الديناميكا الحرارية
تم تجميع حساب موجز وقوي وعام للوقت غير المتماثل للعمليات الفيزيائية العادية معًا بشكل تدريجي في سياق تطور علم الديناميكا الحرارية في القرن التاسع عشر.
أنواع الأنظمة الفيزيائية التي يظهر فيها عدم تناسق الوقت الواضح هي دائمًا أنظمة مجهرية ؛ على وجه الخصوص ، فهي أنظمة تتكون من أعداد هائلة من الجسيمات. نظرًا لأن هذه الأنظمة لها خصائص مميزة على ما يبدو ، فقد تعهد عدد من الباحثين بتطوير علم مستقل لهذه الأنظمة. كما يحدث ، كان هؤلاء الباحثون مهتمين في المقام الأول بإجراء تحسينات في تصميم المحركات البخارية ، وبالتالي فإن نظام الاهتمام النموذجي بالنسبة لهم ، والنظام الذي لا يزال يتم مناشدته بشكل روتيني في المناقشات الأولية للديناميكا الحرارية ، هو صندوق للغاز.
فكر في المصطلحات المناسبة لوصف شيء مثل صندوق من الغازات. سيكون هذا الحساب على أكمل وجه ممكنًا هو تحديد المواضع والسرعات والخصائص الداخلية لجميع الجسيمات التي تشكل الغاز وصندوقه. من تلك المعلومات ، إلى جانب قانون الحركة النيوتونية ، يمكن حساب مواضع وسرعات جميع الجسيمات في جميع الأوقات الأخرى من حيث المبدأ ، ومن خلال تلك المواقف والسرعات ، كل شيء عن تاريخ الغاز والصندوق يمكن تمثيلها. لكن الحسابات ، بالطبع ، ستكون مرهقة بشكل مستحيل. إن الطريقة الأبسط والأكثر قوة والأكثر فائدة للتحدث عن مثل هذه الأنظمة ستستخدم المفاهيم العينية مثل حجم الصندوق وشكله وكتلته وحركته ككل ودرجة حرارة الغاز وضغطه وحجمه. بعد كل شيء ، حقيقة قانونية أنه إذا ارتفعت درجة حرارة صندوق الغاز عاليًا بما فيه الكفاية ، فسوف ينفجر الصندوق ، وإذا تم ضغط صندوق الغاز باستمرار من جميع الجوانب ، فسيصبح من الصعب الضغط عليه عندما يحصل الأصغر. على الرغم من أن هذه الحقائق يمكن استنتاجها من ميكانيكا نيوتن ، فمن الممكن تنظيمها بمفردها - لإنتاج مجموعة من القوانين الديناميكية الحرارية المستقلة التي تربط مباشرة درجة حرارة وضغط وحجم الغاز مع بعضها البعض دون أي إشارة إلى المواضع و سرعات الجزيئات التي يتكون منها الغاز. المبادئ الأساسية لهذا العلم هي كما يلي.
أولاً ، هناك ظاهرة تسمى الحرارة. تصبح الأشياء أكثر دفئًا عن طريق امتصاص الحرارة والبرودة عن طريق التخلي عنها. الحرارة هي شيء يمكن نقله من جسم إلى آخر. عندما يوضع الجسم البارد بجوار الجسم الدافئ ، يسخن الجسم البارد ويبرد الجسم الدافئ ، وهذا بفضل تدفق الحرارة من الجسم الأكثر دفئًا إلى الجسم الأكثر برودة. كان المحققون الديناميكيون الحراريون الأصليون قادرين على إثبات ، من خلال التجارب المباشرة والحجة النظرية الرائعة ، أن الحرارة يجب أن تكون شكلاً من أشكال الطاقة.
هناك طريقتان يمكن من خلالهما للغازات تبادل الطاقة مع محيطهما: كحرارة (كما هو الحال عندما تتلامس الغازات في درجات حرارة مختلفة مع بعضها البعض الحراري) وفي شكل ميكانيكي ، كعمل (كما هو الحال عندما يرفع الغاز وزنًا بالضغط عليه مكبس). نظرًا لأنه يتم الحفاظ على إجمالي الطاقة ، يجب أن يكون الحال أنه في سياق أي شيء قد يحدث للغاز ، DU = DQ + DW ، حيث DU هو التغيير في الطاقة الإجمالية للغاز ، DQ هي الطاقة للغاز مكاسب من محيطه في شكل حرارة ، و DW هي الطاقة التي يفقدها الغاز إلى محيطه في شكل عمل. يشار إلى المعادلة أعلاه ، التي تعبر عن قانون الحفاظ على الطاقة الإجمالية ، باسم القانون الأول للديناميكا الحرارية.
حدد الباحثون الأصليون للديناميكا الحرارية متغيرًا ، أطلقوا عليه اسم الإنتروبيا ، والذي يزيد ولكن لا ينقص أبدًا في جميع العمليات الفيزيائية العادية التي لا تحدث أبدًا في الاتجاه المعاكس. يزداد الانتروبيا ، على سبيل المثال ، عندما تنتقل الحرارة تلقائيًا من الحساء الدافئ إلى الهواء البارد ، عندما ينتشر الدخان تلقائيًا في الغرفة ، عندما يتباطأ الكرسي على طول الأرضية بسبب الاحتكاك ، عندما يصفر الورق مع التقدم في السن ، عندما ينكسر الزجاج ، و عندما تنفد البطارية. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الانتروبيا الكلية لنظام معزول (الطاقة الحرارية لكل وحدة حرارة غير متاحة للقيام بعمل مفيد) لا يمكن أن تنخفض أبدًا.
على أساس هذين القانونين ، تم اشتقاق نظرية شاملة للخصائص الديناميكية الحرارية للأنظمة الفيزيائية العينية. بمجرد تحديد القوانين ، فإن مسألة شرحها أو فهمها من حيث ميكانيكا نيوتن تقترح نفسها بشكل طبيعي. في سياق محاولات ماكسويل ، ج. ويلارد جيبس (1839-1903) ، هنري بوانكاريه (1854–1912) ، وخاصة لودفيج إدوارد بولتزمان (1844-1906) لتخيل مثل هذا التفسير ، فإن مشكلة اتجاه أول مرة لفت انتباه الفيزيائيين.
