1847-ben jelent meg Helmholtz hírneves kis munkája: Ueber die Erhaltung der Kraft. Azóta alig telt el több egy fél századnál ‐ az emberiség fejlődésében aránylag rövid idő ‐és az energia fogalma a népek legszélesebb rétegeiben is elterjedt.
Ma már általánosan ismeretes, hogy az energia olyasvalami, ami munkát bír végezni. A munka pedig értékes dolog, mert hiszen a munkát meg kell fizetni. Az energiának megvan tehát a maga pénzbeli értéke és így nem csoda, ha a természet nyújtotta energiaforrásokat évről-évre nagyobbodó mértékben kihasználják. A gyárakban, a közlekedési eszközökben, a fűtő és világító berendezésekben a természet energiái munkálkodnak.
Joggal merül föl tehát az a kérdés: mi lesz az energiaforrások jövője? Ez egyesekre nézve pénzkérdés, de egyszersmind az egész emberiség létkérdése. A tudománynak legnemesebb hivatása éppen az, hogy az emberiségnek a jövőt illető kínzó kérdésekre választ adjon. Minden tudomány oly igazságok birtokába igyekszik jutni, melyek a jövő homályába bevilágítsanak. Lehet-e a világegyetem energiakészletének jövőjéről valamit előre megmondani? Ez csak úgy lehetséges, ha az eddig tapasztalt természeti jelenségekben valami egységes irányt bírunk kimutatni. Naponként ezer meg ezer jelenség folyik le érzékszerveink előtt, m. p.: víz párolog, felhő keletkezik, eső esik, a víz malmot hajt, köveket hurcol, iszapot rak le; vagy a mozgó test súrlódásra talál, a súrlódott hely fölmelegszik, a meleg test kihűl, a hideg fölmelegszik. Kétségtelen, hogy az ilyen jelenségekben energiaátalakulások folynak le. A kérdés tehát az: nyilvánul-e ezekben az energia-átalakulásokhan valami állandó irány, valami egységes törekvés? Ez az a kérdés, mely figyelmünket a következőkben foglalkoztatni fogja.
1. Talán úgy tűnik fel, hogy a felvetett kérdésre könnyű a felelet, sőt talán valamelyik szíves olvasó már készen is van vele. ''Hiszen tudjuk, hogy a világegyetem energiája megmarad. Valamint, hogy a semmiből energiát teremteni nem lehet, azonképpen a meglevő energiakészletet megsemmisíteni szintén nem lehet, ez a meglevő energia el nem tűnhetik, egyetlen egy kis erg, vagy a kalóriának bármilyen csekély kis részecskéje soha el nem veszhet.'' Ez igaz, de vajon ezek a megmaradó energiák mindig úgy állanak-e rendelkezésünkre, mint mostanában?
''Igen, fogja talán ugyanaz a szíves olvasó mondani, hiszen tudjuk, hogy az átalakulásoknál teljes egyértékűség uralkodik. Ha valahol eltűnik helyzeti energia, lesz belőle mozgásbeli energia, ha ez is eltűnik, keletkezik hőenergia, vagy talán elektromágneses energia. Kétségtelen, hogy valamelyes fajta energia mindig keletkezik és pedig mindig annyi, hogy a keletkezett az eltűntnek újból való helyreállítására teljesen elegendő. Ezért mondottuk, hogy az átalakulásoknál egyértékűség uralkodik. $428$ méterkilogramm mozgásbeli energiából mindig $1$ kg kalória meleget kapunk és ezt viszont visszaválthatjuk $428$ méterkilogramm mozgásbeli energiára.''
Ez is mind igaz, legalább a tapasztalat mindezideig igazolta. De ezek az állítások kérdésünkre feleletet nem adnak. Mert hiszen amellett, hogy az energiák összege állandó marad, ezek úgy szétszóródhatnak a végtelen világtérben, hogy a mi emberi céljainkra fel nem használhatók. A kérdés tehát megint csak az, ami előbb volt. Sőt most már pontosabban fogalmazható. Vajon a természetben leforgó energiaátalakulások között nem válik-e valamelyik túlnyomóvá, vagy más szóval: nem ád-e a természet valamelyiknek előnyt a többi fölött? Ha igen, akkor kétségtelen, hogy előbb-utóbb csak ez az egy előnyben részesített energiafaj fog rendelkezésünkre állani. Sőt további kérdés még az is, vajon ez az egy energiafaj fölhasználható lesz-e céljainkra?
