Termodynamik
En kortfattet, kraftfuld og generel redegørelse for tidsasymmetrien af almindelige fysiske processer blev gradvist samlet i løbet af det 19. århundredes udvikling af termodynamikvidenskaben.
De slags fysiske systemer, hvor indlysende tidsasymmetrier opstår, er uundgåeligt makroskopiske; mere specifikt er det systemer, der består af et enormt antal partikler. Da sådanne systemer tilsyneladende har karakteristiske egenskaber, påtog sig et antal efterforskere at udvikle en autonom videnskab med sådanne systemer. Som det sker, var disse efterforskere primært beskæftiget med forbedringer i design af dampmaskiner, og derfor er systemet med paradigmatisk interesse for dem, og det, der stadig rutinemæssigt appelleres til i elementære diskussioner om termodynamik, en kasse med gas.
Overvej, hvilke udtryk der er passende til beskrivelsen af noget som en kasse med gas. Den bedst mulige beretning ville være en beskrivelse af positionerne og hastighederne og interne egenskaber for alle de partikler, der udgør gassen og dens kasse. Fra denne information sammen med den newtonske bevægelseslov kunne positionerne og hastigheden af alle partikler på alle andre tidspunkter i princippet beregnes, og ved hjælp af disse positioner og hastigheder alt om gasens og kassens historie kunne være repræsenteret. Men beregningerne ville selvfølgelig være umulige besværlige. En enklere, mere kraftfuld og mere nyttig måde at tale om sådanne systemer ville gøre brug af makroskopiske forestillinger som størrelse, form, masse og bevægelse af kassen som helhed og temperaturen, trykket og volumen af gassen. Det er trods alt en lovlig kendsgerning, at hvis temperaturen i en kasse gas hæves høj nok, vil kassen eksplodere, og hvis en kasse gas presses kontinuerligt fra alle sider, vil det blive sværere at klemme, efterhånden som det bliver mindre. Selvom disse kendsgerninger kan drages fra Newtonsk mekanik, er det muligt at systematisere dem på egen hånd - at fremstille et sæt autonome termodynamiske love, der direkte relaterer temperaturen, trykket og volumen af en gas til hinanden uden nogen henvisning til positionerne og hastigheder på de partikler, som gassen består af. De vigtigste principper for denne videnskab er som følger.
Der er først og fremmest et fænomen kaldet varme. Ting bliver varmere ved at absorbere varme og køligere ved at give afkald på det. Varme er noget, der kan overføres fra en krop til en anden. Når en kølig krop placeres ved siden af en varm, varmes den kølige op, og den varme køles ned, og dette er i kraft af strømmen af varme fra den varmere krop til den køligere. De originale termodynamiske efterforskere kunne ved hjælp af ligetil eksperimentering og strålende teoretiske argumenter konstatere, at varme skal være en form for energi.
Der er to måder, på hvilke gasser kan udveksle energi med deres omgivelser: som varme (som når gasser ved forskellige temperaturer bringes i termisk kontakt med hinanden) og i mekanisk form, som arbejde (som når en gas løfter en vægt ved at trykke på et stempel). Da den samlede energi er konserveret, skal det være tilfældet, at i løbet af alt, hvad der kan ske med en gas, DU = DQ + DW, hvor DU er ændringen i gasens samlede energi, er DQ den energi, gassen vinder fra sine omgivelser i form af varme, og DW er den energi, gassen mister til sine omgivelser i form af arbejde. Ligningen ovenfor, der udtrykker loven om bevarelse af total energi, kaldes termodynamikens første lov.
De originale efterforskere af termodynamik identificerede en variabel, som de kaldte entropi, som øges, men aldrig falder i alle de almindelige fysiske processer, der aldrig forekommer i omvendt retning. Entropien øges for eksempel når varme spontant går fra varm suppe til kold luft, når røg spontant spreder sig ud i et rum, når en stol, der glider langs et gulv bremser ned på grund af friktion, når papirgul med alderen, når glas går i stykker, og når et batteri løber tør. Den anden lov om termodynamik siger, at den samlede entropi af et isoleret system (den termiske energi pr. Enhedstemperatur, der ikke er tilgængelig til at udføre nyttigt arbejde) aldrig kan falde.
På grundlag af disse to love blev der udledt en omfattende teori om de termodynamiske egenskaber ved makroskopiske fysiske systemer. Når først lovene var blevet identificeret, antydede naturligvis spørgsmålet om at forklare eller forstå dem med hensyn til Newtonian mekanik sig selv. Det var i løbet af Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) og især Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) forsøg på at forestille sig sådan en forklaring, at problemet med retning af tid først blev opmærksom på fysikere.
