ปรัชญาของฟิสิกส์

อุณหพลศาสตร์

บัญชีที่รัดกุมมีประสิทธิภาพและทั่วไปของเวลาที่ไม่สมดุลของกระบวนการทางกายภาพธรรมดาถูกรวมเข้าด้วยกันในการพัฒนาวิทยาศาสตร์ของอุณหพลศาสตร์ในศตวรรษที่ 19

ประเภทของระบบทางกายภาพที่เกิดความไม่สมดุลของเวลาอย่างเห็นได้ชัดนั้นเป็นสิ่งที่คงที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมันเป็นระบบที่ประกอบไปด้วยอนุภาคจำนวนมหาศาล เนื่องจากระบบดังกล่าวมีคุณสมบัติที่โดดเด่นนักวิจัยจำนวนหนึ่งจึงทำการพัฒนาวิทยาศาสตร์อิสระของระบบดังกล่าว เมื่อมันเกิดขึ้นนักวิจัยเหล่านี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการปรับปรุงการออกแบบเครื่องยนต์ไอน้ำและระบบที่น่าสนใจสำหรับพวกเขาและคนที่ยังคงสนใจในการอภิปรายเบื้องต้นของอุณหพลศาสตร์เป็นกล่องก๊าซ

พิจารณาว่าคำใดเหมาะสมสำหรับคำอธิบายของบางอย่างเช่นกล่องแก๊ส บัญชีที่เป็นไปได้อย่างเต็มที่ที่สุดจะเป็นข้อมูลจำเพาะของตำแหน่งและความเร็วและคุณสมบัติภายในของอนุภาคทั้งหมดที่ประกอบเป็นก๊าซและกล่อง จากข้อมูลดังกล่าวพร้อมกับกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันตำแหน่งและความเร็วของอนุภาคทั้งหมดในเวลาอื่น ๆ สามารถคำนวณได้ในหลักการและโดยตำแหน่งและความเร็วเหล่านั้นทุกอย่างเกี่ยวกับประวัติของก๊าซและกล่อง อาจจะเป็นตัวแทน แต่แน่นอนว่าการคำนวณจะยุ่งยากอย่างมาก วิธีที่ง่ายกว่ามีประสิทธิภาพกว่าและมีประโยชน์มากกว่าในการพูดคุยเกี่ยวกับระบบดังกล่าวจะใช้ประโยชน์จากความคิดขนาดมหึมาเช่นขนาดรูปร่างมวลและการเคลื่อนไหวของกล่องโดยรวมและอุณหภูมิความดันและปริมาตรของก๊าซ มันเป็นความจริงที่ถูกกฎหมายถ้าหากอุณหภูมิของกล่องก๊าซถูกยกขึ้นสูงพอกล่องจะระเบิดและถ้ากล่องของก๊าซถูกบีบอย่างต่อเนื่องจากทุกด้านมันจะยากที่จะบีบตามที่ได้รับ ที่มีขนาดเล็ก แม้ว่าข้อเท็จจริงเหล่านี้สามารถอนุมานได้จากกลไกของนิวตัน แต่ก็เป็นไปได้ที่จะจัดระบบด้วยตนเอง - เพื่อสร้างชุดของกฎทางอุณหพลศาสตร์แบบอิสระที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับอุณหภูมิความดันและปริมาตรของก๊าซซึ่งกันและกันโดยไม่อ้างอิงตำแหน่งและ ความเร็วของอนุภาคที่ประกอบด้วยก๊าซ หลักการสำคัญของวิทยาศาสตร์นี้มีดังนี้

สิ่งแรกคือปรากฏการณ์ที่เรียกว่าความร้อน สิ่งต่าง ๆ จะอุ่นขึ้นโดยการดูดซับความร้อนและความเย็นโดยการปล่อยมันออกมา ความร้อนเป็นสิ่งที่สามารถถ่ายโอนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีก เมื่อวางตัวเย็นไว้ถัดจากตัวอุ่นตัวเย็นจะอุ่นและตัวอุ่นก็จะเย็นตัวลงและนี่คือการไหลเวียนของความร้อนจากร่างกายที่อบอุ่นไปยังตัวทำความเย็น นักวิจัยทางอุณหพลศาสตร์ดั้งเดิมสามารถสร้างขึ้นได้โดยการทดลองที่ตรงไปตรงมาและการถกเถียงทางทฤษฎีที่ยอดเยี่ยมความร้อนนั้นจะต้องเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่ง

มีสองวิธีที่ก๊าซสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานกับสภาพแวดล้อมของพวกเขา: เป็นความร้อน (เช่นเมื่อก๊าซที่อุณหภูมิที่แตกต่างกันจะถูกนำเข้าสู่ความร้อนติดต่อกัน) และในรูปแบบเครื่องจักรกลเป็นงาน (เช่นเมื่อก๊าซยกน้ำหนักด้วยการกด ลูกสูบ) เนื่องจากพลังงานทั้งหมดได้รับการอนุรักษ์จะต้องเป็นกรณีที่ในสิ่งใดก็ตามที่อาจเกิดขึ้นกับก๊าซ DU = DQ + DW โดยที่ DU คือการเปลี่ยนแปลงของพลังงานทั้งหมดของก๊าซ DQ คือพลังงานก๊าซ ได้รับจากสภาพแวดล้อมในรูปของความร้อนและ DW เป็นพลังงานที่ก๊าซสูญเสียไปสู่สภาพแวดล้อมในรูปแบบของการทำงาน สมการข้างต้นซึ่งแสดงออกถึงกฎของการอนุรักษ์พลังงานทั้งหมดเรียกว่ากฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์

นักวิจัยดั้งเดิมของอุณหพลศาสตร์ระบุตัวแปรซึ่งพวกเขาเรียกว่าเอนโทรปีซึ่งเพิ่มขึ้น แต่ไม่เคยลดลงในกระบวนการทางกายภาพทั่วไปทั้งหมดที่ไม่เคยเกิดขึ้นในสิ่งที่ตรงกันข้าม ตัวอย่างเช่นเอนโทรปีเพิ่มขึ้นเมื่อความร้อนผ่านจากน้ำซุปอุ่นไปสู่อากาศเย็นเมื่อควันเกิดขึ้นเองในห้องเมื่อเก้าอี้เลื่อนไปตามพื้นช้าลงเพราะความเสียดทานเมื่อกระดาษสีเหลืองตามอายุเมื่อกระจกแตกและ เมื่อแบตเตอรี่หมด กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเอนโทรปีของระบบแยก (พลังงานความร้อนต่ออุณหภูมิหน่วยที่ไม่สามารถใช้งานได้) ไม่เคยลดลง

บนพื้นฐานของกฎหมายทั้งสองฉบับนี้ได้มีการอธิบายทฤษฏีความครอบคลุมของคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของระบบกายภาพขนาดใหญ่ เมื่อมีการระบุกฎหมายแล้วคำถามของการอธิบายหรือทำความเข้าใจในแง่ของกลศาสตร์ของนิวตันก็แนะนำตัวเองตามธรรมชาติ มันอยู่ในช่วงเวลาแห่งความพยายามโดย Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912) และโดยเฉพาะ Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) จินตนาการถึงคำอธิบายดังกล่าวว่าปัญหาทิศทางของ ครั้งแรกที่ได้รับความสนใจจากนักฟิสิกส์