Philosophie de la physique

Thermodynamique

Un compte rendu concis, puissant et général de l'asymétrie temporelle des processus physiques ordinaires a été progressivement reconstitué au cours du développement du XIXe siècle de la science de la thermodynamique.

Les types de systèmes physiques dans lesquels apparaissent des asymétries de temps évidentes sont invariablement macroscopiques; plus particulièrement, ce sont des systèmes constitués d'un nombre énorme de particules. Parce que ces systèmes ont apparemment des propriétés distinctives, un certain nombre de chercheurs ont entrepris de développer une science autonome de ces systèmes. En l'occurrence, ces enquêteurs étaient principalement intéressés à apporter des améliorations à la conception des machines à vapeur, et donc le système d'intérêt paradigmatique pour eux, et celui qui est toujours régulièrement invoqué dans les discussions élémentaires sur la thermodynamique, est une boîte de gaz.

Considérez quels termes sont appropriés pour la description de quelque chose comme une boîte de gaz. Le compte rendu le plus complet possible serait une spécification des positions, des vitesses et des propriétés internes de toutes les particules qui composent le gaz et sa boîte. À partir de ces informations, ainsi que de la loi newtonienne du mouvement, les positions et les vitesses de toutes les particules à tout autre moment pourraient en principe être calculées, et, au moyen de ces positions et vitesses, tout sur l'histoire du gaz et de la boîte pourrait être représenté. Mais les calculs, bien sûr, seraient incroyablement lourds. Une manière plus simple, plus puissante et plus utile de parler de tels systèmes utiliserait des notions macroscopiques telles que la taille, la forme, la masse et le mouvement de la boîte dans son ensemble et la température, la pression et le volume du gaz. C'est, après tout, un fait légal que si la température d'une boîte de gaz est suffisamment élevée, la boîte explosera, et si une boîte de gaz est pressée en continu de tous les côtés, il deviendra plus difficile de la serrer à mesure qu'elle devient plus petit. Bien que ces faits soient déductibles de la mécanique newtonienne, il est possible de les systématiser par eux-mêmes - pour produire un ensemble de lois thermodynamiques autonomes qui relient directement la température, la pression et le volume d'un gaz les uns aux autres sans aucune référence aux positions et vitesses des particules dont le gaz est composé. Les principes essentiels de cette science sont les suivants.

Il y a tout d'abord un phénomène appelé chaleur. Les choses se réchauffent en absorbant la chaleur et se refroidissent en y renonçant. La chaleur est quelque chose qui peut être transféré d'un corps à un autre. Lorsqu'un corps frais est placé à côté d'un corps chaud, le corps froid se réchauffe et le corps chaud se refroidit, et cela en raison du flux de chaleur du corps plus chaud vers le corps plus frais. Les investigateurs thermodynamiques originaux ont pu établir, au moyen d'une expérimentation simple et d'un brillant argument théorique, que la chaleur doit être une forme d'énergie.

Les gaz peuvent échanger de l'énergie avec leur environnement de deux manières: sous forme de chaleur (comme lorsque des gaz à différentes températures sont mis en contact thermique les uns avec les autres) et sous forme mécanique, sous forme de travail (comme lorsqu'un gaz soulève un poids en poussant sur un piston). Puisque l'énergie totale est conservée, il doit être le cas que, au cours de tout ce qui pourrait arriver à un gaz, DU = DQ + DW, où DU est le changement de l'énergie totale du gaz, DQ est l'énergie du gaz gagne de son environnement sous forme de chaleur, et DW est l'énergie que le gaz perd à son environnement sous forme de travail. L'équation ci-dessus, qui exprime la loi de la conservation de l'énergie totale, est appelée la première loi de la thermodynamique.

Les chercheurs originaux de la thermodynamique ont identifié une variable, qu'ils ont appelée entropie, qui augmente mais ne diminue jamais dans tous les processus physiques ordinaires qui ne se produisent jamais en sens inverse. L'entropie augmente, par exemple, lorsque la chaleur passe spontanément de la soupe chaude à l'air frais, lorsque la fumée se propage spontanément dans une pièce, lorsqu'une chaise glissant sur un sol ralentit à cause du frottement, lorsque le papier jaunit avec l'âge, lorsque le verre se brise, et lorsqu'une batterie se décharge. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale d'un système isolé (l'énergie thermique par unité de température qui n'est pas disponible pour effectuer des travaux utiles) ne peut jamais diminuer.

Sur la base de ces deux lois, une théorie complète des propriétés thermodynamiques des systèmes physiques macroscopiques a été dérivée. Cependant, une fois les lois identifiées, la question de les expliquer ou de les comprendre en termes de mécanique newtonienne s'est naturellement posée. C'est au cours des tentatives de Maxwell, J. Willard Gibbs (1839–1903), Henri Poincaré (1854–1912), et surtout Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906), d'imaginer une telle explication que le problème de la direction de le temps est venu pour la première fois à l'attention des physiciens.