Termodynamik
En kortfattad, kraftfull och allmän redogörelse för tidens asymmetri av vanliga fysiska processer delades gradvis samman under 1800-talets utveckling av termodynamikvetenskapen.
De typer av fysiska system där uppenbara tidsasymmetrier uppstår är alltid makroskopiska; närmare bestämt är de system som består av ett enormt antal partiklar. Eftersom sådana system uppenbarligen har distinktiva egenskaper åtog sig ett antal utredare att utveckla en autonom vetenskap om sådana system. Eftersom det händer handlade dessa utredare främst om förbättringar i utformningen av ångmotorer, och systemet med paradigmatiskt intresse för dem, och det som fortfarande rutinmässigt tilltalas i elementära diskussioner om termodynamik, är en låda med gas.
Tänk på vilka termer som är lämpliga för beskrivningen av något som en låda med gas. En sådan redogörelse som möjligt är en specifikation av positionerna och hastigheterna och de inre egenskaperna hos alla partiklar som utgör gasen och dess låda. Från denna information, tillsammans med den Newtonska rörelselagen, kan positionerna och hastigheterna för alla partiklar vid alla andra tidpunkter i princip beräknas, och med hjälp av dessa positioner och hastigheter, allt om gasens och lådans historia kan representeras. Men beräkningarna skulle naturligtvis vara omöjligt besvärliga. Ett enklare, kraftfullare och mer användbart sätt att prata om sådana system skulle använda makroskopiska begrepp som lådans storlek, form, massa och rörelse och gasens temperatur, tryck och volym. Det är trots allt ett lagliknande faktum att om temperaturen på en låda med gas höjs tillräckligt hög, kommer lådan att explodera, och om en låda med gas pressas kontinuerligt från alla sidor kommer det att bli svårare att pressa när det blir mindre. Även om dessa fakta kan dras från Newtons mekanik, är det möjligt att systematisera dem på egen hand - att producera en uppsättning autonoma termodynamiska lagar som direkt relaterar temperaturen, trycket och volymen av en gas till varandra utan någon hänvisning till positionerna och hastigheter för de partiklar som gasen består av. De viktigaste principerna för denna vetenskap är följande.
Det finns för det första ett fenomen som kallas värme. Saker blir varmare genom att ta upp värme och svalare genom att avstå från det. Värme är något som kan överföras från en kropp till en annan. När en sval kropp placeras bredvid en varm, värms den svala upp och den varma kyls ned, och detta är i kraft av värmeflödet från den varmare kroppen till den kallare. De ursprungliga termodynamiska utredarna kunde fastställa, genom enkel experiment och strålande teoretiska argument, att värme måste vara en form av energi.
Det finns två sätt på vilka gaser kan utbyta energi med omgivningen: som värme (som när gaser vid olika temperaturer bringas i termisk kontakt med varandra) och i mekanisk form, som arbete (som när en gas lyfter en vikt genom att trycka på en kolv). Eftersom den totala energin är bevarad, måste det vara så att under loppet av allt som kan hända med en gas, DU = DQ + DW, där DU är förändringen i gasens totala energi, är DQ den energi som gasen är tjänar på omgivningen i form av värme, och DW är den energi som gasen förlorar till omgivningen i form av arbete. Ekvationen ovan, som uttrycker lagen för bevarande av total energi, kallas termodynamikens första lag.
De ursprungliga utredarna av termodynamik identifierade en variabel, som de kallade entropi, som ökar men minskar aldrig i alla de vanliga fysiska processerna som aldrig sker i omvänd riktning. Entropin ökar till exempel när värme spontant övergår från varm soppa till sval luft, när rök spontant sprids ut i ett rum, när en stol som glider längs ett golv bromsar ner på grund av friktion, när papper gult med åldern, när glas går sönder, och när ett batteri tar slut. Den andra lagen om termodynamik säger att den totala entropin för ett isolerat system (den termiska energin per enhetstemperatur som inte är tillgänglig för att göra användbart arbete) aldrig kan minska.
På grundval av dessa två lagar härleddes en omfattande teori om de termodynamiska egenskaperna hos makroskopiska fysiska system. När lagarna hade identifierats föreslog emellertid frågan om att förklara eller förstå dem i termer av Newtonian mekanik sig självt. Det var under försök av Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912), och särskilt Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) att föreställa sig en sådan förklaring att problemet med riktningen av tiden kom först till fysikernas uppmärksamhet.
