Fizik felsefesi

Termodinamik

Termodinamik biliminin 19. yüzyıl gelişimi boyunca sıradan fiziksel süreçlerin zaman asimetrisinin kısa, güçlü ve genel bir açıklaması yavaş yavaş bir araya getirildi.

Belirgin zaman asimetrilerinin ortaya çıktığı fiziksel sistemler her zaman makroskopik sistemlerdir; daha özel olarak, çok sayıda parçacıktan oluşan sistemlerdir. Görünüşe göre bu tür sistemler ayırt edici özelliklere sahip olduğundan, bir dizi araştırmacı bu sistemlerin özerk bir bilimini geliştirmeyi üstlenmiştir. Olduğu gibi, bu araştırmacılar öncelikle buhar motorlarının tasarımında iyileştirmeler yapmakla ilgilendiler ve bu nedenle onlar için paradigmatik ilgi sistemi ve termodinamiğin temel tartışmalarında rutin olarak hâlâ cazip olan sistem bir kutu gaz.

Bir kutu gaz gibi bir şeyin tanımlanması için hangi terimlerin uygun olduğunu düşünün. Mümkün olan en kapsamlı açıklama, gazı ve kutusunu oluşturan tüm parçacıkların konumlarının, hızlarının ve iç özelliklerinin bir spesifikasyonu olacaktır. Bu bilgilerden, Newton'un hareket yasası ile birlikte, tüm parçacıkların diğer zamanlardaki konumları ve hızları prensipte hesaplanabilir ve bu konumlar ve hızlar aracılığıyla, gazın ve kutunun tarihi ile ilgili her şey temsil edilebilir. Ancak, hesaplamalar, elbette, imkansız bir şekilde hantal olacaktır. Bu tür sistemler hakkında konuşmanın daha basit, daha güçlü ve daha kullanışlı bir yolu, kutunun bir bütün olarak boyutu, şekli, kütlesi ve hareketi ve gazın sıcaklığı, basıncı ve hacmi gibi makroskopik kavramlardan faydalanır. Sonuçta, bir kutu gazın sıcaklığı yeterince yükseltildiğinde, kutu patlayacak ve bir kutu gaz her taraftan sürekli sıkılırsa, alırken sıkmak zorlaşacaktır. Daha küçük. Bu gerçekler Newton mekaniğinden çıkarılabilir olsa da, bunları kendi başlarına sistematize etmek mümkündür - bir gazın sıcaklığını, basıncını ve hacmini konumlara ve gazın oluştuğu parçacıkların hızları. Bu bilimin temel ilkeleri aşağıdaki gibidir.

Her şeyden önce, ısı adı verilen bir olgu vardır. İşler, ısıyı ve soğuğu emerek ısınırlar. Isı bir vücuttan diğerine aktarılabilecek bir şeydir. Sıcak bir cismin yanına serin bir gövde yerleştirildiğinde, soğuk olan ısınır ve sıcak olan soğur ve bu daha sıcak cisimden daha soğuk olana ısı akışından kaynaklanır. Orijinal termodinamik araştırmacılar, doğrudan deneyler ve parlak teorik argüman sayesinde, ısının bir enerji türü olması gerektiğini tespit edebildiler.

Gazların çevreleriyle enerji alışverişinde bulunmanın iki yolu vardır: ısı olarak (farklı sıcaklıklardaki gazlar birbirleriyle termal temasa sokulduğunda olduğu gibi) ve mekanik formda, iş olarak (bir gaz, iterek ağırlık kaldırdığında olduğu gibi) bir piston). Toplam enerji tasarrufu sağlandığından, bir gaza olabilecek herhangi bir şey sırasında DU = DQ + DW, burada DU gazın toplam enerjisindeki değişiklik, DQ gazın enerjisi çevresinden ısı şeklinde kazanır ve DW gazın çevresine iş şeklinde kaybettiği enerjidir. Toplam enerjinin korunumu yasasını ifade eden yukarıdaki denklem, termodinamiğin birinci yasası olarak adlandırılır.

Termodinamiğin orijinal araştırmacıları, entropi olarak adlandırdıkları, tersine asla gerçekleşmeyen tüm olağan fiziksel süreçlerde artan ancak asla azalmayan bir değişken belirledi. Entropi, örneğin ısı kendiliğinden ılık çorbadan soğuk havaya geçtiğinde, duman kendiliğinden bir odada yayıldığında, bir zemin boyunca kayan bir sandalye sürtünme nedeniyle yavaşladığında, kağıt yaşla birlikte sarılaştığında, cam kırıldığında ve Bir pil bittiğinde. Termodinamiğin ikinci yasası, izole edilmiş bir sistemin toplam entropisinin (faydalı çalışma için uygun olmayan birim sıcaklık başına termal enerjinin) asla azalamayacağını belirtir.

Bu iki yasaya dayanarak, makroskopik fiziksel sistemlerin termodinamik özelliklerinin kapsamlı bir teorisi elde edilmiştir. Bununla birlikte, yasalar belirlendikten sonra, bunları Newton mekaniği açısından açıklama veya anlama sorunu doğal olarak kendini önerdi. Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854-1912) ve özellikle Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) tarafından, Önce fizikçilerin dikkatini çekti.