Termodinamika
Sebuah catatan singkat, kuat, dan umum tentang asimetri waktu dari proses fisik biasa secara bertahap disatukan dalam perjalanan perkembangan ilmu termodinamika abad ke-19.
Jenis-jenis sistem fisik di mana timbul asimetri waktu yang jelas adalah sistem makroskopis; lebih khusus lagi, mereka adalah sistem yang terdiri dari sejumlah besar partikel. Karena sistem seperti itu ternyata memiliki sifat yang berbeda, sejumlah penyelidik berupaya mengembangkan ilmu otonom dari sistem semacam itu. Seperti yang terjadi, para penyelidik ini terutama prihatin dengan membuat perbaikan dalam desain mesin uap, dan sistem kepentingan paradigmatik bagi mereka, dan yang masih secara teratur menarik dalam diskusi dasar termodinamika, adalah sekotak gas.
Pertimbangkan istilah apa yang sesuai untuk deskripsi sesuatu seperti sekotak gas. Rekening semaksimal mungkin adalah spesifikasi posisi dan kecepatan serta sifat internal semua partikel yang menyusun gas dan kotaknya. Dari informasi itu, bersama dengan hukum gerak Newton, posisi dan kecepatan semua partikel pada waktu lain secara prinsip dapat dihitung, dan, dengan cara posisi dan kecepatan itu, segala sesuatu tentang sejarah gas dan kotak bisa diwakili. Tetapi perhitungan, tentu saja, akan sangat tidak praktis. Cara yang lebih sederhana, lebih kuat, dan lebih berguna untuk berbicara tentang sistem seperti itu akan menggunakan gagasan makroskopis seperti ukuran, bentuk, massa, dan gerakan kotak secara keseluruhan dan suhu, tekanan, dan volume gas. Lagi pula, adalah fakta seperti hukum bahwa jika suhu sekotak gas dinaikkan cukup tinggi, kotak itu akan meledak, dan jika sekotak gas diperas terus-menerus dari semua sisi, akan semakin sulit untuk diperas saat mendapat lebih kecil. Meskipun fakta-fakta ini dapat dikurangkan dari mekanika Newton, dimungkinkan untuk mensistematisasikannya sendiri — untuk menghasilkan seperangkat hukum termodinamika otonom yang secara langsung menghubungkan suhu, tekanan, dan volume gas satu sama lain tanpa referensi pada posisi dan kecepatan partikel yang terdiri dari gas. Prinsip-prinsip penting ilmu ini adalah sebagai berikut.
Pertama-tama, ada fenomena yang disebut panas. Hal-hal menjadi lebih hangat dengan menyerap panas dan dingin dengan melepaskannya. Panas adalah sesuatu yang dapat ditransfer dari satu tubuh ke tubuh lainnya. Ketika tubuh dingin ditempatkan di sebelah yang hangat, yang dingin menghangatkan dan yang hangat mendingin, dan ini berdasarkan aliran panas dari tubuh yang lebih hangat ke yang lebih dingin. Peneliti termodinamika asli dapat menetapkan, melalui eksperimen langsung dan argumen teoretis yang cemerlang, bahwa panas harus menjadi bentuk energi.
Ada dua cara di mana gas dapat bertukar energi dengan lingkungannya: sebagai panas (seperti ketika gas pada suhu yang berbeda dibawa ke dalam kontak termal satu sama lain) dan dalam bentuk mekanis, seperti bekerja (seperti ketika gas mengangkat beban dengan mendorong sebuah piston). Karena energi total dikonservasi, itu harus menjadi kasus bahwa, dalam segala hal yang mungkin terjadi pada gas, DU = DQ + DW, di mana DU adalah perubahan dalam total energi gas, DQ adalah energi gas mendapat keuntungan dari lingkungannya dalam bentuk panas, dan DW adalah energi yang hilang dari gas untuk lingkungannya dalam bentuk pekerjaan. Persamaan di atas, yang mengungkapkan hukum kekekalan energi total, disebut sebagai hukum termodinamika pertama.
Peneliti asli termodinamika mengidentifikasi variabel, yang mereka sebut entropi, yang meningkat tetapi tidak pernah berkurang dalam semua proses fisik biasa yang tidak pernah terjadi secara terbalik. Entropi meningkat, misalnya, ketika panas secara spontan beralih dari sup hangat ke udara dingin, ketika asap menyebar secara spontan di sebuah ruangan, ketika sebuah kursi yang tergelincir di sepanjang lantai melambat karena gesekan, ketika kertas menguning karena usia, ketika gelas pecah, dan saat baterai habis. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa total entropi dari sistem yang terisolasi (energi termal per unit suhu yang tidak tersedia untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat) tidak pernah bisa berkurang.
Atas dasar kedua hukum ini, teori komprehensif tentang sifat termodinamika sistem fisik makroskopik diturunkan. Namun begitu undang-undang itu diidentifikasi, pertanyaan untuk menjelaskan atau memahaminya dalam hal mekanika Newton secara alami menyarankan dirinya sendiri. Itu adalah dalam upaya oleh Maxwell, J. Willard Gibbs (1839-1903), Henri Poincaré (1854–1912), dan terutama Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) untuk membayangkan penjelasan seperti itu yang menjadi masalah dari arah arahan waktu pertama kali menjadi perhatian fisikawan.
