กระบวนการกลับไม่ได้

อุณหพลศาสตร์กำหนดพฤติกรรมทางสถิติของเอนทิตีจำนวนมากซึ่งพฤติกรรมที่แน่นอนนั้นกำหนดโดยกฎหมายที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น เนื่องจากกฎพื้นฐานทางทฤษฎีของฟิสิกส์นั้นย้อนเวลาได้ทั้งหมด^[8]อย่างไรก็ตามจากการทดลองแล้วความน่าจะเป็นของความสามารถในการย้อนกลับได้จริงนั้นต่ำการคาดการณ์ล่วงหน้าในอดีตสามารถเป็นจริงได้และ / หรือสถานะในอดีตกลับคืนสู่ระดับที่สูงขึ้นหรือต่ำลงเท่านั้น (ดู: หลักการความไม่แน่นอน ) ความสามารถในการย้อนกลับของอุณหพลศาสตร์จะต้องมีลักษณะทางสถิติ นั่นคือมันจะต้องไม่น่าเป็นไปได้อย่างมาก แต่ก็เป็นไปไม่ได้ที่ระบบจะลดเอนโทรปีลง

นักฟิสิกส์เยอรมันรูดอล์ฟ Clausiusในยุค 1850 เป็นครั้งแรกที่ทางคณิตศาสตร์จำนวนการค้นพบของกลับไม่ได้ในธรรมชาติผ่านการแนะนำของเขาจากแนวคิดของเอนโทรปี ในบันทึกความทรงจำของเขาในปี 1854 "ในรูปแบบที่ปรับเปลี่ยนของทฤษฎีบทพื้นฐานที่สองในทฤษฎีกลแห่งความร้อน" Clausius กล่าว:

ยิ่งไปกว่านั้นอาจเกิดขึ้นแทนที่การส่งผ่านความร้อนจากมากไปน้อยที่มาพร้อมกับในกระบวนการเดียวและกระบวนการเดียวกันการส่งผ่านจากน้อยไปมากการเปลี่ยนแปลงถาวรอื่นอาจเกิดขึ้นซึ่งมีลักษณะเฉพาะของการไม่สามารถย้อนกลับได้โดยไม่ถูกแทนที่ด้วยการเปลี่ยนแปลงถาวรใหม่ ชนิดที่คล้ายกันหรือทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนจากมากไปน้อย

เพียงแค่ Clausius กล่าวว่าเป็นไปไม่ได้ที่ระบบจะถ่ายเทความร้อนจากร่างกายที่เย็นกว่าไปยังร่างกายที่ร้อนกว่า ตัวอย่างเช่นกาแฟร้อนหนึ่งถ้วยที่วางไว้ในบริเวณที่มีอุณหภูมิห้อง(~ 72 ° F)จะถ่ายเทความร้อนไปยังบริเวณโดยรอบและจะเย็นลงเมื่ออุณหภูมิของห้องเพิ่มขึ้นเล็กน้อยถึง ( ~ 72.3 ° F ) อย่างไรก็ตามกาแฟเริ่มต้นถ้วยเดียวกันนั้นจะไม่ดูดซับความร้อนจากสภาพแวดล้อมทำให้มันร้อนขึ้นโดยอุณหภูมิของห้องจะลดลงถึง ( ~ 71.7 ° F ) ดังนั้นกระบวนการทำให้กาแฟเย็นลงจึงไม่สามารถย้อนกลับได้เว้นแต่จะมีการเพิ่มพลังงานเพิ่มเติมให้กับระบบ

อย่างไรก็ตามความขัดแย้งเกิดขึ้นเมื่อพยายามที่จะกระทบยอด microanalysis ของระบบด้วยการสังเกตของมหภาค กระบวนการหลายอย่างสามารถย้อนกลับทางคณิตศาสตร์ได้ในสถานะไมโครเมื่อวิเคราะห์โดยใช้กลศาสตร์นิวตันคลาสสิก ความขัดแย้งนี้ทำให้เกิดการอธิบายด้วยกล้องจุลทรรศน์อย่างชัดเจนเกี่ยวกับแนวโน้มของการวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่มีต่อสภาวะสมดุลเช่นข้อโต้แย้งของJames Clerk Maxwell ในปี 1860 ที่ว่าการชนกันของโมเลกุลทำให้อุณหภูมิของก๊าซผสมมีความเท่าเทียมกัน ^[9]ตั้งแต่ปีพ. ศ. 2415 ถึง พ.ศ. 2418 ลุดวิกโบลต์ซมันน์ได้เสริมคำอธิบายทางสถิติของความขัดแย้งนี้ในรูปแบบของสูตรเอนโทรปีของ Boltzmann ที่ระบุว่าเนื่องจากจำนวนไมโครสเตตที่เป็นไปได้ของระบบอาจเพิ่มขึ้นทำให้เอนโทรปีของระบบเพิ่มขึ้นและจะน้อยลง มีแนวโน้มว่าระบบจะกลับสู่สถานะก่อนหน้านี้ สูตรของเขาหาปริมาณงานที่ทำโดยวิลเลียมทอมสันบารอนเคลวินที่1ซึ่งเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่า:

สมการของการเคลื่อนที่ในพลศาสตร์เชิงนามธรรมสามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์แบบ คำตอบใด ๆ ของสมการเหล่านี้จะยังคงใช้ได้เมื่อตัวแปรเวลา t ถูกแทนที่ด้วย –t ในทางกลับกันกระบวนการทางกายภาพไม่สามารถย้อนกลับได้ตัวอย่างเช่นแรงเสียดทานของของแข็งการนำความร้อนและการแพร่กระจาย อย่างไรก็ตามหลักการกระจายพลังงานเข้ากันได้กับทฤษฎีโมเลกุลซึ่งอนุภาคแต่ละตัวอยู่ภายใต้กฎของพลวัตนามธรรม

^{[10] [11]}

คำอธิบายของระบบกลับไม่ได้อีกถูกนำเสนอโดยนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศสอองรีPoincaré ในปี 1890 เขาได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกของเขาคำอธิบายของการเปลี่ยนแปลงเชิงเรียกว่าทฤษฎีความโกลาหล การนำทฤษฎีความโกลาหลไปใช้กับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ความขัดแย้งของการย้อนกลับไม่ได้สามารถอธิบายได้ในข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับการปรับขนาดจากไมโครสเตตไปจนถึงมหภาคและระดับของอิสระที่ใช้ในการสังเกตการณ์เชิงทดลอง ความไวต่อสภาวะเริ่มต้นที่เกี่ยวข้องกับระบบและสภาพแวดล้อมที่สารประกอบไมโครสเตตในนิทรรศการลักษณะที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ภายในขอบเขตทางกายภาพที่สังเกตได้ ^[12]

กระบวนการอะเดียแบติกที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ : หากกระบอกสูบเป็นฉนวนที่สมบูรณ์แบบจะไม่สามารถเข้าถึงสถานะเริ่มต้นด้านซ้ายบนได้อีกต่อไปหลังจากเปลี่ยนเป็นสถานะทางด้านขวาบนแล้ว แต่จะถือว่าสถานะทางด้านล่างซ้ายเมื่อกลับไปที่ความดันเดิมเนื่องจากพลังงานถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน

ในขอบเขตทางกายภาพมีกระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้จำนวนมากซึ่งไม่สามารถบรรลุประสิทธิภาพ 100% ในการถ่ายเทพลังงานได้ ต่อไปนี้เป็นรายการเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเองซึ่งมีส่วนทำให้กระบวนการไม่สามารถย้อนกลับได้ ^[13]

• การเกิด (การคลอดบุตรในมนุษย์)
• ความชรา
• ความตาย
• การถ่ายเทความร้อนผ่านความแตกต่างของอุณหภูมิที่ จำกัด
• แรงเสียดทาน
• การเปลี่ยนรูปพลาสติก
• การไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านความต้านทาน
• การสะกดจิตหรือโพลาไรซ์ด้วยฮิสเทอรีซิส
• การขยายตัวของของเหลวอย่างไม่ จำกัด
• ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเอง
• การผสมสสารขององค์ประกอบ / สถานะที่แตกต่างกันโดยธรรมชาติ

