Максимальная эффективность (КПД — коэффициент полезного действия) £ такого теплового двигателя будет равна отношению доступной энергии к полной энергии. Если по условиям работы теплового двигателя мы в принципе можем преобразовать всю энергию системы, то эффективность (КПД) его будет равна 1,0; если только половина полной энергии может быть преобразована в работу, то £ будет равняться 0,5, и так далее. Тогда, выражая доступную энергию и полную энергию в терминах разницы температур, мы можем сказать, что:

Теперь предположим, что мы имеем тепловой двигатель, в котором пар, находящийся при температуре 150 °С (или 423 °К), конденсируется в воду с температурой 50 °С (или 323 °К). Максимальная эффективность (КПД) такого двигателя тогда будет равна (423–323)/423, или 0,236. То есть мы видим, что лишь менее чем четверть полной теплоты, содержащейся в паре, была бы доступна для преобразования ее в работу.

Больше того, даже это значение может быть достигнуто только в том случае, если тепловой двигатель механически идеален, то есть если не имеется никаких потерь энергии во внешнюю среду — ни через трение, ни через тепловое излучение и так далее. В реальной жизни тепловые двигатели обладают гораздо меньшей эффективностью, чем тот максимум, который предсказан нам в уравнении 15.1. Однако уравнение 15.1 устанавливает максимум, за который не могут заходить даже идеальные механические конструкции.

Уравнение 15.1 получено при условии, что теплота течет только из горячей области к холодной и никогда — наоборот. Таким образом, оно поэтому также является выражением второго закона термодинамики, то есть второй закон может рассматриваться как устанавливающий некоторые, нового вида, ограничения на использование энергии.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) однозначно дает понять, что никто не может извлечь большее количество энергии от системы, чем то ее полное значение, которое содержится в ней. Второй закон термодинамики утверждает, что невозможно получить большее количество работы из системы, чем количество доступной свободной энергии, и что величина доступной свободной энергии является неизменно меньшей, чем величина полной энергии, в том случае если не будет достигнута температура абсолютного нуля.

Второй закон термодинамики указывает нам на очень важный факт. Чтобы получить работу от теплового двигателя, должна иметься разность температур. Предположим, горячая и холодная области имеют одну и ту же температуру T₂, тогда в уравнении 15.1 разность температур (T₂ — T₁) станет равна (T₂ – T₂)/T₂, или 0, то есть величина доступной энергии становится равной нулю. (Таким же образом водопад с высотой нуль метров не способен выполнять никакую работу.)

Если бы это было не так, можно было бы, например, представить себе, что судно, плывущее по океану, могло бы впитывать в себя воду, использовать часть энергии, содержащейся в ней, а затем удалять эту воду (более холодную, чем она была прежде) назад в океан. Все суда в мире и многие другие устройства, придуманные человечеством, могли управляться за счет пустяковой доли огромного количества энергии, которая содержится в Мировом океане. Конечно, во время этого процесса океан слегка бы охладился, а атмосфера нагрелась бы, но поток теплоты был бы направлен назад — от воздуха к воде, и все бы было хорошо.

Однако пока второй закон термодинамики выражается уравнением 15.1, это невозможно. Чтобы извлечь теплоту из океана, нам бы понадобился бассейн с водой более холодной, чем в океане, и устройство охлаждении, чтобы поддерживать эту воду более холодной, чем в океане. Но энергия, израсходованная на охлаждение, была бы больше, чем энергия, извлеченная из океана (предполагая, что устройство охлаждения должно быть механическим, то есть не идеальным, поскольку это невозможно), а значит, мы не получили бы ничего.