Palautuvuus ja sen täydentävät peruuttamattomuudesta ovat tärkeitä käsitteitä fysiikan ja erityisesti termodynamiikan .
Jokaisella oli seuraavat kokemukset:
Ensimmäinen kokemus on tyypillistä peruuttamattomalle käytökselle, toinen on se, mikä on lähinnä palautuvaa muutosta , mutta ei täysin palautuvaa. Niin yksinkertaisilta kuin ne saattavatkin näyttää, nämä kaksi esimerkkiä havainnollistavat termodynaamisen järjestelmän mahdollisuutta tai mahdottomuutta palauttaa tila spontaanisti ja tarkalleen juuri ennen modifikaatiota.
Ilmiö on palautuva, jos olosuhteiden äärettömän pieni muutos antaa järjestelmän, joka on kehittynyt tämän ilmiön vaikutuksesta, palata välittömästi edelliseen tilaansa. Tämä ilmiö muuttuu palautuvaksi, jos se on edellisen välttämättömän ehdon lisäksi sama ulkoisen ympäristön kanssa . Siten, kun rentoutamme alun perin venytettyä elastista, lopetamme voiman käyttämisen, eikä se ole identtinen sen alkutilan kanssa. Termodynamiikassa palautuvan evoluution käsite on kvantitatiivinen: se on järjestelmän evoluutio, jolle ei tuoteta entropiaa .
Sitä vastoin kaikkien muiden ilmiöiden sanotaan olevan peruuttamattomia. Nämä ovat sellaisia, joissa järjestelmän on mahdotonta palata välittömästi edelliseen tilaan ilman merkittäviä muutoksia olosuhteissa. Termodynamiikassa tämä johtaa entropian tuottamiseen.
Fysiikassa kaikki ilmiöt ovat peruuttamattomia. Palautettavuus on matemaattinen raja tai idealisointi.
Klassinen mekaniikka, jonka erityisesti Newton perusti , olettaa implisiittisesti ilmiöiden palautuvuuden. Kaikissa perusyhtälöissä aika on todellakin käännettävissä, toisin sanoen aika-muuttujan t in -t muutos jättää perusyhtälöt muuttumattomiksi.
Siten klassisen mekaniikan kannalta fyysisen evoluution "elokuvan avaaminen" ylösalaisin on varsin hyväksyttävää. Tämä visio on kuitenkin ristiriidassa terveen järjen kanssa, ja yksinkertaisten ilmiöiden osalta vain yksi evoluutiosuunta on fyysisesti hyväksyttävä. Esimerkiksi tietyltä korkeudelta pudotettu pallo putoaa maahan, pomppii siellä jonkin aikaa ja pysähtyy, kun se on luovuttanut kaiken kineettisen energiansa maahan. Klassisen mekaniikan kannalta on teoriassa täysin hyväksyttävää, että päinvastainen prosessi tapahtuu spontaanisti: maa syöttäisi energiaa pallolle, joka alkaisi hypätä yhä korkeammalle, kunnes palauttaa irti päästävän käden korkeuden!
Newtonin lakien ensimmäiset historialliset menestykset ovat jo pitkään antaneet heille erityisen perustan tiedemaailmaan. Siksi Laplace ei epäröi ennustaa paitsi fysiikan lakien täydellistä determinismiä myös mahdollisuutta kuvata tietystä tilasta mekaanisen järjestelmän menneisyyttä ja tulevaisuutta: ajassa n 'ei ole virtaussuuntaa.
Useita käsitteellisiä ja käytännöllisiä ongelmia syntyy kuitenkin siitä XVIII nnen ja XIX th vuosisatoja, varsinkin kun kehitystä höyrykoneita . Yksi suurimmista ongelmista on lämpö . Kaikki kokeet osoittavat, että tämä siirtyy kuumasta kehosta kylmään, ja niin kauan kuin lämpötilat eivät ole samat. On siis harhaa odottaa kylmän ruumiin luovuttavan lämpöä kuumalle keholle: kun siirto on tehty, se on peruuttamaton. Toinen keskeinen havainto peruuttamattomuudesta on tämä: vaikka on erittäin helppoa saada lämpöä mekaanisella työllä (näin esivanhempamme sytyttivät tulen, hieromalla kuivaa puuta), näyttää siltä, että on paljon vaikeampaa muuttaa tämä sama lämpö työksi (sinä ei voi siirtää sauvaa kuivaa puuta esimerkiksi sytyttämällä sitä). Siksi on edelleen peruuttamattomuutta.
