§ 45. Начало исследования процессов взаимного превращения теплоты и работы
Все более и более широкое применение парового двигателя делает актуальным исследование процессов превращений теплоты в работу. Впервые изучением этого вопроса занялся французский инженер Сади Карно (1793—1832), сын Лазаря Карно, б работах которого упоминалось выше. В 1824 г. он опубликовал работу «Размышление о движущей силе огня» в которой изложил свои исследования по данному вопросу. Он отмечал, что паровые машины получают все большее и большее распространение и «по-видимому, им суждено сделать большой переворот в цивилизованном мире»1.
Сади Карно
В связи с этим, полагает он, возникла необходимость создания теории этих машин. Первым эта теория должна решить вопрос о том, «ограничена или бесконечна движущая сила тепла, существует ли определенная граница для возможных улучшений, граница, которую природа вещей мешает перешагнуть каким бы то ни было способом,— или, напротив, возможны безграничные улучшения?»2.
С. Карно, как и большинство его современников, придерживался в период написания данной работы теории теплорода. Поэтому и к анализу работы паровой и вообще тепловой машины он подходит с позиции этой теории.
Карно полагает, что для работы тепловой машины необходимы нагреватель и холодильник и что при ее работе происходит переход теплорода от нагревателя к холодильнику. При этом от нагревателя теплород берется при высокой температуре, а передается холодильнику при более низкой. При этом общее количество теплорода сохраняется. Он даже специально пишет:
«Возникновение движущей силы обязано в паровой машине не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего тела к холодному»3.
Далее Карно подчеркивает, что для совершения работы непосредственный переход теплорода должен осуществляться между телами с одинаковой температурой. В противном случае при простом переходе теплорода от горячего тела к холодному (при тепловом контакте) никакая работа не совершается и происходит бесполезная трата теплорода.
Можно предположить, что к этим соображениям Карно пришел под влиянием исследований своего отца — Л. Карно, о которых мы выше говорили, проводя аналогию между работой водяного двигателя и тепловой машины. Действительно, как при работе водяного двигателя необходимо падение воды с одного уровня на другой (более низкий), так и при работе тепловой машины необходим переход теплорода с более высокой температуры на более низкую. Таким образом, для работы тепловой машины нужны нагреватель и холодильник. От нагревателя теплород забирается и передается холодильнику. Для того чтобы исключить потерю энергии в механических машинах, нужно, чтобы передача движения (энергии) происходила без удара и так, чтобы скорость при такой передаче не испытывала скачка. Это положение было доказано отцом Сади Карно. Также и в тепловой машине при передаче теплорода от одного тела к другому не должна существовать разность температур, так как при простом переходе теплорода от горячего тела к холодному не совершается никакая работа. Эти соображения приводят Карно к представлению об идеальной тепловой машине, в которой непроизводительная трата теплорода исключена.
Простейшей идеальной тепловой машиной является машина, совершающая цикл Карно. При этом цикле как раз теплота забирается и отдается при температуре нагревателя и холодильника соответственно. Карно доказывает теорему:
«Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития: ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счете, производится перенос теплорода»4.