2. Ha már most a földön végbemenő energia átalakulásokra csak egy futó pillantást is vetünk, rögtön észre fogjuk venni, hogy a természetnek igenis van dédelgetett energiafaja, a hőenergia. Akárhová tekintünk, mindenütt csak azt látjuk, hogy más fajta energiák hőenergiává alakulnak át. Ez az átalakulás sokszor önmagától, néha az ember közbejöttével folyik le, de akárhány fokban történjék is, a végeredmény mindig ugyanaz: hőenergia.
A kőszén khémiai energiája, melyet elméleti fizikáink a szén- és oxygénatomok kölcsönös vonzásának tulajdonítanak, az elégésnél hőenergiává alakul át. Ez történik minden khémiai egyesülésnél. Az emberi és állati testek melege az elfogyasztott táplálóanyagok lassú elégésének eredménye. Látjuk tehát, hogy a meglevő khémiai energiák önmaguktól (legfölebb a megindítás jő máshonnan) hőenergiává alakulnak át.
Az emberi munkálkodás e földön fizikai tekintetben nem áll egyébből, mint mozgások létrehozásából és azok megszüntetéséből. Az ember jár-kel, kezeivel eszközöket mozgat. Hajókat és vasutakat épít és az energia fölhasználásával a mozgást rendkívül gyorssá tudja tenni. A gyárakban ismét mozgási energiát hoz létre, hogy ezzel például vasat, acélt gyaluljon, esztergályozzon. Íme minden emberi munkálkodásban ott van a mozgás és ennek megfelelően mozgásbeli energia. De vannak magának a természetnek is mozgásai: a légóceán áramlásai, a szelek és viharok; a folyóvizek ömlése; a tenger háborgásai, apálya és dagálya; a Föld forgása és keringése. Mi válik ezekből a mozgásokból, mivé alakul át ez a rengeteg sok mozgásbeli energia? A feleleten nem kell sokat töprenkednünk. Nagyon is jól tudjuk, hogy e földön nincs mozgás súrlódás nélkül. Sőt a test mozgását legtöbbször meg sem tudjuk indítani súrlódás nélkül; ha a sínek nagyon síkosak, a lokomotív kerekei forognak, anélkül, hogy a vonat tovább menne. A súrlódás segítségünkre jő, mikor valamely más energiából mozgási energiát akarunk készíteni. De ezt a segítséget ‐sajna‐ drágán kell megfizetnünk. A keletkezett mozgási energia nem szabadulhat ki a súrlódás karmai közül, és kénytelen az ő hatása alatt akár apránként, akár egyszerre, de mindig biztosan hőenergiává válni. Olyan ez a súrlódás, mint az ókori mythologia istene, ki saját szülötteit fölfalja.
Talán másképp áll a dolog az elektromágneses energiával? Ha a dynamogépnek tekercseit forgatjuk, akkor a mozgási energiát elektromágneses energiává alakítjuk át, amelyet vezető drót segítségével, mint elektromos áramot akárhová elvezethetünk. Úgy látszik, mintha emez úton a súrlódás kárhozatos hatásától meg bírnánk szabadulni. Sajnos, megint nincs úgy. A súrlódást itt sem tudjuk kizárni, az elektromágneses energia tovaterjedésének is gáncsot vet. Itt már nem nevezzük súrlódásnak, hanem elektromos ellenállásnak. De csak a szavak mások, a lényeg ugyanaz. Ez az elektromos ellenállás az energiát ismét csak hőenergiává alakítja át. Minden vezeték, melyen áram fut keresztül, fölmelegszik.
Akárhogyan erőlködjünk és fáradozzunk, a természet jelenségeiben nyilatkozó határozott irányt megváltoztatni nem bírjuk. Ez az irány pedig abban nyilatkozik, hogy a meglevő energiák lassanként és apránként, de biztosan hőenergiává alakulnak át. Mintha egy hatalmas természetfölötti démon uralkodnék felettünk, ki hőenergiával táplálkozik és aki képes a természetet arra szorítani, hogy a meglevő energiákat hőenergiává változtassa.