Siitäkin huolimatta fysiikan mekanistisen lähestymistavan kannattajien on vaikea hyväksyä kyseenalaistamista evoluutioiden täydellisestä palautuvuudesta. Maxwellin kaltaiset fyysikot yrittävät paljastaa paradokseja tai kehittää ajatuskokeita, jotka kykenevät osoittamaan fysiikan peruuttamattomuuden ristiriidat (ks. Erityisesti Joule ja Gay-Lussac ja Maxwellin demoni ).
Ongelmat ovat klassisen mekaniikan mikroskooppisessa tai hiukkasmaisessa lähestymistavassa, jossa tutkitut kohteet ovat aineellisia pisteitä tai muuten pistejoukot, joiden sisäinen rakenne on helposti unohdettavissa (kuten planeetan liikkuminen kosmoksessa). Tässä mittakaavassa ja tämän tyyppisille kohteille, joita tutkitaan erikseen, fysiikka näyttää todella palautuvalta. Siirtyminen lukuisiin esinejoukoihin aiheuttaa useimmiten peruuttamattomien ilmiöiden ilmaantumisen: tätä kutsutaan siirtymiseksi termodynaamiseen rajaan .
Yksinkertaisin esimerkki koskee kaasuja. Vaikka on mahdollista määrittää suuri määrä kaasujen ominaisuuksia tarkastelemalla kutakin hiukkasia pisteinä ja käyttämällä yksinomaan klassista mekaniikkaa, kaikki kaasujen transformaatiot ovat peruuttamattomia ja suurinta osaa selittämättömiä ilman termodynamiikkaa.
Teoreettiset selitykset, joiden avulla voidaan ymmärtää moniin mikroskooppisiin kohteisiin sovellettavan transformaation peruuttamattomuus palautuvassa yksilöllisessä evoluutiossa, annetaan tilastollisen fysiikan ja kaaositeorian avulla .
Ajan myötä lisääntyvä entropia on ainoa tunnettu nuoli . Entopia ja siten myös aika eivät vaikuta ei-termodynaamisiin järjestelmiin. Kaikki on heille käännettävissä. Tämä havainto saa jotkut fyysikot sanomaan, että aikaa ei ole olemassa yhden hiukkasen tasolla.
Termodynamiikka, joka tulkitsee makroskooppiset ilmiöt niiden mikroskooppisista syistä, on mahdollistanut peruuttamattomuuden tiukemman käsittelyn laajentamalla tiettyjä klassisen mekaniikan (erityisesti energian ) käsitteitä ja lisäämällä uusia periaatteita ( toinen termodynamiikan periaate ).
Todelliset muunnokset ovat peruuttamattomia lähinnä hajoavien ilmiöiden takia. Järjestelmä ei voi spontaanisti "palata". Termodynamiikassa tämä virallistetaan toisen periaatteen puitteissa entropian luomistermillä, joka kuvaa sitä tosiasiaa, että globaali häiriö (järjestelmä + ympäristö) lisääntyy tai jopa osa järjestelmästä tiedoista on kadonnut. Järjestelmän on täysin mahdollista palata tilaan välittömästi ennen peruuttamatonta muutosta, mutta tämä edellyttää ulkopuolisen käyttäjän toimintaa.
Toisen periaatteen moderni ilmaisu muodostaa tämän entropian luomisen ja mahdollistaa kvantifioida muutoksen peruuttamattomuuden. Kaikille suljetuille järjestelmille entropian vaihtelu muunnoksen aikana voidaan kirjoittaa:
Entropian ja informaatioteorian tilastollinen tulkinta (erityisesti Shannonin entropian kanssa ) tarjoaa tulkintoja myös muutosten peruuttamattomuudesta. Hän vastaa:
Käänteisen transformaation teoreettiset ehdot ovat seuraavat:
Tarkemmin sanottuna voimme sanoa, että palautuva muunnos on ihanteellinen malli , jolle suurten määrien vaihto on melkein staattista, ja se suoritetaan useissa vaiheissa niin, että yhdistettyjen intensiivisten määrien epätasapaino saavutetaan hyvin pienin askelin, ja hajottavien ilmiöiden puuttuessa. Sopivissa koeolosuhteissa on hyvin usein mahdollista lähestyä tätä mallia.
Tarkastellaan palautuva isoterminen muutos , joka sopii kaasua alkaa alkutilasta määritellään tilamuuttujien : p (A), V (A), T, n saapua lopullista tasapainoa tila B määritellään seuraavasti: p (B), V (B), T, n .
