термодинамика
В хода на развитието на науката за термодинамиката през 19-ти век постепенно се събираше едно кратко, мощно и общо описание на асиметрията на обикновените физически процеси.
Видовете физически системи, в които възникват очевидни асиметрии във времето, са неизменно макроскопични; по-специално, това са системи, състоящи се от огромен брой частици. Тъй като такива системи очевидно имат отличителни свойства, редица изследователи се ангажираха да развият автономна наука за такива системи. Както се случва, тези изследователи се занимаваха основно с подобрения в дизайна на парните машини и затова системата от парадигматичен интерес за тях и тази, към която все още рутинно се обръщат в елементарните дискусии за термодинамиката, е кутия с газ.
Помислете какви термини са подходящи за описанието на нещо като кутия с газ. Най-пълната възможна такава сметка би била уточняване на позициите и скоростите и вътрешните свойства на всички частици, които съставляват газа и неговата кутия. От тази информация, заедно с Нютоновия закон за движение, по принцип може да се изчислят позициите и скоростите на всички частици и по тези позиции и скорости всичко за историята на газа и кутията биха могли да бъдат представени. Но изчисленията, разбира се, биха били невъзможно тромави. По-прост, по-мощен и по-полезен начин да се говори за такива системи би използвал макроскопични понятия като размер, форма, маса и движение на кутията като цяло и температура, налягане и обем на газа. В края на краищата е законосъобразен факт, че ако температурата на кутия с газ се повиши достатъчно високо, кутията ще избухне и ако кутия с газ се изтласква непрекъснато от всички страни, ще стане по-трудно да се изтръгне, докато стане по-малък. Въпреки че тези факти са изводими от Нютоновата механика, е възможно да ги систематизираме самостоятелно - да се създаде набор от автономни термодинамични закони, които пряко свързват температурата, налягането и обема на един газ помежду си, без позоваване на позициите и скорости на частиците, от които се състои газът. Основните принципи на тази наука са следните.
На първо място има феномен, наречен топлина. Нещата стават по-топли, като абсорбират топлина и по-хладно, като се откажат от него. Топлината е нещо, което може да се прехвърля от едно тяло в друго. Когато едно готино тяло се постави до топло, хладното се загрява, а топлото се охлажда и това става благодарение на потока на топлина от по-топлото тяло към по-хладното. Оригиналните термодинамични изследователи успяха да установят, чрез направен експеримент и блестящ теоретичен аргумент, че топлината трябва да бъде форма на енергия.
Има два начина, по които газовете могат да обменят енергия със заобикалящата ги среда: като топлина (като когато газовете при различни температури се привеждат в термичен контакт помежду си) и в механична форма, като работа (като когато газ вдига тежест чрез натискане на бутало). Тъй като общата енергия се запазва, трябва да е така, че в хода на всичко, което може да се случи с газ, DU = DQ + DW, където DU е промяната в общата енергия на газа, DQ е енергията, която газът печалби от заобикалянето си под формата на топлина, а DW е енергията, която газът губи за заобикалянето си под формата на работа. Уравнението по-горе, което изразява закона за запазване на общата енергия, се нарича първият закон на термодинамиката.
Първоначалните изследователи на термодинамиката идентифицираха променлива, която те нарекоха ентропия, която се увеличава, но никога не намалява във всички обикновени физически процеси, които никога не се случват обратно. Ентропията се увеличава, например, когато топлината спонтанно преминава от топла супа към хладен въздух, когато димът спонтанно се разпространява в стая, когато стол, плъзгащ се по пода, се забавя поради триенето, когато хартията пожълтява с възрастта, когато се счупи стъклото и когато батерията изтощи. Вторият закон на термодинамиката гласи, че общата ентропия на изолирана система (топлинната енергия за единица температура, която не е достъпна за извършване на полезна работа) никога не може да намалее.
Въз основа на тези два закона беше изведена изчерпателна теория за термодинамичните свойства на макроскопските физически системи. След като законите бяха идентифицирани обаче, естествено се предложи въпросът за обяснението или разбирането им по отношение на нютоновата механика. В хода на опитите на Максуел, Дж. Уилард Гибс (1839–1903), Анри Поанкаре (1854–1912) и по-специално Людвиг Едуард Болтцман (1844–1906) да си представят такова обяснение, че проблемът с посоката на времето за първи път попадна на вниманието на физиците.
