Termodinâmica
Uma descrição concisa, poderosa e geral da assimetria temporal dos processos físicos comuns foi gradualmente reunida no curso do desenvolvimento do século XIX da ciência da termodinâmica.
Os tipos de sistemas físicos nos quais surgem assimetrias de tempo óbvias são invariavelmente macroscópicos; mais particularmente, são sistemas constituídos por um número enorme de partículas. Como esses sistemas aparentemente possuem propriedades distintas, vários pesquisadores se comprometeram a desenvolver uma ciência autônoma desses sistemas. Por acaso, esses pesquisadores estavam preocupados principalmente em fazer melhorias no projeto de motores a vapor, e, portanto, o sistema de interesse paradigmático para eles, e aquele que ainda é rotineiramente apelado nas discussões elementares da termodinâmica, é uma caixa de gás.
Considere quais termos são apropriados para a descrição de algo como uma caixa de gasolina. O mais completo possível desse relato seria uma especificação das posições, velocidades e propriedades internas de todas as partículas que compõem o gás e sua caixa. A partir dessas informações, juntamente com a lei newtoniana do movimento, as posições e velocidades de todas as partículas em todos os outros momentos poderiam, em princípio, ser calculadas e, por meio dessas posições e velocidades, tudo sobre a história do gás e da caixa poderia ser representado. Mas os cálculos, é claro, seriam impossivelmente pesados. Uma maneira mais simples, mais poderosa e mais útil de falar sobre esses sistemas usaria noções macroscópicas como tamanho, forma, massa e movimento da caixa como um todo e temperatura, pressão e volume do gás. Afinal, é um fato legal que, se a temperatura de uma caixa de gás for elevada o suficiente, a caixa explodirá e se uma caixa de gás for espremida continuamente por todos os lados, será mais difícil espremer à medida que for atingindo. menor. Embora esses fatos sejam dedutíveis da mecânica newtoniana, é possível sistematizá-los por conta própria - para produzir um conjunto de leis termodinâmicas autônomas que relacionam diretamente a temperatura, pressão e volume de um gás entre si, sem nenhuma referência às posições e velocidades das partículas das quais o gás consiste. Os princípios essenciais dessa ciência são os seguintes.
Há, antes de tudo, um fenômeno chamado calor. As coisas esquentam ao absorver o calor e o resfriar ao abandoná-lo. O calor é algo que pode ser transferido de um corpo para outro. Quando um corpo frio é colocado próximo a um quente, o frio aquece e o quente esfria, e isso ocorre em virtude do fluxo de calor do corpo mais quente para o mais frio. Os pesquisadores termodinâmicos originais conseguiram estabelecer, por meio de experimentação direta e brilhante argumento teórico, que o calor deve ser uma forma de energia.
Existem duas maneiras pelas quais os gases podem trocar energia com o meio ambiente: como calor (como quando gases a diferentes temperaturas entram em contato térmico) e na forma mecânica, como trabalho (como quando um gás levanta um peso pressionando um pistão). Como a energia total é conservada, deve acontecer que, no decorrer de qualquer coisa que possa acontecer com um gás, DU = DQ + DW, em que DU é a mudança na energia total do gás, DQ é a energia do gás ganha com o meio ambiente na forma de calor e DW é a energia que o gás perde para o meio ambiente na forma de trabalho. A equação acima, que expressa a lei da conservação da energia total, é referida como a primeira lei da termodinâmica.
Os pesquisadores originais da termodinâmica identificaram uma variável, que eles chamaram de entropia, que aumenta, mas nunca diminui, em todos os processos físicos comuns que nunca ocorrem ao contrário. A entropia aumenta, por exemplo, quando o calor passa espontaneamente da sopa quente para o ar fresco, quando a fumaça se espalha espontaneamente em uma sala, quando uma cadeira que desliza pelo chão diminui devido ao atrito, quando o papel fica amarelado com a idade, quando o vidro quebra e quando a bateria acabar. A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia total de um sistema isolado (a energia térmica por unidade de temperatura que não está disponível para realizar um trabalho útil) nunca pode diminuir.
Com base nessas duas leis, uma teoria abrangente das propriedades termodinâmicas dos sistemas físicos macroscópicos foi derivada. Uma vez que as leis foram identificadas, no entanto, a questão de explicá-las ou compreendê-las em termos da mecânica newtoniana naturalmente se sugeriu. Foi no decorrer das tentativas de Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) e, especialmente, de Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) imaginar tal explicação que o problema da direção de o tempo chegou à atenção dos físicos.