Alkeis ilmaus työtä paineen voimat on: .
missä p loc on paikallisesti kaasun paine rajapinnassa ulkoisen ympäristön kanssa (usein mäntä). Jos muunnos on palautuva, liike on riittävän hidasta, jotta paine homogenoituu kaasussa kohdassa p = p loc . Lisäksi jokaisessa hetkessä järjestelmä on tasapainossa ja sitä voidaan kuvata sen tilayhtälöllä . Jos kaasu on täydellinen:
Muunnoksen aikana tehty työ vastaa integraalia, joka on määritelty tilavuuden vaihtelulle välillä V (A) ja V (B) .
Muunnoksen palautuvuus sallii tämän laskennan. Kaikille muunnoksille, joissa p ≠ p loc on tarpeen kirjoittaa kaasun ja ulkoisen väliaineen erottavan männän energiansäästö:
kanssa W ext työn ulkoiset voimat kohdistetaan männän ja E K, mäntä kineettinen energia männän. Näin ollen riittää, että kaasun painovoimien työ on yhtä suuri kuin ulkoinen työ. Tämä tasa-arvo saavutetaan, kun mäntä alkaa ja päättyy nollanopeudella; esimerkiksi ihanteellisen kaasun murskaamisen aikana raskas mäntä (peruuttamaton).
On kiinteä runko lämpökapasiteetti vakio c , ja ensimmäinen lämpötila T . Sen sisäinen energia on U (T) = T c ja sen entropia S (T) = T c Ln . Tämä runko saatetaan kosketuksiin lämpötilan lähteen kanssa T '= T x . Sen lopullinen lämpötila tasapainossa on siis T ' ja se on vaihtanut lähteen kanssa lämpöä Q = c (T'-T) = c T (x-1) .
Entropian vaihtelun tutkimusMeillä on alkutilan ja lopullisen tilan välillä seuraava entropian vaihtelu:
Lähteen kanssa lämpötilassa T ' vaihdettu entropia on määritelmän mukaan:
Muunnoksen aikana syntynyt entropia on siis toisen periaatteen mukaan:
Siksi evoluutio on aina peruuttamaton loppu- ja alkulämpötilasta riippumatta.
Kvasi-staattinen muutosVoimme nyt kuvitella muutoksen, joka edelleen johtaa kiinteän kappaleen samasta alkulämpötilasta T samaan lopulliseen lämpötilaan T ', mutta asettamalla kehon peräkkäin kosketuksiin sarjan i- lämmönlähteiden kanssa lämpötiloissa, jotka vaihtelevat vähitellen T: stä T: een .
Koska S on tilafunktio, joka riippuu vain alku- ja loppuolosuhteista, entropian vaihtelu pysyy muuttumattomana:
Kehon lämmönlähteen i kanssa vaihtama entropia lämpötilassa on yhtä suuri kuin:
Jos katsomme, että muunnos suoritetaan lähes staattisella tavalla, vaiheiden määrä, toisin sanoen i , pyrkii kohti ääretöntä. Tässä tapauksessa lämpötilaero on äärettömän pieni ja me poseeramme .
Kehon vaihtama entropia on kunkin lähteen kanssa vaihdettujen entropioiden summa:
Jotta i taipumus äärettömyyteen sekä äärimmäisiä lämpötiloja T ja T " meillä on:
Ja lopuksi löydämme tälle lähes staattiselle muutokselle raja-arvon luoman entropian:
siksi muunnos on yleensä palautuva lähes staattisen muunnoksen kannalta.
Vuonna lämpökemia käsite palautumattomuuden on läsnä myös merkittävällä tavalla. Mikään kemiallinen muutos ei todellakaan ole palautuva, ja luotu entropia on aina tiukasti positiivinen. Tämä johtuu tosiasiasta, että mikä tahansa fysikaalis-kemiallinen järjestelmä kehittyy kohti tasapainotilaa , jossa kemiallinen reaktio kompensoidaan käänteisellä reaktiolla (lukuun ottamatta tapausta, jossa tasapaino rikkoutuu esimerkiksi joko regeneroimalla lähtöaineen reagenssi). tai eliminoimalla reaktion tuote, kun se muodostuu ...). Ennen tämän tasapainon saavuttamista järjestelmän komponentit ovat vähemmän vakaassa tilassa, eikä voida kuvitella, että reaktiojärjestelmä palaa alkutilaan ilman ulkoisen ympäristön puuttumista.