Fizikos filosofija

Termodinamika

Glaustas, galingas ir bendras įprastų fizinių procesų laiko asimetrijos aprašymas buvo palaipsniui derinamas XIX a. Plėtojant termodinamikos mokslą.

Fizinės sistemos, kuriose atsiranda akivaizdi laiko asimetrija, yra neišvengiamai makroskopinės; tiksliau, tai sistemos, susidedančios iš daugybės dalelių. Kadangi tokios sistemos, matyt, turi skiriamąsias savybes, nemažai tyrėjų įsipareigojo sukurti autonomišką tokių sistemų mokslą. Kaip nutiko, šie tyrėjai pirmiausia rūpinosi garo variklių konstrukcijos patobulinimais, todėl jiems paradigmatiška sistema, į kurią vis dar įprasta kreiptis pradinėse termodinamikos diskusijose, yra dujų dėžė.

Apsvarstykite, kokie terminai yra tinkami apibūdinti kažką, pavyzdžiui, dujų dėžutę. Išsamiausias toks apibūdinimas būtų visų dalelių, iš kurių susidaro dujos, ir jų dėžutės padėtys, greitis ir vidinės savybės. Iš tos informacijos, kartu su Niutono judesio dėsniu, iš principo buvo galima apskaičiuoti visų dalelių padėtis ir greitį visais kitais atvejais, o pagal tas pozicijas ir greitį buvo galima sužinoti viską apie dujų ir dėžės istoriją. galėtų būti atstovaujama. Tačiau skaičiavimai, be abejo, būtų nepagrįsti. Paprastesnis, galingesnis ir naudingesnis būdas kalbėti apie tokias sistemas pasitelktų tokias makroskopines sąvokas kaip dėžutės dydis, forma, masė ir judesys, taip pat dujų temperatūra, slėgis ir tūris. Galų gale, tai yra teisinis faktas, kad jei dujų dėžutės temperatūra bus pakelta pakankamai aukšta, dėžutė sprogs, o jei dujų dėžė bus nuolat spaudžiama iš visų pusių, ją pasidarys sunkiau. mažesnis. Nors šie faktai yra išskaičiuojami iš Niutono mechanikos, juos įmanoma susisteminti savarankiškai - sudaryti autonominių termodinaminių dėsnių rinkinį, tiesiogiai susiejantį dujų temperatūrą, slėgį ir tūrį, nenurodant jokios padėties ir padėties. dalelių, iš kurių susideda dujos, greitį. Pagrindiniai šio mokslo principai yra šie.

Visų pirma, yra reiškinys, vadinamas šiluma. Viskas sušyla, sugeria šilumą, ir vėsiau, atsisakius jos. Šiluma yra tai, ką galima pernešti iš vieno kūno į kitą. Kai šaltas kūnas dedamas šalia šilto, jis atšyla, o šiltas atvėsta. Tai vyksta dėl šilumos srauto iš šiltesnio kūno į aušintuvą. Pirminiai termodinaminiai tyrėjai, atlikdami tiesioginį eksperimentą ir atlikdami puikius teorinius argumentus, sugebėjo nustatyti, kad šiluma turi būti energijos rūšis.

Yra du būdai, kuriais dujos gali keistis energija su aplinka: kaip šiluma (kaip tada, kai skirtingos temperatūros dujos yra sąlytyje viena su kita) ir mechanine forma, kaip darbas (kaip tada, kai dujos kelia svorį pastumdamos stūmoklis). Kadangi visa energija yra taupoma, turi būti taip, kad vykstant bet kam, kas gali nutikti dujoms, DU = DQ + DW, kur DU yra bendros dujų energijos pokytis, DQ yra dujų energija. iš savo aplinkos gauna naudą šilumos pavidalu, o DW yra energija, kurią dujos praranda aplinkui dirbdamos. Aukščiau pateikta lygtis, išreiškianti bendrosios energijos išsaugojimo dėsnį, minima kaip pirmasis termodinamikos dėsnis.

Pradiniai termodinamikos tyrėjai nustatė kintamąjį, kurį jie vadino entropija, kuris padidėja, bet niekada nesumažėja visuose įprastuose fiziniuose procesuose, kurie niekada neįvyksta atvirkščiai. Entropija padidėja, pavyzdžiui, kai šiluma nuo šiltos sriubos pereina į vėsią orą, kai kambaryje spontaniškai pasklinda dūmai, kai kėdė, slenkanti palei grindis, sulėtėja dėl trinties, kai popierius geltonėja su amžiumi, kai stiklas lūžta, ir kai išsikrauna akumuliatorius. Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad bendra izoliuotos sistemos entropija (šiluminė energija, tenkanti temperatūros vienetui, kurios negalima atlikti naudingam darbui) niekada negali sumažėti.

Remiantis šiais dviem įstatymais, buvo išvesta išsami makroskopinių fizinių sistemų termodinaminių savybių teorija. Tačiau kai įstatymai buvo nustatyti, natūraliai iškilo klausimas, kaip juos paaiškinti ar suprasti pagal Niutono mechaniką. Būtent Maksvelas, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) ir ypač Ludwigas Eduardas Boltzmannas (1844–1906) bandė įsivaizduoti tokį paaiškinimą, kad laikas pirmą kartą atkreipė fizikų dėmesį.