Первый решительный вклад был сделан в 1824 году французом Сади Карно, который под влиянием скорее всего своего отца Лазаря Карно, имевшего опыт в сфере инженерии тепловых машин, а не в результате знания физических теорий, сформулировал описания паровых двигателей, которые десятилетиями позже стали описаниями первого и второго законов термодинамики.

Первый закон термодинамики касается общего количества энергии в мире. Это количество является постоянным. Энергия не появляется и не исчезает, когда мы ее «потребляем». Мы можем конвертировать энергию угля в горячий пар или нефти в тепло — но задействованная при этом энергия просто переходит из одной формы в другую.

Это входит в противоречие с повседневным значением слова «энергия», которое мы применяем по отношению к тому, что мы потребляем. Мы говорим: «Страна имеет определенный уровень энергопотребления». Но на самом деле это не имеет смысла, если брать во внимание определение энергии, которое дают физики. Страна переводит одну форму энергии в другую. Нефть в тепло, к примеру. Но общее количество энергии остается неизменным.

Однако наш повседневный язык вовсе не настолько глуп, так как очевидно: когда мы обогреваем свои дома, нечто все же расходуется — вернуть обратно нефть нам не удастся.

Так что, когда мы «потребляем» энергию, что-то все же происходит, даже если первый закон термодинамики и утверждает: количество энергии в мире — величина постоянная, и энергия не может быть использована. Ведь второй закон термодинамики объясняет, что энергия может быть использована.

Второй закон термодинамики говорит нам, что энергия может появляться в более или менее пригодной для использования форме. Некоторые формы энергии позволяют нам проделать огромное количество полезной работы с помощью машины, которая может иметь к ней доступ. Мы можем выполнять такие виды работы, как обогревание жилища, обеспечение энергии для движения поезда или работы пылесоса.

Энергия существует во многих формах, и несмотря на то, что количество этой энергии остается постоянным, формы, в которых она представлена, определенно не остаются таковыми. Некоторые формы энергии могут применяться для выполнения различных видов полезных работ. Одна из наиболее полезных форм энергии — это электричество. Другие формы не могут быть использованы с такой же легкость. К примеру, тепло, как правило, не применяется для чего-либо за исключением обогрева.

Но, разумеется, тепло можно применять и для решения более специфических задач, нежели просто «обогрев». Тепло может служить в качестве движущей силы парового локомотива. Но снабжать локомотив энергией за счет тепла будет не столь же эффективно, как используя электричество в качестве источники энергии. Если применять тепло, то требуется большее количество энергии, причем эта энергия будет отличаться низким качеством.

Паровые двигатели заставили людей осознать, что энергия может присутствовать и при этом не быть доступной. Тепло — это форма энергии, которая не отличается столь же высокой доступностью, как электричество. Чтобы заставить поезда двигаться, нам потребуется конвертировать большее количество тепловой энергии. Мы не потребляем при этом больше энергии, так как потребить энергию невозможно, что бы мы ни делали и ни говорили. Но при использовании энергии в форме тепла тратится понапрасну гораздо большая ее часть, нежели при использовании ее в форме электричества. Другими словами, конвертируется больше энергии.

Очень точно это описывает второй закон термодинамики. Он говорит нам, что каждый раз, когда мы конвертируем энергию («потребляем» энергию, как мы привыкли говорить), она становится менее доступной — с ее помощью мы можем сделать меньше работы. Дело обстоит именно так, говорит нам второй закон: любая конверсия энергии приводит к тому, что энергия становится менее доступной, чем была до этого. (Есть несколько очень специфических случаев, когда энергия может быть конвертирована с возможностью обратной конверсии, но их можно встретить в основном в учебниках, а не в обычной жизни).

Энергия в мире — величина постоянная, но она становится все менее и менее ценной — менее и менее доступной — по мере того, как мы ее используем все больше и больше.

Итак, законы термодинамики утверждают, что энергия — это постоянная величина, но она становится все менее и менее доступной. В конце 19 века эти два закона привели к тому, что люди начали верить: мир ожидает зловещее будущее. Ведь чем больше энергии мы конвертируем, тем менее доступной она становится, и в конце концов вся энергия превратится в тепловую — наименее доступную из всех форм.

Люди назвали это «тепловой смертью» Вселенной: вся энергия в конце концов превратится в нечто однородное и едва теплое, и из подобной энергии уже нельзя будет извлечь никакой пользы.

