi teplotou, tlakem a objemem plynu bez jakéhokoli odkazu na polohy a rychlosti částic, z nichž se plyn skládá. Základní principy této vědy jsou následující.
Především je to fenomén zvaný teplo. Věci se zahřívají absorbováním tepla a chladu tím, že se vzdají. Teplo je něco, co lze přenést z jednoho těla na druhé. Když je chladné těleso umístěno vedle teplého, chladné se zahřívá a teplé se ochlazuje, a to je na základě toku tepla z teplejšího těla do chladnějšího. Původní termodynamičtí vyšetřovatelé dokázali pomocí přímých experimentů a brilantního teoretického argumentu stanovit, že teplo musí být formou energie.
Existují dva způsoby, jak mohou plyny vyměňovat energii se svým okolím: jako teplo (jako když se plyny při různých teplotách dostávají do tepelného kontaktu mezi sebou) a v mechanické formě, jako práce (jako když plyn zvedá váhu tlačením na píst). Protože je celková energie zachována, musí se stát, že v průběhu všeho, co by se mohlo stát s plynem, DU = DQ + DW, kde DU je změna v celkové energii plynu, DQ je energie v plynu získává ze svého okolí ve formě tepla a DW je energie, kterou plyn ztrácí do svého okolí formou práce. Výše uvedená rovnice, která vyjadřuje zákon zachování celkové energie, se označuje jako první zákon termodynamiky.
Původní vyšetřovatelé termodynamiky identifikovali proměnnou, kterou nazývali entropie, která se zvyšuje, ale nikdy neklesá ve všech běžných fyzikálních procesech, které se nikdy neobjevují v obráceném stavu. Entropie se zvyšuje například, když teplo spontánně přechází z teplé polévky na chladný vzduch, když se spontánně šíří kouř v místnosti, když se židle klouzající po podlaze zpomaluje kvůli tření, když papír žlutě s věkem, když se rozbije sklo, a při vybití baterie. Druhý zákon termodynamiky uvádí, že celková entropie izolovaného systému (tepelná energie na jednotku teploty, která není k dispozici pro vykonávání užitečné práce), se nikdy nemůže snížit.
Na základě těchto dvou zákonů byla odvozena komplexní teorie termodynamických vlastností makroskopických fyzikálních systémů. Jakmile však byly zákony identifikovány, otázka jejich vysvětlení nebo porozumění z hlediska newtonské mechaniky se přirozeně navrhla sama. V rámci pokusů Maxwella, J. Willarda Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) a zejména Ludwiga Eduarda Boltzmanna (1844–1906) si představit takové vysvětlení, že problém směru čas se poprvé dostal do pozornosti fyziků.