3. Ezzel szemben valaki azt hozhatná fel, hogy viszont a gőzgépekben a hőenergia mozgási és egyéb energiákká alakul át. Ez igaz, csakhogy a gőzgép nem a természet alkotása, hanem az emberé s a gőzgépben végbemenő energiaátalakulások nem természetes s nem is önmaguktól lefolyó, hanem kényszerített változások. Hogy a gőzgépben mennyi meleg alakul át, ténylegesen hasznos munkává, az még nagy sor, melyről későbben lesz szó. Különben pedig egyelőre elegendő az a megjegyzés, hogy a gőzgépben termelt mozgási energia előbb utóbb megint hőenergiává alakul át.
Már súlyosabb ellenvetés az, hogy maga a természet is termel a hőenergia révén más energiákat. Tudjuk, hogy a Nap sugarai elpárologtatják a tenger vizét és fölemelik ezt a magasba; e víz magasabb vidékekre lehullva, adja a folyóvizek és tavak helyzeti és mozgási energiáját. Hasonló módon a napsugarak a chlorofil révén a szénsavat szétbontják két alkatrészére: az oxygénre és a szénre. Eltűnik a hőenergia és keletkezik helyette a szén és oxygén khémiai energiája.
Már most valaki talán hajlandó volna a fölvetett kérdésre a következő megnyugtató feleletet szerkeszteni: ''Igaz, hogy minden energia lassanként hőenergiává alakul át, de egyelőre itt van a Nap, amely viszont a saját melegét helyzeti, khémiai, elektromos és egyéb energiákká alakítja át. Ha a Nap melege elfogy, akkor még mindig ott vannak a hőgépek, melyek mindig képesek lesznek a melegből egyéb energiákat termelni.''
Ez a felelet helyes és igaz volna, ha a hőenergiák között nem volna különbség. De, sajnos, e hőenergiák nem mind egyformák s különösen nem, ha arról van szó, hogyan alakulnak át mozgási energiává.
Immár most a hőenergiákat szorosabb vizsgálat alá kell vetnünk és foglalkoznunk kell azzal a kérdéssel is: minő körülmények között alakul át hőenergia mozgási energiává? Ezzel azután el is jutottunk oda, ahol a fölvetett probléma lényege van.
4. Ismeretes, hogy a hőenergiát kalóriákban szokás mérni. $1$ kalória az a hőenergia, mely szükséges ahhoz, hogy $1$ liter $0$ fokú víz hőmérsékletét $1$ fokkal emeljük. Ennélfogva $2$ kalóriával $2$ liter víz hőmérsékletét emelhetjük $0$-tól $1$ fokra. De ez nem az egyedüli. Ugyancsak $2$ kalóriával $1$ liter víz hőmérsékletét $2$ fokkal, vagy $1/2$ liter vizet $4$ fokkal, vagy $1/10$ liter vizet $20$ fokkal, vagy $1/50$ liter vizet $100$ fokkal emelhetjük. Hasonló módon, ha $1$ liter víz hőmérsékletét $0$-tól $100$ fokra emeljük, akkor $100$ kalóriát használunk fel, de ugyanennyire van szükségünk akkor is, ha $100$ liter víz hőmérsékletét $0$-tól $1$ fokra emeljük.
Ha tehát a hőenergiát mérni akarjuk, akkor két mennyiséget kell lemérnünk: $1$-ször az illető test hőmérsékletét, $2$-szor az illető test mennyiségét (minthogy a különböző fajta anyagok fölmelegítéséhez különböző mennyiségű meleg szükséges, azért még az úgynevezett fajhőre is tekintettel kell lennünk). A hőenergia két tényezőtől függ, az egyik a hőmérséklet, a másik az anyagmennyiség. Az elsőt a fizikusok intenzitási, a másodikat pedig extenzitási tényezőnek nevezik.
Képzeljük el, hogy valaki $1$ liter $100$ fokú vizet beleönt oly kádba, melyben $99$ liter $0$ fokú víz van. A keverés eredménye $100$ liter $1$ fokú víz. A hőenergia nem veszett el; az a $100$ kalória, mely abban a liter vízben volt, most eloszlott a kád nagy víztömegében és annak hőmérsékletét $1$ fokkal emelte. De van-e mégis különbség a két energia között? A keverés előtt nagy volt az intenzitás, és kicsiny az extenzitás, keverés után ellenben az intenzitás kicsiny, de nagy az extenzitás.
