Понятие о внутренней энергии, теплоте, работе системы молекул газа. Первое и второе начала термодинамики.

Как мы уже установили в разделе 2, внутренняя энергия U – энергия теплового (беспорядочного) движения молекул. Теплота Q – мера перехода внутренней энергии от одного тела к другому. Работа A – мера перехода энергии от одного тела (системы) к другому. Все эти величины переходят друг в друга. Тепло, подведенное к газу в цилиндр под поршнем тратится на увеличение его внутренней энергии dU и на работу газа над системой δA. То есть  dQ = dU + δA  – первое начало термодинамики – закон сохранения и превращения энергии.

Остановимся подробнее на тепловых явлениях. Здесь лишь после введения Ньютоном понятия о фундаментальных силах оказалось возможным сравнивать различного вида силы и энергии и прийти к закону её (энергии) сохранения. Эта концепция позволила установить эквиваленты перехода одних видов энергии в другие: тепловой в механическую, механической в электрическую и так далее. Но оказалось, что если всю механическую энергию можно превратить в тепловую, то наоборот никогда не получится. Карно (1824) предложил модель идеальной тепловой машины с наибольшим КПД. Рабочее тело в ней – идеальный газ под поршнем в цилиндре (рис.8 ).

Коэффициент полезного действия такой машины равен отношению полезной работы к полученной от нагревателя теплоте и он равен (Тн-Тх)/Тн, где Тн и Тх – температуры нагревателя и холодильника. Оказалось, что получать полезную работу можно ценой неизбежной отдачи части тепла холодильнику. При выравнивании температуры Тн и Тх (т.е. при Тн = Тх) тепло в работу уже не превратить. Значит, в состоянии термодинамического равновесия температура везде одинакова и наступает «тепловая смерть» для изолированной системы.

Но Вселенная не изолированная система и на неё этот закон не распространяется. Вселенная – открытая система, поэтому она, по Пригожину, эволюционирует и самоорганизуется. При этом самоорганизация носит статистический характер.