Ма­шина Ньюкомена уже имела основные детали современной паровой машины — цилиндр и поршень. Главное новшество состояло в том, что в машине Ньюкомена пар давил не непос­редственно на поверхность воды, а на поршень в цилиндре.) Обратные процессы превращения работы в теплоту были известны с незапамятных времен, но они, как каза­лось, хорошо объяснялись теплородной теорией.

Теплородной теории придерживался также Сади Карно, который пер­вым провел исследования процессов по превращению теп­лоты в работу и изучение функционирования тепловых машин. С. Карно ввел понятие циклического (кругового) процесса. Наблюдая действие паровой машины, он обра­тил внимание, что используемый для перемещения цилин­дра пар затем выпускается в среду с меньшей температу­рой, где он снова превращается в воду (конденсат)

, причем конденсат в дальнейшем более не используется. Карно ста­вит вопрос о возможности использования отработанного конденсата, о возвращении в котел, где он вновь нагреется, превратится в пар, который при своем дальнейшем расши­рении вновь совершит работу над поршнем. Таким обра­зом, вода будет проходить полный цикл — ряд процессов, в результате которых возвратится в исходное состояние.

Карно также установил, что подобный непрерывный цик­лический процесс возможен лишь при наличии двух на­гревателей: нагревателя при высокой температуре Т1 и хо­лодильника при более низкой температуре Т1. Кроме нагревателя и холодильника необходимо рабочее тело. Ра­бочее тело, забирая у нагревателя количество теплоты Q 1 произведя работу, для восстановления своих исходных па­раметров (для обеспечения непрерывности цикла)

дол­жно отдать некоторое количество теплоты Q 2 холодильни­ку. Основываясь на теплородной теории теплоты, Карно полагал, что «падение теплородной субстанции», обуслов­ленное разностью температур нагревателя и холодильника, аналогично падению воды с более высокого уровня на низ­кий. Так что работа определяется перепадом между темпе­ратурами теплорода в нагревателе и холодильнике.

Однако, считая теплород сохраняющейся субстанцией, Карно при­шел к ошибочному выводу, что все количество теплоты Q 1, взятое у нагревателя, отдается холодильнику. Карно ввел для характеристики тепловой машины понятие коэффициента полезного действия (КПД), рассматриваемого как отноше­ние работы, совершаемой рабочим телом, к количеству теп­лоты Q1 взятой у нагревателя: КПД = (A /Q 1)100% .

Хотя Сади Карно не определил величину КПД идеальной обра­тимой машины, и сама его книга [38] содержит в себе все­го 45 страниц, но Карно пришел к совершенно верному вы­воду о том, что КПД идеальной машины зависит только от температур нагревателя и холодильника, а КПД любой другой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой ма­шины. Сади Карно положил начало новому методу рассмот­рения превращения теплоты и работы друг в друга в мак­роскопических системах, в первую очередь в тепловых машинах, и тем самым явился основателем науки, которая впоследствии была названа Уильямом Томсоном «термо­динамикой».

Законы термодинамики Уже после смерти Сади Карно, в 1850 году, Клаузиус дал новое строго математическое описание цикла Карно с точки зрения сохранения энергии. Клаузиус определяет, что при ра­боте тепловой машины не все количество теплоты, взятое у нагревателя, передается холодильнику. Часть этой теплоты превращается в работу, совершаемую машиной.

Клаузиус пер­вым высказал мысль об эквивалентности работы и количества теплоты как о первом начале термодинамики и записал урав­нение, которое не содержалось в работе Карно. Надо было сде­лать вывод о том, что всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую Клаузиус называл «теплом, содержащимся в теле» (U ), в отличие от «тепла, сообщенному телу» (Q ).

Величину U можно увеличить двумя эквивалентными спо­собами — произведя над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q ); U =A +Q Согласно первому началу термодинамики количество теп­лоты, отдаваемое рабочим телом холодильнику Q 1 , должно быть меньше количества теплоты, взятого у нагревателя Q 2 на величину произведенной работы: А= Q 1 - Q 2.

Напомним, что анализ Карно, основанный на представле­ниях о теплороде, предполагает равенство Q 1  и Q 2. Однако одного первого начала термодинамики недоста­точно для объяснения работы тепловой машины. Клаузиус по­казал, что объяснение превращения теплоты в работу основы­вается еще на одном принципе, сформулированном Карно, утверждающем, что в любом непрерывном процессе превраще­ния теплоты горячего нагревателя в работу должна происхо­дить отдача теплоты холодильнику.

Таким образом, имеет ме­сто общее свойство теплоты, заключающееся в том, что теп­лота «всегда обнаруживает тенденцию к уравниванию температурной разницы путем перехода от теплых тел к хо­лодным». Это положение Клаузиус предлагает назвать «вто­рым основным положением механической теории теплоты». В 1852 году Уильям Томсон пришел к аналогичным выво­дам.

Он указал на существование в природе универсальной тен­денции к деградации механической энергии. В 1860 году Уиль­ям Томсон, заменив термином «энергия» устаревший термин «силы», записывает первое начало термодинамики, которое он называет «основным положением механической теплоты»: количество теплоты, сообщенное газу = увеличению внут­ренней энергии газа + совершение внешней работы.

Следует еще раз подчеркнуть важное значение установ­ления эквивалентности теплоты и работы. Понимание количе­ства теплоты как меры изменения внутренней энергии утверж­дало закон сохранения и превращения энергии. Значение работ Клаузиуса и Томсона трудно переоценить. Их работы были основаны на принципе Карно, а также на концепции Майера, Джоуля, Кольдинга о сохранении энергии.