การขยายจูลเป็นตัวอย่างของเทอร์โมไดนามิกส์คลาสสิกเนื่องจากง่ายต่อการหาผลลัพธ์ที่เพิ่มขึ้นของเอนโทรปี มันเกิดขึ้นเมื่อปริมาตรของก๊าซถูกเก็บไว้ในด้านหนึ่งของภาชนะที่แยกความร้อน (ผ่านพาร์ติชันเล็ก ๆ ) โดยที่อีกด้านหนึ่งของภาชนะจะถูกอพยพออกไป จากนั้นพาร์ติชันระหว่างสองส่วนของภาชนะจะเปิดขึ้นและก๊าซจะเติมเต็มภาชนะทั้งหมด พลังงานภายในของก๊าซยังคงเท่าเดิมในขณะที่ปริมาตรเพิ่มขึ้น ไม่สามารถกู้คืนสถานะเดิมได้โดยการบีบอัดก๊าซให้เป็นปริมาตรเดิมเนื่องจากพลังงานภายในจะเพิ่มขึ้นจากการบีบอัดนี้ สถานะดั้งเดิมสามารถกู้คืนได้โดยการระบายความร้อนของระบบบีบอัดใหม่เท่านั้นและด้วยเหตุนี้จึงทำให้สภาพแวดล้อมร้อนขึ้นอย่างไม่สามารถย้อนกลับได้ แผนภาพทางด้านขวาจะใช้เฉพาะในกรณีที่ส่วนขยายแรกเป็น "อิสระ" (การขยายจูล) กล่าวคือไม่มีความดันบรรยากาศภายนอกกระบอกสูบและไม่มีการยกน้ำหนัก

ความแตกต่างระหว่างเหตุการณ์ที่ย้อนกลับได้และย้อนกลับไม่ได้มีคุณค่าที่อธิบายได้โดยเฉพาะในระบบที่ซับซ้อน (เช่นสิ่งมีชีวิตหรือระบบนิเวศ ) ตามที่นักชีววิทยาHumberto MaturanaและFrancisco Varelaระบุว่าสิ่งมีชีวิตมีลักษณะเป็นautopoiesisซึ่งทำให้สามารถดำรงอยู่ต่อไปได้ รูปแบบดั้งเดิมของตัวเองจัดระบบได้รับการอธิบายโดยนักฟิสิกส์และนักเคมีIlya Prigogine ในบริบทของระบบที่ซับซ้อนเหตุการณ์ที่นำไปสู่การสิ้นสุดของกระบวนการจัดระเบียบตัวเองบางอย่างเช่นความตายการสูญพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตหรือการล่มสลายของระบบอุตุนิยมวิทยาถือได้ว่าไม่สามารถย้อนกลับได้ แม้ว่าจะสามารถพัฒนาโคลนที่มีหลักการขององค์กรเดียวกันได้ (เช่นโครงสร้างดีเอ็นเอที่เหมือนกัน) แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าระบบที่แตกต่างกันในอดีตจะกลับมามีชีวิตอีกครั้ง เหตุการณ์ที่ความสามารถในการจัดระเบียบตนเองของสิ่งมีชีวิตชนิดพันธุ์หรือระบบที่ซับซ้อนอื่น ๆ สามารถปรับตัวได้เช่นการบาดเจ็บเล็กน้อยหรือการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมทางกายภาพนั้นสามารถย้อนกลับได้ อย่างไรก็ตามการปรับตัวขึ้นอยู่กับการนำเข้านิเจนโทรปีเข้าสู่สิ่งมีชีวิตซึ่งจะเป็นการเพิ่มกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในสภาพแวดล้อมของมัน ^[14]หลักการทางนิเวศวิทยาเช่นเดียวกับความยั่งยืนและหลักการป้องกันไว้ก่อนสามารถกำหนดได้โดยอ้างอิงถึงแนวคิดของการย้อนกลับได้ ^{[15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24]}

• การผลิตเอนโทรปี
• เอนโทรปี (ลูกศรแห่งเวลา)
• Exergy
• กระบวนการย้อนกลับได้ (อุณหพลศาสตร์)
• ฟังก์ชั่นทางเดียว
• อุณหพลศาสตร์ที่ไม่สมดุล
• สมมาตรทำลาย