Filosofia della fisica

Termodinamica

Una descrizione concisa, potente e generale dell'asimmetria temporale dei normali processi fisici è stata gradualmente messa insieme nel corso dello sviluppo del XIX secolo della scienza della termodinamica.

I tipi di sistemi fisici in cui sorgono ovvie asimmetrie temporali sono invariabilmente macroscopici; più in particolare, sono sistemi costituiti da un numero enorme di particelle. Poiché apparentemente tali sistemi hanno proprietà distintive, numerosi ricercatori si sono impegnati a sviluppare una scienza autonoma di tali sistemi. A quanto pare, questi investigatori si occupavano principalmente di apportare miglioramenti nella progettazione dei motori a vapore, e quindi il sistema di interesse paradigmatico per loro, e quello che è ancora regolarmente richiamato nelle discussioni elementari sulla termodinamica, è una scatola di gas.

Considera quali termini sono appropriati per la descrizione di qualcosa come una scatola di gas. Il resoconto più completo possibile sarebbe una specifica delle posizioni e delle velocità e delle proprietà interne di tutte le particelle che compongono il gas e la sua scatola. Da quell'informazione, insieme alla legge newtoniana del moto, le posizioni e le velocità di tutte le particelle in tutte le altre volte potrebbero in linea di principio essere calcolate e, per mezzo di tali posizioni e velocità, tutto sulla storia del gas e della scatola potrebbe essere rappresentato. Ma i calcoli, ovviamente, sarebbero incredibilmente ingombranti. Un modo più semplice, più potente e più utile di parlare di tali sistemi farebbe uso di nozioni macroscopiche come la dimensione, la forma, la massa e il movimento della scatola nel suo insieme e la temperatura, la pressione e il volume del gas. Dopotutto, è un fatto simile alla legge che se la temperatura di una scatola di gas viene alzata abbastanza in alto, la scatola esploderà e se una scatola di gas viene schiacciata continuamente da tutti i lati, diventerà più difficile spremere man mano che si alza più piccola. Sebbene questi fatti siano deducibili dalla meccanica newtoniana, è possibile sistemarli da soli - per produrre un insieme di leggi termodinamiche autonome che mettono in relazione diretta temperatura, pressione e volume di un gas tra loro senza alcun riferimento alle posizioni e velocità delle particelle di cui è costituito il gas. I principi essenziali di questa scienza sono i seguenti.

C'è prima di tutto un fenomeno chiamato calore. Le cose si riscaldano assorbendo il calore e si raffreddano abbandonandolo. Il calore è qualcosa che può essere trasferito da un corpo all'altro. Quando un corpo freddo viene posizionato accanto a uno caldo, quello freddo si riscalda e quello caldo si raffredda, e questo è in virtù del flusso di calore dal corpo più caldo a quello più freddo. I ricercatori termodinamici originali sono stati in grado di stabilire, attraverso una semplice sperimentazione e un brillante argomento teorico, che il calore deve essere una forma di energia.

Esistono due modi in cui i gas possono scambiare energia con l'ambiente circostante: come il calore (come quando i gas a temperature diverse vengono portati a contatto termico tra loro) e in forma meccanica, come il lavoro (come quando un gas solleva un peso spingendo su un pistone). Poiché l'energia totale viene preservata, deve accadere che, nel corso di tutto ciò che potrebbe accadere a un gas, DU = DQ + DW, dove DU è la variazione dell'energia totale del gas, DQ è l'energia del gas guadagna dai suoi dintorni sotto forma di calore e DW è l'energia che il gas perde nei suoi dintorni sotto forma di lavoro. L'equazione di cui sopra, che esprime la legge della conservazione dell'energia totale, viene definita la prima legge della termodinamica.

Gli investigatori originali della termodinamica hanno identificato una variabile, che hanno chiamato entropia, che aumenta ma non diminuisce mai in tutti i processi fisici ordinari che non avvengono mai al contrario. L'entropia aumenta, ad esempio, quando il calore passa spontaneamente dalla zuppa calda all'aria fredda, quando il fumo si diffonde spontaneamente in una stanza, quando una sedia che scorre lungo un pavimento rallenta a causa dell'attrito, quando la carta si ingiallisce con l'età, quando il vetro si rompe, e quando una batteria si scarica. La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia totale di un sistema isolato (l'energia termica per unità di temperatura che non è disponibile per svolgere un lavoro utile) non può mai diminuire.

Sulla base di queste due leggi, è stata derivata una teoria completa delle proprietà termodinamiche dei sistemi fisici macroscopici. Una volta identificate le leggi, tuttavia, la domanda di spiegarle o comprenderle in termini di meccanica newtoniana si è naturalmente suggerita. Fu nel corso dei tentativi di Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912), e in particolare Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) di immaginare una tale spiegazione che il problema della direzione di il tempo è arrivato per la prima volta all'attenzione dei fisici.