5. E kitérés után térjünk vissza a természet energiáihoz. Megmutattuk, hogy minden energiából előbb-utóbb hőenergia lesz. Mi történik ezzel a hőenergiával? Ismeretes mindenki előtt, hogy a meleg tovább terjed. Ha egy vaspálcának egyik végét tűzbe tartom, a másik vége is megmelegszik. Ez a vezetés útján való terjedés. A kályha a körülötte lévő hideg levegőn keresztül is megmelegíti arcunkat, hasonló módon jut a Nap melege a hideg világtéren keresztül a Földre. Ez a sugárzás útján való terjedés. A hőenergia tehát részben vezetés részben sugárzás útján tovább terjed a térben. Nem marad egy helyen.
Mindkét terjedési módban egy általános természeti törvény nyilatkozik, oly törvény, mely a terjedés irányát és lefolyását szabályozza. Ez az a törvény, mely egyenlő értékű a hőelmélet második főtételével és a fizikának egyik legnagyobb fontosságú tétele. Így szól: A hőenergia önmagától mindig a nagyobb hőmérsékletű helyről a kisebb hőmérsékletű felé terjed és soha az ellenkező irányban.
Ennek az a következése, hogy az egyéb energiákból keletkezett hőenergia nem marad meg azon a helyen, ahol keletkezett és abban az állapotban, ahogyan keletkezett. Keresi a hideg helyeket, már pedig fölfogásunk szerint a világtér legnagyobb része ‐ hogy úgy mondjuk ‐ abszolute hideg, vagyis teljesen a hőenergia nélkül szűkölködik. A Földön keletkező hőenergia, a Nap és egyéb álló csillagok hőenergiája, szétszóródik a nagy világtérben. Nem veszik el abszolute, de elveszik reánk nézve, mert olyan helyekre távozik, honnét visszahozni nem áll módunkban.
Hogy ezt a szétszórt hőenergiát csakugyan lehetetlen visszahozni, azt még inkább be fogjuk látni, ha megvizsgáljuk, milyen energiává alakul át. Ha az energia nagyobb térben szóródik szét, akkor mindig veszít intenzitásából, miként a $100$ fokú vízből $1$ fokú lett, mikor abba a nagy kádba öntöttük. A szétszóródó hőenergia hőmérséklete mindig kisebb és kisebb lesz. A nagy világtér folyton melegszik, persze ez melegedés oly csekélyke, ‐ úgy látszik‐ sok millió év alatt sem ér el nagyobb értéket. Mi fűtjük a világteret. Az a sok hőenergia, mely egyéb energiákból keletkezik, úgy átváltozik langyos meleggé, persze olyan langyos meleggé, melyben mi menten kőkeménnyé fagynánk. Tudjuk pedig, hogy a meleg kisebb hőmérsékletű helyről soha nem mehet (külön munkavégzés nélkül önmagától) a nagyobb hőmérsékletű helyre. Lehetetlen abból a kádból, melyben $100$ liter $1$ fokú víz van, ismét kimeríteni $1$ liter $100$ fokú vizet, melyet beleöntöttünk. Az a hőenergia, mely szétment a világtérben, soha többé vissza nem térhet, egyszerűen azért nem, mert melegebb helyre nem mehet vissza. Ránk nézve olyan, mintha elveszett volna.
A világegyetem energiakészletének extenzitása folyton nő, intenzitása pedig folyton kisebbszik. Ez az a tétel, melyet másképp úgy is mondanak: világegyetem entrópiája egy maximum felé törekszik. Mindig több és több hely és anyag kap hőenergiát, de viszont mindig kisebb és kisebb lesz az energia intenzitása. Mintha az a démon, ki a létező energiák fölött uralkodik, azt parancsolná, hogy a szélsőségek egyenlítessenek ki, a melegebb helyek hűljenek, a hidegebbek melegedjenek.
Az történik a hőenergiákkal, amit itt e Földön egyéb energiáknál is tapasztalunk. A légköri tünemények mind arra törekszenek, hogy a Földnek szintkülönbségei megszűnjenek. A víz és a szél, a hideg és a meleg váltakozásai arra törekszenek, hogy a Föld kiálló hegyoromait letördeljék. A hegyekből nagy sziklatuskók rohannak a völgybe alá, minden vízcsepp felold és letör sziklarészeket és azokat leviszi a völgyekbe. A hegyek folyton kisebbednek, a völgyek és tenger feneke emelkedik. A mai természetváltozások végcélja minden egyenetlenség nélküli földfelszín, melyet a létező víztömeg egyenletes vastagságban borít be.
