Nhiệt động lực học
Một tài khoản ngắn gọn, mạnh mẽ và tổng quát về sự bất đối xứng thời gian của các quá trình vật lý thông thường đã dần dần được chắp nối trong quá trình phát triển của thế kỷ 19 của khoa học nhiệt động lực học.
Các loại hệ thống vật lý trong đó phát sinh sự bất cân xứng thời gian rõ ràng là những hệ thống vĩ mô bất biến; đặc biệt hơn, chúng là các hệ thống bao gồm số lượng lớn các hạt. Bởi vì các hệ thống như vậy rõ ràng có tính chất đặc biệt, một số nhà điều tra đã tiến hành phát triển một khoa học tự trị của các hệ thống như vậy. Khi điều đó xảy ra, các nhà điều tra này chủ yếu quan tâm đến việc cải tiến thiết kế động cơ hơi nước, và vì vậy hệ thống quan tâm đến mô hình của họ, và hệ thống vẫn thường được yêu cầu trong các cuộc thảo luận cơ bản về nhiệt động lực học, là một hộp khí.
Xem xét những thuật ngữ nào là phù hợp để mô tả một cái gì đó như một hộp khí. Tài khoản đầy đủ nhất có thể sẽ là một đặc điểm kỹ thuật của các vị trí và vận tốc và tính chất bên trong của tất cả các hạt tạo nên khí và hộp của nó. Từ thông tin đó, cùng với định luật chuyển động của Newton, các vị trí và vận tốc của tất cả các hạt ở mọi thời điểm khác về nguyên tắc có thể được tính toán, và, bằng các vị trí và vận tốc đó, mọi thứ về lịch sử của khí và hộp có thể được đại diện. Nhưng các tính toán, tất nhiên, sẽ vô cùng cồng kềnh. Một cách đơn giản hơn, mạnh mẽ hơn và hữu ích hơn để nói về các hệ thống như vậy sẽ sử dụng các khái niệm vĩ mô như kích thước, hình dạng, khối lượng và chuyển động của toàn bộ hộp và nhiệt độ, áp suất và thể tích của khí. Rốt cuộc, có một thực tế đúng luật là nếu nhiệt độ của một hộp khí được nâng lên đủ cao, hộp sẽ nổ tung và nếu một hộp khí được nén liên tục từ mọi phía, nó sẽ trở nên khó nén hơn khi nó bị ép nhỏ hơn Mặc dù những sự thật này có thể rút ra từ cơ học Newton, nhưng có thể hệ thống hóa chúng trên chính chiếc máy của họ để tạo ra một tập hợp các định luật nhiệt động tự trị liên quan trực tiếp đến nhiệt độ, áp suất và thể tích của khí mà không liên quan đến các vị trí và vận tốc của các hạt mà khí bao gồm. Các nguyên tắc thiết yếu của khoa học này là như sau.
Trước hết, có một hiện tượng gọi là nhiệt. Mọi thứ trở nên ấm hơn bằng cách hấp thụ nhiệt và làm mát bằng cách từ bỏ nó. Nhiệt là thứ có thể truyền từ cơ thể này sang cơ thể khác. Khi một cơ thể mát mẻ được đặt bên cạnh một cơ thể ấm áp, một cơ thể mát mẻ ấm lên và một người ấm áp nguội đi, và điều này là nhờ vào dòng nhiệt từ cơ thể ấm hơn đến cơ thể mát hơn. Các nhà điều tra nhiệt động lực học ban đầu đã có thể thiết lập, bằng phương pháp thí nghiệm đơn giản và lập luận lý thuyết xuất sắc, nhiệt đó phải là một dạng năng lượng.
Có hai cách khí có thể trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh: nhiệt (như khi khí ở nhiệt độ khác nhau được tiếp xúc nhiệt với nhau) và ở dạng cơ học, như khi hoạt động (như khi khí nâng trọng lượng bằng cách đẩy vào một pít-tông). Vì tổng năng lượng được bảo toàn, nên trong mọi trường hợp có thể xảy ra với chất khí, DU = DQ + DW, trong đó DU là sự thay đổi trong tổng năng lượng của khí, DQ là năng lượng của khí thu được từ môi trường xung quanh dưới dạng nhiệt và DW là năng lượng mà khí mất đi với môi trường xung quanh dưới dạng công việc. Phương trình trên, biểu thị định luật bảo toàn tổng năng lượng, được gọi là định luật nhiệt động lực học đầu tiên.
Các nhà điều tra ban đầu của nhiệt động lực học đã xác định một biến, mà họ gọi là entropy, tăng nhưng không bao giờ giảm trong tất cả các quá trình vật lý thông thường không bao giờ xảy ra ngược lại. Entropy tăng, ví dụ, khi nhiệt tự phát từ súp ấm sang không khí mát, khi khói tự phát ra trong phòng, khi một chiếc ghế trượt dọc sàn nhà bị chậm lại do ma sát, khi giấy hét theo tuổi, khi vỡ kính và khi hết pin Định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói rằng tổng entropy của một hệ cô lập (năng lượng nhiệt trên mỗi đơn vị nhiệt độ không có sẵn để thực hiện công việc hữu ích) không bao giờ có thể giảm.
Trên cơ sở hai định luật này, một lý thuyết toàn diện về các tính chất nhiệt động của các hệ vật lý vĩ mô đã được đưa ra. Tuy nhiên, một khi các định luật đã được xác định, câu hỏi giải thích hoặc hiểu chúng theo cơ học Newton tự nhiên đã tự đề xuất. Đó là trong quá trình cố gắng của Maxwell, J. Willard Gibbs (1839 Hóa1903), Henri Poincaré (1854 Ném1912), và đặc biệt là Ludwig Eduard Boltzmann (1844 Chuyện1906) để tưởng tượng ra một lời giải thích như vậy về vấn đề của hướng lần đầu tiên đến sự chú ý của các nhà vật lý.
