Termodinámica
Una explicación concisa, poderosa y general de la asimetría del tiempo de los procesos físicos ordinarios fue reconstruida gradualmente en el curso del desarrollo de la ciencia de la termodinámica en el siglo XIX.
Los tipos de sistemas físicos en los que surgen asimetrías de tiempo obvias son invariablemente macroscópicos; más particularmente, son sistemas que consisten en enormes cantidades de partículas. Debido a que tales sistemas aparentemente tienen propiedades distintivas, varios investigadores se comprometieron a desarrollar una ciencia autónoma de dichos sistemas. Como sucede, estos investigadores se preocuparon principalmente por hacer mejoras en el diseño de las máquinas de vapor, por lo que el sistema de interés paradigmático para ellos, y el que todavía se recurre habitualmente en las discusiones elementales de termodinámica, es una caja de gas.
Considere qué términos son apropiados para la descripción de algo como una caja de gas. La explicación más completa posible sería una especificación de las posiciones, velocidades y propiedades internas de todas las partículas que forman el gas y su caja. A partir de esa información, junto con la ley de movimiento newtoniana, las posiciones y velocidades de todas las partículas en cualquier otro momento podrían, en principio, calcularse y, por medio de esas posiciones y velocidades, todo sobre la historia del gas y la caja. podría ser representado Pero los cálculos, por supuesto, serían imposiblemente engorrosos. Una forma más simple, más poderosa y más útil de hablar sobre tales sistemas haría uso de nociones macroscópicas como el tamaño, la forma, la masa y el movimiento de la caja en su conjunto y la temperatura, presión y volumen del gas. Después de todo, es un hecho legal que si la temperatura de una caja de gas se eleva lo suficiente, la caja explotará, y si una caja de gas se exprime continuamente por todos lados, será más difícil de apretar a medida que aumenta menor. Aunque estos hechos son deducibles de la mecánica newtoniana, es posible sistematizarlos por sí mismos, para producir un conjunto de leyes termodinámicas autónomas que relacionan directamente la temperatura, la presión y el volumen de un gas entre sí sin ninguna referencia a las posiciones y velocidades de las partículas en que consiste el gas. Los principios esenciales de esta ciencia son los siguientes.
Hay, en primer lugar, un fenómeno llamado calor. Las cosas se calientan al absorber el calor y se enfrían al abandonarlo. El calor es algo que se puede transferir de un cuerpo a otro. Cuando se coloca un cuerpo frío al lado de uno caliente, el frío se calienta y el cálido se enfría, y esto se debe al flujo de calor del cuerpo más cálido al más frío. Los investigadores termodinámicos originales pudieron establecer, mediante una experimentación directa y un argumento teórico brillante, que el calor debe ser una forma de energía.
Hay dos formas en que los gases pueden intercambiar energía con su entorno: como calor (como cuando los gases a diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico entre sí) y en forma mecánica, como trabajo (como cuando un gas levanta un peso empujando un pistón) Dado que se conserva la energía total, debe darse el caso de que, en el curso de cualquier cosa que pueda sucederle a un gas, DU = DQ + DW, donde DU es el cambio en la energía total del gas, DQ es la energía del gas se beneficia de su entorno en forma de calor, y DW es la energía que el gas pierde en su entorno en forma de trabajo. La ecuación anterior, que expresa la ley de la conservación de la energía total, se conoce como la primera ley de la termodinámica.
Los investigadores originales de termodinámica identificaron una variable, que llamaron entropía, que aumenta pero nunca disminuye en todos los procesos físicos ordinarios que nunca ocurren a la inversa. La entropía aumenta, por ejemplo, cuando el calor pasa espontáneamente de la sopa caliente al aire frío, cuando el humo se extiende espontáneamente en una habitación, cuando una silla que se desliza por el piso se ralentiza debido a la fricción, cuando el papel se vuelve amarillo con el paso del tiempo, y el vidrio se rompe cuando una batería se agota. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total de un sistema aislado (la energía térmica por unidad de temperatura que no está disponible para realizar un trabajo útil) nunca puede disminuir.
Sobre la base de estas dos leyes, se derivó una teoría integral de las propiedades termodinámicas de los sistemas físicos macroscópicos. Sin embargo, una vez que se identificaron las leyes, la cuestión de explicarlas o comprenderlas en términos de mecánica newtoniana se planteó naturalmente. Fue en el curso de los intentos de Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912), y especialmente Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) imaginar tal explicación que el problema de la dirección de El tiempo primero llamó la atención de los físicos.