A hőenergiák is, melybe minden más energia előbb-utóbb átmegy, a kiegyenlítődés felé törekszenek. Ne legyenek más energiák, csak hőenergiák, ezek se legyenek különbözők, hanem mindenütt ugyanazon hőfokon: ez a világon uralkodó démon parancsa.
Olyan változásokat, melyek mindig ugyanolyan módon folytatódnak, a fizikában is ''konzervatív'' változásoknak szokás nevezni. Az előbbeniek után látjuk, hogy a természetben valójában konzervatív változás nincsen.
A mi démonunk nem konzervatív! Nem úgy lesz a jövőben, ahogy van most. ''Lesz egy akol és egy pásztor'', mondja a biblia; ''lesz egy energia és az is ugyanazon intenzitáson'', mondja a mi démonunk.
Milyen lesz az a világ, mely felé a természet törekszik? Kétségtelen, hogy minél nagyobbak a szintkülönbségek, minél nagyobbak az energiák intenzitásbeli különbsége, annál erőszakosabbak a lefolyó természeti jelenségek. Ha tehát a szintkülönbségek kisebbednek, akkor a természeti jelenségek is gyöngülni fognak. Lesz egy nagy langyos-meleg világegyetem, melyben a béke és nyugalom honol.
6. Mi fog hát velünk történni? A Nap energiakészlete nem végtelen, előbb-utóbb szét fog szóródni és bele fog ömleni a világegyetem egyenletes melegébe. Nem fog tehát nekünk a párolgás és a chlorophil révén helyzeti és mozgási energiákat termelni. Egyetlen reményünk a hőgép. Vegyük hát ezt tekintetbe és különösen pedig a gőzgépet. A gőzgép hőenergiából mozgási energiát termel. Eközben érvényben marad az energia megmaradásának elve. Ha azonban ebből arra következtetünk, hogy a gép a felhasznált hőenergiával egyenlő értékű mozgási energiát, vagyis minden kalóriáért $428$ méterkilogrammot ád, akkor igen erősen csalódunk. Igen, fogja valaki gondolni, azért nem kaphatunk egyenlő értékű mozgási energiát, mert itt van a súrlódás, azonkívül a sugárzás és vezetés, melyek a hőenergiát haszon nélkül szétszórják és elpocsékolják. Kétségkívül ez is egyik ok, de korántsem az egyedüli és a leghatalmasabb. Mert ha Carnot és Clausius után oly ideális gőzgépet képzelünk, melynek alkatrészei között semmi súrlódás sincs, és amely oly anyagból készül, mely a hőenergiát nem vezeti és a sugárzást sem ereszti keresztül; még az ilyen ideális gép (amilyent szerkeszteni természetesen nem lehet) sem képes a beléje fektetett hőenergiát teljesen átalakítani mozgási energiává. Azt a számot, amely mutatja, hogy valamely gép a befektetett energiának hány százalékát alakítja át mozgási energiává, az illető gép hatásfokának szokás nevezni. Ki lehet mutatni, hogy az előbb említett ideális hőgépnek hatásfoka nem $100\%$, sőt, hogy az az $50\%$-on is jóval alul marad.
Carnot és Clausius ugyanis bebizonyították, hogy az ilyen ideálisan gondolt hőgép hatásfoka egyáltalában nem függ a berendezéstől, hanem csak a kazán és a hűtő (kondenzator) hőmérsékleteitől. Minden hőgépnél ugyanis nemcsak kazánnak (ahol a meleg fel van raktározva), hanem hűtőnek is kell lennie. A hőenergia csak akkor végezhet munkát, vagyis csak akkor alakulhat át mozgási energiává, ha melegebb helyről hidegebbre megy át. A hűtő tehát a hőgépnek épp oly fontos kelléke, mint a kazán. Ha már most a kazánból jövő hőenergiát $E$-vel, a hűtőben leadottat $e$-vel, a kazán abszolút hőmérsékletét $T$-vel és a hűtőét $t$-vel jelöljük, akkor Carnot és Clausius levezetése szerint, melyet a tapasztalat is igazol