Füüsika filosoofia

Termodünaamika

Termodünaamika teaduse 19. sajandil väljatöötamise käigus liideti järk-järgult kokku lühike, võimas ja üldine ülevaade tavaliste füüsikaliste protsesside aja asümmeetriast.

Füüsilised süsteemid, milles ilmne ajaline asümmeetria tekivad, on alati makroskoopilised; täpsemalt on need süsteemid, mis koosnevad tohutul hulgal osakestest. Kuna sellistel süsteemidel on ilmselt eristatavad omadused, kohustusid mitmed uurijad välja töötama selliste süsteemide autonoomse teaduse. Nagu juhtub, tegelesid need uurijad peamiselt aurumootorite konstruktsiooni täiustustega ja nii on nende jaoks paradigmaatiline huvi pakkuv süsteem, millele termodünaamika elementaarsetes aruteludes ikka veel rutiinselt viidatakse, boksigaas.

Mõelge, millised terminid sobivad näiteks gaasiboksi kirjeldamiseks. Võimalikult täielik selline kirjeldus oleks kõigi gaasi ja selle kasti moodustavate osakeste asukohtade ja kiiruste ning siseomaduste täpsustamine. Selle teabe ja Newtoni liikumisseaduse põhjal oleks põhimõtteliselt võimalik arvutada kõigi osakeste positsioonid ja kiirused muul ajal ning nende asukohtade ja kiiruste abil saaksite kõike gaasi ja kasti kohta võiks olla esindatud. Kuid arvutused oleksid muidugi võimatult tülikad. Lihtsam, võimsam ja kasulikum viis sellistest süsteemidest rääkimiseks kasutaks makroskoopilisi mõisteid nagu kasti suurus, kuju, mass ja liikumine tervikuna ning gaasi temperatuur, rõhk ja maht. Lõppude lõpuks on see seadusepärane fakt, et kui gaasikarbi temperatuuri tõstetakse piisavalt kõrgeks, siis see plahvatab ja kui gaasi kasti pigistatakse pidevalt igast küljest, on seda raskemaks pigistada väiksem. Ehkki need faktid on Newtoni mehaanikast tuletatavad, on neid võimalik iseseisvalt süstematiseerida - koostada autonoomsete termodünaamiliste seaduste komplekt, mis seostavad gaasi temperatuuri, rõhku ja mahtu otseselt üksteisega, viitamata positsioonidele ja nende osakeste kiirused, millest gaas koosneb. Selle teaduse peamised põhimõtted on järgmised.

Esiteks on nähtus, mida nimetatakse soojuseks. Asjad muutuvad soojemaks, kui neelavad soojust, ja jahedamad sellest loobumisel. Kuumus on midagi, mida saab ühest kehast teise üle kanda. Kui jahe keha asetatakse sooja kõrvale, soojeneb jahe ja soe jahtub ning seda soojuse voolu tõttu soojemast kehast jahedamasse. Algsed termodünaamilised uurijad suutsid otsekohese katsetamise ja geniaalse teoreetilise väite abil kindlaks teha, et kuumus peab olema energia vorm.

Gaasidel on võimalik oma keskkonnaga energiat vahetada kahel viisil: kuumusena (nagu siis, kui erineva temperatuuriga gaasid viiakse üksteisega termiliselt kontakti) ja mehaanilisel kujul, tööna (nagu siis, kui gaas tõstab raskuse, surudes sisse kolb). Kuna koguenergia on kokku hoitud, peab gaasiga juhtuda võiva mis tahes toimumise ajal DU = DQ + DW, kus DU on gaasi koguenergia muutus, DQ on gaasi energia sellest saab ümbritsev soojusenergia ja DW on energia, mida gaas oma tööülesannete tõttu ümbrusele kaotab. Ülaltoodud võrrandit, mis väljendab koguenergia säilimise seadust, nimetatakse esimeseks termodünaamika seaduseks.

Termodünaamika algsed uurijad tuvastasid muutuja, mida nad nimetasid entroopiaks, mis suureneb, kuid ei vähene kunagi kõigis tavalistes füüsikalistes protsessides, mis ei toimu kunagi vastupidiselt. Entroopia suureneb näiteks soojuse spontaanselt soojalt supi juurest jahedasse õhku levimisel, kui ruumis levib spontaanselt suitsu, kui mööda põrandat libisev tool aeglustub hõõrdumise tõttu, kui paber kollastub koos vanusega, klaasi purunemisel ja kui aku tühjeneb Termodünaamika teine ​​seadus väidab, et isoleeritud süsteemi kogu entroopia (soojusenergia temperatuuriühiku kohta, mis pole kasulike tööde tegemiseks kättesaadav) ei saa kunagi väheneda.

Nende kahe seaduse alusel saadi makroskoopiliste füüsikaliste süsteemide termodünaamiliste omaduste terviklik teooria. Kui seadused olid kindlaks tehtud, soovitas nende selgitamine või mõistmine Newtoni mehaanika mõttes loomulikult iseenesest. Maxwelli, J. Willard Gibbsi (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) ja eriti Ludwig Eduard Boltzmanni (1844–1906) katsete käigus kujutas selline seletus välja, et probleem suunata aeg jõudis esmakordselt füüsikute tähelepanu alla.