Когда теплота может совершать работу?

В механике понятие энергии тесно связано с понятием работы. Работа, произведенная над частицей, снабжает частицу энергией, а частица, обладающая энергией, может совершать работу. Маятник при максимальном отклонении на миг останавливается — в этот момент его кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная энергия максимальна. В вертикальном же положении потенциальная энергия маятника минимальна, а его кинетическая энергия максимальна. Если маятник ударяет по бильярдному шару, он может совершить над шаром работу, в результате чего шар может начать двигаться в сторону боковой лузы. Закон сохранения энергии в механике напоминает бухгалтерский баланс. Энергия, которая поступает в систему, равна энергии, выходящей из нее. Энергия, обобщенная на случай электрической или других форм движения, обладает тем же свойством, хотя она определяется теперь несколько более сложным образом. Электрическая энергия может превращаться в механическую и т. п.; энергия легко переходит в работу. Однако, когда речь заходит о теплоте, обнаруживаются новые и неожиданные эффекты.

Механическая энергия, электрическая энергия или их эквивалент, работа, могут легко превращаться в тепло — это очевидно. Мы точно знаем (благодаря работам Джоуля), какую нужно совершить работу, чтобы выделилось заданное количество теплоты: 4,18 Дж соответствуют 1 кал. Такой процесс нетрудно осуществить: достаточно потереть свои ладони или две сухие палочки в лесу.

Совершенно иначе обстояло дело с обратным процессом. Его изучение привело к представлению, которое возбудило, как и многое другое в физике, широкий общественный резонанс. Этому представлению сопутствовал налет тайны и романтизма, некоторые сочли его причиной упаднических настроений, свойственных девятнадцатому веку и особенно хорошо выраженных у Генри Адамса. Это представление связывали с разочарованностью в прогрессе общества, которое, мол, не стремится к совершенству, а скатывается к посредственности — своего рода культура с телевидением, но без гениев, архитектура с коттеджами в городских предместьях, но без Собора Парижской Богоматери. Это же представление породило мрачные видения тепловой смерти Вселенной. Суинберн так описывает тепловую смерть (буквальный перевод):

Ни звезды, ни Солнце не встанут —

Не будет вовсе света,

Ни шума вод журчащих —

Ни звука, ни виденья,

Ни зимней листвы, ни весенней,

Ни дней, ни дел дневных —

Только сон бесконечный

В вечной ночи.

Вопрос, приведший к появлению представления, которое вызвало такую бурю эмоций и столь пессимистические настроения, на первый взгляд кажется довольно простым. При каких условиях форма энергии, названная нами теплотой, может быть преобразована в работу?