Фактически тела способны обмениваться энергией лишь тремя способами — посредством совершения друг над другом работы, посредством теплообмена или массообмена. Конечный итог всех превращений энергии и любой работы есть образование тепловой энергии. Все природные процессы завершаются получением тепла. Ядерная энергия целиком переходит в тепловую, часть которой уходит в окружающую среду, а другая в работу. Интересно, что на работу затрачивается меньше тепла, чем рассеивается во внешней среде.

Тепловую энергию практически невозможно использовать полностью, как, впрочем, и любой другой вид энергии.

Водяной пар, взаимодействуя с турбиной, отдает ей и окружающей среде часть тепла. От этого он охлаждается и постепенно утрачивает способность производить работу. В итоге пар совершает меньше работы, чем получил энергии. Турбина из-за трения переводит часть полученной энергии в теплоту, т. к. разогревает детали. Ее полезная работа опять уменьшается. Электрический ток изначально обладает сравнительно большой энергией, однако часть ее расходуется впустую.

Провода передачи оказывают сопротивление току, отчего он частично переходит в тепло. Уже меньшая часть электрической энергии поступает к бытовым приборам. Но и они не обладают способностью переводить все энергетические затраты в полезную работу: часть энергии непременно растрачивается на бесполезное тепло. Всякому известно, что мотор пылесоса от работы нагревается. Что касается лампы накаливания, то она получает излучение целиком за счет теплоты. В таких лампах нагревается вольфрамовая нить, которая начинает испускать световые волны.

Первые исследования по превращению теплоты в работу провел французский инженер С. Карно, опубликовавший свои воззрения относительно теории теплоты в книге «Размышления о движущей силе огня» (1827 г.). Он разложил тепловую машину на три ее важнейших компонента — нагреватель, рабочее тело и холодильник. Нагреватель дает тепловую энергию рабочему телу, однако такая передача происходит только потому, что теплота стремится перейти от горячего тела к менее нагретому (холодильнику).

Чем больше разница температур, тем интенсивнее перетекание теплоты. Разность энергетических уровней порождает работу. Точно так же высота плотины влияет на скорость падения воды, вращающей турбину. Чем горячее нагреватель в сравнении с холодильником, тем выше производительность рабочего тела. В паровой машине нагревателем служит котел, рабочим телом — расширяющийся от нагрева пар, толкающий под давлением цилиндр, а холодильником — окружающий воздух.

Отработанный пар выбрасывается в окружающую среду и рассеивается в атмосфере, отдавая ей свою энергию. Таким образом, для наибольшей эффективности работы тепловой машины температура котла (двигателя) должна быть намного выше температуры воздуха. Коэффициент полезного действия машины зависит от разности названных температур. Он никогда не может превышать 100 %, поскольку машина использует определенное количество тепловой энергии. Эта изначальная энергия и равняется 100 %. Свыше имеющегося машина использовать не может.

Кроме того, значительная часть теплоты должна перейти к холодильнику, иначе движение тепловой энергии остановится. Следовательно, рабочее тело получает намного меньше 100 %. Человеческий организм не является тепловой машиной, однако и для него справедливы законы сохранения энергии. Вот почему эффективность работы нашего тела составляет всего 30 %. Некоторые биологи полагают, что работа клеток, слагающих тело человека, гораздо выше и равняется 70 %. Скорее всего, так оно и есть, однако даже это число значительно ниже 100 %.

В общем виде закон сохранения энергии звучит следующим образом. Поступление к телу тепловой и любой другой энергии численно равняется изменению внутренней энергии тела и совершенной этим телом работы. Целиком превратить сообщенную энергию в работу невозможно. Ведь сначала требуется изменить внутреннюю энергию рабочего тела. Но даже если нам каким-то образом удалось полностью использовать внутреннюю энергию тела, то оно после этого вовсе перестанет совершать работу. Закон сохранения энергии, имеющий много формулировок, представляет собой первое начало термодинамики.

Карно утверждал, что в паровой машине тепло не потечет от холодильника к нагревателю. В дальнейшем физики P. Клаузиус и У. Томсон показали, что это утверждение справедливо для всех тепловых процессов. Теплота передается от тел только к менее нагретым телам. Данное утверждение представляет собой второе начало термодинамики. Доказывается оно сейчас посредством кинетической теории.

При соударениях молекулы обмениваются энергией. В результате они как бы делят ее поровну, отчего приобретают некую усредненную скорость. Усреднение скорости частиц и выравнивание температуры при теплообмене приводит к тому, что молекулам становится нечем обмениваться. Система пришла к тепловому равновесию. Медленные молекулы могут при соударениях с быстрыми «отбирать» у тех скорость, а вот наоборот происходить не может. Делится тот, у кого есть, что делить. Оттого теплота не течет от холодных тел к нагретым.