Теперь вы знаете, что, располагая запасом тепловой энергии, можно сделать что-нибудь полезное, например заставить ехать антиавтомобиль. Изучением движения занимается наука механика, поэтому энергию, приводящую в движение автомобиль, принято называть механической. Мы установили, что тепловая энергия на самом деле никакая не тепловая, а обычная механическая, иначе говоря, кинетическая энергия движущихся молекул. Правда, с одной существенной оговоркой. Считается, что тело не обладает никакой другой энергией, кроме тепловой, если молекулы двигаются беспорядочно и сумма их количеств движения равна нулю. Условие равенства нулю суммы количеств движения при неравной нулю тепловой энергии — это и есть более строгая формулировка представления о полной беспорядочности движения молекул. При этом тело, конечно, может обладать еще химической, электрической или атомной энергией, но если эти виды энергии в течение некоторого времени не преобразуются в тепло, на это время можно просто о них забыть. Вспомним о них мы в следующих главах. Механическая энергия физических тел бывает двух видов: кинетическая и потенциальная. Различие между ними усмотреть не так просто, как кажется на первый взгляд. Пока будем считать, что кинетической энергией обладают движущиеся тела, а потенциальной — неподвижные. Движущееся тело — это такое тело, у которого сумма количеств движения всех его молекул не равна нулю. Сумма количеств движения — вектор, и направление этого вектора в каждый момент времени совпадает с направлением движения тела.
Каков же вывод из смазанного? Механическая энергия движущегося тела — это энергия частично упорядоченного движения молекул. Преобразовать тепловую энергию в механическую — это значит навести среди беспорядочно движущихся молекул частичный порядок. Как и при каких условиях это можно сделать?
Взаимные преобразования тепловой и механической энергии интересовали ученых с глубокой древности, но только к середине XIX века в этот вопрос была внесена полная ясность. Понадобилось выполнить огромное количество опытов, в частности опытов Джоуля, которые он проводил в течение тридцати лет. Привлекались и мысленные модели, в том числе так называемые циклы Карно, предложенные французским инженером Сади Карно. Сегодня циклы Карно приводятся во всех учебниках термодинамики. Циклы Карно положены в основу индикаторных диаграмм, с помощью которых описывается работа двигателей внутреннего сгорания и турбин.
На этом фоне нам особенно приятно показать, насколько просто решается вопрос о взаимных преобразованиях тепловой и механической энергии, если пользоваться понятиями энтропии, энергии и количества движения. Рассмотрим некоторую теплоизолированную физическую систему. Для начала будем считать, что система находится в равновесии, т.е. энтропия равна своему максимально возможному значению, температура постоянна и одинакова во всех точках системы. Что означает для такой системы совершить некоторое количество механической работы или отдать часть своей энергии, преобразовав ее предварительно в какой-либо другой вид (кроме теплового, ведь система теплоизолирована)?
Это значит уменьшить энтропию. Поскольку приращение энтропии равно приращению энергии, поделенному на температуру, при постоянной температуре уменьшение энергии (отрицательное приращение) неизбежно должно сопровождаться уменьшением энтропии. Однако согласно второму началу термодинамики энтропия не может самопроизвольно уменьшаться. Отсюда первый вывод: в теплоизолированной системе, находящейся в равновесии, невозможно преобразование даже самой малой части ее тепловой энергии в какой-либо другой вид энергии.