Практика использования паровых двигателей ясно показывает, что тепло можно использовать для выполнения работы только в том случае, если присутствует разница — разница между двумя температурами. Только потому, что бойлер парового двигателя значительно горячее, чем окружающая температура, он может привести поезд в движение. Полезную работу за счет использования тепла можно получить только в том случае, если горячее удастся снова охладить. Но когда мы охлаждаем что-то горячее до температуры окружающей среды, это неминуемо будет иметь последствия: мы не сможем разогреть это снова без использования энергии. Как только ваш кофе остывает (после того, как вы нагрели его с помощью электричества, на котором работает ваша плитка), оно никогда не нагреется снова само по себе (пока вы снова не включите электричество). Разница в уровне температур уничтожается необратимо.

Таким образом, второй закон термодинамики говорит нам, что мы живем в мире, где все стремится к подобию, однородности, серости и умеренной температуре — к тепловой смерти Вселенной. Если бы дело обстояло не так, профессия инженера была бы гораздо более счастливой. В конце концов, в мире предостаточно энергии, и она никуда не исчезает. Мы могли бы снова и снова использовать одну и ту же энергию. Мы могли бы без всякого промедления создать машины на принципе вечного движения. Но извините, так не получится. Это говорит нам второй закон термодинамики.

В 1859 году прусский физик Рудольф Клаузевиц дал этому явлению название — энтропия. Энтропия — это мера, определяющая количество доступной энергии. Чем больше энтропия, тем меньше энергии мы можем использовать. Два закона термодинамики можно выразить другим способом: согласно первому закону, энергия постоянна, а согласно второму — энтропия постоянно возрастает. Каждый раз, когда мы конвертируем энергию, энтропия системы, в которой конвертируется энергия, растет.

Но это так и не объясняет, что же такое на самом деле тепло — зато частично объясняет то, почему тепло является настолько особенной формой энергии: в тепле много энтропии, намного больше, чем в электрическом токе.

Но вскоре развилось и понимание того, что такое тепло. Самый значительный вклад в это внесли Джеймс Кларк Максвелл и Людвиг Больцман. Они осознали, что старая идея может быть сформулирована более точно: идея о том, что тепло является одной из форм движения внутри материи. Предпосылкой для этого стала теория атомов — идея о том, что материя состоит из огромного числа крошечных частиц, которые находятся в постоянном движении.

Атомная теория в конце прошлого века не была еще признана повсеместно — но сегодня ясно, что вся материя состоит из атомов, которые находятся в постоянном движении. Атомы объединяются в небольшие группы — молекулы, и каждый вид материи состоит из определенного типа молекул, созданных из различного числа существующих 92 видов атомов. Но существуют различные виды движения. Твердые тела поддерживают постоянную форму, несмотря на то, что их молекулы находятся в движении; жидкости более податливы и принимают форму дна того сосуда, в котором они находятся; газы полностью мобильны, заполняя весь контейнер. Существуют три состояния, или фазы, в которых может находиться материя: твердое, жидкое и газообразное. (На самом деле есть еще и четвертое состояние — плазма, в котором атомы разбиваются на частицы. В повседневной жизни это состояние материи знакомо нам в качестве огня).

Разница между этими тремя состояниями не настолько велика, как можно было бы подумать. На примере одного вещества, H₂O (которое состоит из атома кислорода — О- и атомов водорода — Н —, последних содержится два на молекулу) мы знакомы со всеми тремя состояниями вещества: лед, вода и пар. При низких температурах молекулы передвигаются очень медленно. Структура поддерживается в постоянной форме. Если температура немного повышается, молекулы начинают двигаться быстрее и могут меняться местами друг с другом, но они все еще держатся вместе. При температуре выше 100 градусов Цельсия все молекулы разделяются и начинают свободно перемещаться в форме пара — как газ. Переход между этими тремя состояниями или фазами носит название «фазовый переход». При всех движениях, которые совершаются при повышении тепла, молекулы движутся хаотично, туда-сюда. Движение, вызванное выделением тепла, не имеет направления.

Но тепло — это не единственная форма движения материи: электрический ток также является проявлением движения. Но в случае электричества не все молекулы движутся беспорядочно. У электрического тока имеется одна составляющая атомов молекулы — отрицательно заряженный электрон — который движется в определенном направлении. При возникновении электрического тока наблюдается больше порядка, чем при хаотическом тепловом движении. Аналогично атмосферный ветер является иным, нежели тепло, проявлением: огромное количество молекул движется в определенном направлении, вместо того, чтобы просто топтаться на месте друг вокруг друга. Вот почему ветряные мельницы являются разумным способом производства электричества, в то время как атомные и работающие на нефти электростанции не столь элегантны — ведь на них применяется топливо, которое нагревает воду, движущую турбины. Обходной путь с использованием горячей воды — это высокая цена, которую приходится платить за излюбленные игрушки инженеров.