Первоначальная цель Карно — построить как можно более хорошую паровую машину, способную получить максимум энергии из данного количества топлива. Но он не знает, как этого добиться.

Карно начинает с того, что говорит себе: допустим, я построил такую машину. В чём же проявится её преимущество перед реальными машинами? Чтобы понять это, он решает мысленно сравнить работу выдуманной им машины и реальной. Пусть, думает он, они работают в одинаковых условиях, от общего котла, с общим холодильником, а я проанализирую, почему одна машина работает лучше другой.

И тут Карно почувствовал беспокойство: если эти машины заставить работать в паре одна с другой, лучшая сможет компенсировать потери в худшей, не правда ли? Более того, если одна машина лучше другой вдвое, то, затратив половину вырабатываемой энергии на совершение внешней работы, другую половину она сможет потратить на то, чтобы поддерживать работу худшей машины! Выходит, что, получив первоначальный толчок, такая система из двух машин может в дальнейшем обойтись без топлива?!

Карно отчётливо понял, что эти рассуждения привели его в лагерь авантюристов — он изобрёл вечный двигатель! Но ведь вечный двигатель невозможен. Значит? Единственный логичный вывод: в этой паре не может быть лучшей машины. Все тепловые машины, работающие от общего котла и с общим холодильником, одинаково эффективны. Повысить КПД тепловых машин выше определённого предела невозможно. Заслуга Карно в том, что он ясно понял: дело не в умении или неумении инженеров, а в запретах природы — в необратимой потере тепла в окружающем пространстве.

Поразительно, что Карно пришёл к такому далеко идущему выводу путём простейших рассуждений, путём очень распространённого метода рассуждения от противного. Ещё более поразительно, что он сделал правильный вывод из неправильной посылки: Карно представлял тепло в виде жидкости, теплорода. Эта аналогия помогла ему представить процесс работы паровой машины наглядно. Под котлом с водой горит топливо, превращая воду в пар. При этом теплород течёт от горячего пламени к холодной воде. Поглотив теплород, вода нагревается, а потом испаряется. Горячий пар движет поршень машины и таким образом совершает работу. Пар при этом остывает и уходит в окружающее пространство. Вместе с ним рассеивается и теплород…

Задержим здесь внимание. Безупречной интуиции физик и ошибка — коллизия далеко не обычная, хотя в науке и нередкая. Карно опирался на теорию теплорода и все-таки не ошибался. Если его чутьё тонкого физика не забило тревогу, когда он взял за исходный пункт своих размышлений аналогию между теплородом и жидкостью, значит, тут не было запрета. И, как теперь ясно, не могло быть: между жидкостью и теплотой действительно много общего в поведении. А теплород и воплотил в себе свойства тепла как жидкости.

Теплород продержался в науке так долго именно потому, что в нём отразились многие истинные свойства теплоты. На молекулярном уровне разительно отличие теплоты и теплорода. Но Карно рассматривал проблему макроскопического распространения тепла, и тут его интуиция позволила ему опереться на теплород.

Более того, лучшего аналога, более верной путеводной нити не сыщешь! Уподобляя теплород жидкости, можно легко сравнить течение теплорода в паровой машине (от горячего котла к холодильнику) с течением воды в реке (от верховья в низину). Реки не текут вспять. Не возвращается и ушедший в пространство теплород. Отсюда возникает понимание особой роли теплоты среди других форм энергии — ни одна из них не теряется безвозвратно, как теплота!

Так Карно впервые сформулировал принцип, которому суждено было стать основополагающим в науке о теплоте — в термодинамике: тепло течёт самопроизвольно только в одном направлении — от горячих тел к холодным.

Совершенно непринуждённо при этом возникает понимание невозможности создания вечных двигателей. Воду в реке нельзя повернуть вверх по течению, не затратив на это работу. Не затратив работу, невозможно и теплород вернуть в машину для полезной деятельности. Несомненно, что для достижения любого полезного эффекта нужно чем-то поступиться.

Так Карно путем элементарных рассуждений пришёл к двум гениальным для его времени выводам. Первый — это принцип, носящий его имя: о естественном течении тепла только от горячего к холодному, но не обратно. И второй результат — формула для определения КПД лучших (идеальных) тепловых машин. Она была прямым продолжением рассуждений, с которыми мы познакомились, вытекала из аналогии между теплородом и водой. Уподобляя теплород воде, а разность температур на входе и выходе машины — разности уровней воды в водопаде, Карно заключил: как при падении воды работа измеряется произведением веса воды на разность уровней, так и в паровой машине работа измеряется произведением количества теплорода на разность температур.

Теперь очевидно: КПД идеальной тепловой машины зависит не от её конструкции, а только от разности температур.

Из этих рассуждений ясен и путь увеличения эффективности тепловых машин: её можно поднять за счёт увеличения температуры на входе — температуры пара в котле. Или за счёт понижения температуры на выходе.

Очень полезно использовать специальные, остужающие пар устройства — холодильники. Если пар на выходе машины не остужать, а просто выбрасывать в окружающее пространство, такая машина будет очень малоэффективна. Пример — локомотив, его КПД едва достигает трех-четырех процентов.

А если температуры котла и холодильника одинаковы? Паровая машина вообще не будет работать. Как не даст никакой работы водяная мельница, если её колесо опущено в стоячую воду.

Для простоты понимания Карно изложил свои результаты без помощи математики. Хотя они предельно наглядны и просты, всё это осталось почти не замеченным и, во всяком случае, не понятым. Карно опередил своё время.

В последующие годы Карно продолжал свой кропотливый труд. Он отказался от гипотезы теплорода и провёл новые рассуждения на основе механической теории теплоты и даже довольно точно определил механический эквивалент теплоты, то есть количество работы, которое можно получить из единичного количества теплоты. Результаты исследований были опубликованы в 1878 году при повторном издании «Размышлений» — более чем через сорок лет после смерти Сади Карно. А ещё через пятнадцать лет после этого Клаузиус, который ввёл в науку многозначительное понятие энтропии, добавил своё веское слово к принципу Карно: он выразил его в виде математической формулы и возвёл в ранг Второго начала термодинамики, сформулировав в виде следующего постулата: «Теплота не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более тёплому».

Наименование Второго начала термодинамики было присвоено принципу Карно потому, что за годы, прошедшие между смертью Карно и работой Клаузиуса, было выработано общее понятие «энергия» и окончательно сформулирован закон сохранения энергии, получивший название Первого начала термодинамики.

Волнение, которое вызвал постулат Клаузиуса в среде учёных, можно представить себе из того, как переформулировал его Томсон (лорд Кельвин). Он считал необходимым записать его так: «При посредстве неодушевлённого тела невозможно получить механические действия от какой-либо массы вещества путём охлаждения её температуры ниже температуры самого холодного из окружающих тел».

Ужас тепловой смерти

Что же испугало Томсона в принципе Карно, во Втором начале термодинамики? Его испугал вывод о том, что могут существовать условия, при которых невозможно превращение тепла в работу или в другие формы энергии. Ему казалось неприемлемым признание того, что, в отличие от других форм энергии, теплота обладает особыми свойствами, что какие-то её количества выпадают из замкнутого круга взаимных превращений.

Ничего подобного с другими видами энергии не происходило! Томсона поразило особое место теплоты среди других форм энергии. Его ужасал вывод, неизбежно следовавший из этого. Неизбежный логический вывод, противоречащий всему, что казалось надёжно установленным великими предшественниками. Необратимое течение тепловых процессов сулило Вселенной гибель…