Philosophie der Physik

Thermodynamik

Eine präzise, ​​aussagekräftige und allgemeine Darstellung der Zeitasymmetrie gewöhnlicher physikalischer Prozesse wurde im Verlauf der Entwicklung der Wissenschaft der Thermodynamik im 19. Jahrhundert schrittweise zusammengestellt.

Die Arten physikalischer Systeme, in denen offensichtliche Zeitasymmetrien auftreten, sind ausnahmslos makroskopische; Insbesondere handelt es sich um Systeme, die aus einer enormen Anzahl von Partikeln bestehen. Da solche Systeme offenbar unterschiedliche Eigenschaften haben, haben sich eine Reihe von Forschern verpflichtet, eine autonome Wissenschaft über solche Systeme zu entwickeln. Diese Forscher befassten sich in erster Linie mit Verbesserungen bei der Konstruktion von Dampfmaschinen. Daher ist das System von paradigmatischem Interesse für sie und das System, das in elementaren Diskussionen über Thermodynamik immer noch routinemäßig angesprochen wird, eine Kiste mit Gas.

Überlegen Sie, welche Begriffe für die Beschreibung einer Art Gaskiste geeignet sind. Eine möglichst vollständige Darstellung wäre eine Angabe der Positionen und Geschwindigkeiten sowie der inneren Eigenschaften aller Partikel, aus denen das Gas und sein Kasten bestehen. Aus diesen Informationen konnten zusammen mit dem Newtonschen Bewegungsgesetz im Prinzip die Positionen und Geschwindigkeiten aller Teilchen zu allen anderen Zeiten berechnet werden, und anhand dieser Positionen und Geschwindigkeiten alles über die Geschichte des Gases und der Box vertreten sein könnte. Aber die Berechnungen wären natürlich unglaublich umständlich. Eine einfachere, leistungsfähigere und nützlichere Art, über solche Systeme zu sprechen, würde makroskopische Begriffe wie Größe, Form, Masse und Bewegung der Box als Ganzes sowie Temperatur, Druck und Volumen des Gases verwenden. Es ist schließlich eine gesetzmäßige Tatsache, dass, wenn die Temperatur einer Gasbox hoch genug erhöht wird, die Box explodiert und wenn eine Gasbox kontinuierlich von allen Seiten zusammengedrückt wird, es schwieriger wird, sie zu quetschen, wenn sie wird kleiner. Obwohl diese Tatsachen aus der Newtonschen Mechanik ableitbar sind, ist es möglich, sie selbst zu systematisieren - um eine Reihe autonomer thermodynamischer Gesetze zu erzeugen, die die Temperatur, den Druck und das Volumen eines Gases ohne Bezugnahme auf die Positionen und direkt miteinander in Beziehung setzen Geschwindigkeiten der Teilchen, aus denen das Gas besteht. Die wesentlichen Prinzipien dieser Wissenschaft sind wie folgt.

Zuallererst gibt es ein Phänomen namens Wärme. Die Dinge werden wärmer, indem sie Wärme absorbieren, und kühler, indem sie sie abgeben. Wärme kann von einem Körper auf einen anderen übertragen werden. Wenn ein kühler Körper neben einen warmen gestellt wird, erwärmt sich der kühle und der warme kühlt ab, und dies geschieht aufgrund des Wärmeflusses vom wärmeren zum kühleren Körper. Die ursprünglichen thermodynamischen Forscher konnten durch einfache Experimente und brillante theoretische Argumente feststellen, dass Wärme eine Energieform sein muss.

Es gibt zwei Möglichkeiten, wie Gase Energie mit ihrer Umgebung austauschen können: als Wärme (wenn Gase mit unterschiedlichen Temperaturen in thermischen Kontakt miteinander gebracht werden) und in mechanischer Form als Arbeit (als wenn ein Gas durch Weiterdrücken ein Gewicht hebt ein Kolben). Da die Gesamtenergie erhalten bleibt, muss es der Fall sein, dass im Verlauf von allem, was einem Gas passieren könnte, DU = DQ + DW, wobei DU die Änderung der Gesamtenergie des Gases ist, DQ die Energie des Gases ist gewinnt aus seiner Umgebung in Form von Wärme, und DW ist die Energie, die das Gas in Form von Arbeit an seine Umgebung verliert. Die obige Gleichung, die das Gesetz der Erhaltung der Gesamtenergie ausdrückt, wird als erstes Gesetz der Thermodynamik bezeichnet.

Die ursprünglichen Forscher der Thermodynamik identifizierten eine Variable, die sie Entropie nannten und die bei allen gewöhnlichen physikalischen Prozessen, die niemals umgekehrt ablaufen, zunimmt, aber niemals abnimmt. Die Entropie nimmt beispielsweise zu, wenn die Wärme spontan von der warmen Suppe in die kühle Luft übergeht, wenn sich Rauch spontan in einem Raum ausbreitet, wenn ein Stuhl, der über einen Boden rutscht, aufgrund von Reibung langsamer wird, wenn das Papier mit zunehmendem Alter gelb wird, wenn das Glas bricht, und wenn eine Batterie leer ist. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtentropie eines isolierten Systems (die Wärmeenergie pro Temperatureinheit, die für nützliche Arbeiten nicht verfügbar ist) niemals abnehmen kann.

Auf der Grundlage dieser beiden Gesetze wurde eine umfassende Theorie der thermodynamischen Eigenschaften makroskopischer physikalischer Systeme abgeleitet. Sobald die Gesetze identifiziert waren, bot sich jedoch natürlich die Frage an, sie anhand der Newtonschen Mechanik zu erklären oder zu verstehen. Es war im Zuge von Versuchen von Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) und insbesondere Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906), sich eine solche Erklärung vorzustellen, dass das Problem der Richtung von Die Physiker wurden zuerst auf die Zeit aufmerksam.