Termodinamik
Catatan ringkas, kuat, dan umum mengenai asimetri masa proses fizikal biasa secara beransur-ansur disatukan dalam perkembangan abad ke-19 sains termodinamik.
Jenis sistem fizikal di mana asimetri masa yang jelas timbul adalah sistem makroskopik; lebih khusus lagi, mereka adalah sistem yang terdiri daripada sebilangan besar zarah. Oleh kerana sistem seperti itu nampaknya mempunyai sifat yang tersendiri, sebilangan penyelidik melakukan untuk mengembangkan ilmu autonomi sistem tersebut. Seperti yang terjadi, para penyelidik ini terutama peduli dengan peningkatan dalam reka bentuk mesin wap, dan oleh itu sistem minat paradigmatik untuk mereka, dan sistem yang masih rutin menarik dalam perbincangan dasar termodinamika, adalah kotak gas.
Pertimbangkan istilah apa yang sesuai untuk perihalan sesuatu seperti kotak gas. Sepenuhnya mungkin akaun tersebut adalah spesifikasi kedudukan dan halaju dan sifat dalaman semua partikel yang membentuk gas dan kotaknya. Dari maklumat itu, bersama-sama dengan undang-undang gerakan Newton, kedudukan dan halaju semua zarah pada masa-masa lain secara prinsip dapat dihitung, dan, dengan kedudukan dan halaju itu, segala sesuatu mengenai sejarah gas dan kotak boleh diwakili. Tetapi pengiraannya, tentu saja, sangat membebankan. Cara yang lebih sederhana, lebih kuat, dan lebih berguna untuk membicarakan sistem seperti itu akan menggunakan pengertian makroskopik seperti ukuran, bentuk, jisim, dan gerakan kotak secara keseluruhan dan suhu, tekanan, dan isipadu gas. Bagaimanapun, adalah kenyataan seperti undang-undang bahawa jika suhu sekotak gas dinaikkan cukup tinggi, kotak itu akan meletup, dan jika sekotak gas diperas secara berterusan dari semua sisi, ia akan menjadi lebih sukar untuk diperas ketika mendapat lebih kecil. Walaupun fakta-fakta ini dapat disimpulkan dari mekanik Newton, adalah mungkin untuk sistematisasi sendiri - untuk menghasilkan satu set undang-undang termodinamik autonomi yang secara langsung menghubungkan suhu, tekanan, dan isipadu gas antara satu sama lain tanpa merujuk pada kedudukan dan halaju zarah-zarah yang terdiri daripada gas. Prinsip penting sains ini adalah seperti berikut.
Terdapat, pertama sekali, fenomena yang disebut haba. Perkara menjadi lebih panas dengan menyerap haba dan lebih sejuk dengan melepaskannya. Panas adalah sesuatu yang dapat dipindahkan dari satu badan ke badan yang lain. Apabila badan sejuk diletakkan di sebelah badan yang panas, yang sejuk menjadi panas dan yang sejuk menjadi sejuk, dan ini disebabkan oleh aliran panas dari badan yang lebih panas ke badan yang lebih sejuk. Penyelidik termodinamik yang asli dapat membuktikan, melalui eksperimen langsung dan hujah teoritis yang cemerlang, bahawa haba mestilah satu bentuk tenaga.
Terdapat dua cara di mana gas dapat menukar tenaga dengan persekitarannya: seperti haba (seperti ketika gas pada suhu yang berbeza dibawa bersentuhan terma antara satu sama lain) dan dalam bentuk mekanikal, seperti kerja (seperti ketika gas mengangkat berat dengan mendorong sebiji omboh). Oleh kerana jumlah tenaga dijimatkan, mesti berlaku bahawa, semasa berlaku apa-apa yang mungkin berlaku pada gas, DU = DQ + DW, di mana DU adalah perubahan dalam jumlah tenaga gas, DQ adalah tenaga gas keuntungan dari persekitarannya dalam bentuk panas, dan DW adalah tenaga yang gas akan hilang ke persekitarannya dalam bentuk kerja. Persamaan di atas, yang menyatakan hukum pemuliharaan tenaga total, disebut sebagai undang-undang termodinamik pertama.
Penyelidik asal termodinamik mengenal pasti pemboleh ubah, yang mereka sebut entropi, yang meningkat tetapi tidak pernah menurun dalam semua proses fizikal biasa yang tidak pernah berlaku secara terbalik. Entropi meningkat, contohnya, ketika panas secara spontan mengalir dari sup hangat ke udara sejuk, ketika asap secara spontan menyebar di dalam bilik, ketika kerusi yang meluncur di sepanjang lantai melambat kerana geseran, ketika kertas kuning dengan usia, ketika kaca pecah, dan apabila bateri habis. Undang-undang termodinamik kedua menyatakan bahawa total entropi sistem terpencil (tenaga terma per unit suhu yang tidak tersedia untuk melakukan kerja yang berguna) tidak akan pernah berkurang.
Berdasarkan kedua undang-undang ini, teori komprehensif mengenai sifat termodinamik sistem fizikal makroskopik diturunkan. Namun, setelah undang-undang itu dikenal pasti, persoalan menjelaskan atau memahaminya dari segi mekanik Newton secara semula jadi menyarankannya. Dalam percubaan oleh Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912), dan terutama Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) untuk membayangkan penjelasan seperti itu bahawa masalah arah masa pertama kali mendapat perhatian ahli fizik.
