Инженеры, понявшие этот принцип, также осознали, что быстро нагреваемое вещество будет расширяться с силой, достаточной для выполнения серьезной работы, если ее правильно использовать. При достаточно большой разнице температур между нагретым веществом и его охлажденным окружением сила теплового потока могла бы приводить в действие двигатель. Давление, создаваемое расширяющимся паром, могло бы выполнять работу в процессе циклов быстрого нагрева и охлаждения.
Понимание того, как использовать эту природную тенденцию, дало человечеству новую мощную технологию, но Карно также заметил, что преобразование тепловой энергии в механическую никогда не бывает эффективным на 100 процентов. Независимо от того, как тщательно осуществлялся перенос, часть полезной энергии всегда теряется в окружающей среде как отработанное тепло в результате того, что физики называют диссипацией. Этот термин почти такой же пугающий, как энтропия, и не менее важен для понимания возникновения жизни, поэтому мы должны разобраться с ним прямо сейчас.
Диссипация энергии просто означает, что энергия равномерно распределяется по окружающей среде, рассеиваясь таким образом, что ее никогда больше не удастся использовать для выполнения того же объема работы. Другими словами, диссипированная энергия – это энергия, которая больше не является полезной, поскольку для ее сбора потребовалось бы совершить больше работы, чем она позволила бы произвести. Знакомый пример рассеивания энергии – тепло тела, которое мы, люди (сложные биологические системы), постоянно выделяем. Другим примером является тепло, выделяемое вашим компьютером во время вычислений. Качающийся маятник в дедушкиных часах рассеивает небольшое количество энергии из-за постоянного трения с воздухом, поэтому он в конечном итоге останавливается. Каждый механический процесс, происходящий во Вселенной, рассеивает некоторое количество полезной энергии, производя тепло. Этот факт лежит в основе второго закона термодинамики, и именно по этой причине законы физики не допускают вечных двигателей.
Эта неизбежная диссипация имеет серьезные последствия для Вселенной. Она означает, что запасы полезной энергии во Вселенной – космическое топливо, необходимое для работы любого рода, – неуклонно истощаются по мере устранения температурных градиентов, рассеивания энергии и выработки тепла. Хотя общее количество энергии во Вселенной, предположительно, остается неизменным (в соответствии с первым законом термодинамики), полезная энергия постепенно преобразуется в бесполезную (в соответствии со вторым законом). Полезная энергия называется свободной энергией, а бесполезная – энтропией. Точнее говоря, энтропия – это математический термин, обозначающий количество энергии, более не доступной для совершения полезной работы. Поскольку, как мы уже установили, физики различают несколько типов энтропии, давайте назовем этот вид энтропии, связанной с теплом, тепловой энтропией. Если свободная энергия – это топливо космоса, то тепловая энтропия – это выхлоп.
Как вы можете заметить, мы до сих пор не упоминали о порядке или неупорядоченности. Исходя из этого определения энтропии можно утверждать, что второй закон термодинамики применим ко Вселенной, если признать ее изолированной системой – в двух (различных, но эквивалентных) отношениях. Из-за неизбежной диссипации энергии в результате механических процессов:
