ПАРОВАЯ МАШИНА КАРНО

«Тепловая машина, — писал Карно, — уже обслуживает наши шахты, двигает наши корабли, углубляет гавани и реки, кует железо... Отнять у Англии в настоящее время ее паровые машины означало бы разом отнять у нее железо и уголь, отнять

у нее все источники богатства... Несмотря на работы всякого рода, предпринятые относительно паровых машин, несмотря на удовлетворительное состояние, в которое они теперь приведены, их теория весьма мало продвинута»

На практике, как правило, приходится решать такую задачу: имеется источник тепла (скажем, уголь) и требуется совершить какую-то работу (например, перегнать железнодорожный состав). В угле содержится определенное количество теплоты (при сжигании 1 кг угля температура определенного, довольно большого количества воды повышается на 1° С). Карно задался целью ответить на следующий вопрос: как построить машину, чтобы она производила максимальную работу при заданном количестве теплоты? Нетрудно создать машину, которая не производит никакой работы (достаточно, например, сжечь уголь в камине). В паровой машине уголь сжигают для получения тепла; тепло нагревает воду и превращает ее в пар; пар толкает поршень; поршень толкает еще что-то, и в конце концов колеса начинают вращаться, поезда передвигаются, а вода откачивается из шахт. Каким образом можно сделать этот процесс предельно эффективным? Как наиболее эффективно использовать для совершения работы, например, килограмм угля?

Карно в типично французской манере обобщил рассмотрение конкретной английской паровой машины на случай произвольной тепловой машины. Ему удалось сконструировать (принципиально) идеальную тепловую машину, эффективность которой превышает эффективность любой реальной машины. И он показал, что количество работы, получаемое из заданного количества теплоты, вводимого в эту идеальную машину, определяется только разностью начальной и конечной температур.

Идеальная машина

Машина Карно идеальна в двух отношениях: 1) внутреннее трение не учитывается и 2) процесс характеризуется только двумя температурами. Иными словами, это машина без трения, устроенная таким образом, что, например, газ, толкающий поршень и производящий работу, отбирает все тепло от источника, находящегося при температуре (высокой), и отдает его окружающим телам, находящимся при температуре (более низкой, чем Для этой машины Карно доказывает следующую теорему.

Теорема Карно. Эффективность любой тепловой машины, работающей при двух температурах: (высокой) и (низкой), меньше эффективности идеальной машины.

Таким образом, ответ на вопрос: «Какова максимальная эффективность машины, работающей при двух температурах?» состоит в

следующем: она не может быть больше эффективности идеальной машины. Рассчитать же эффективность идеальной машины оказалось нетрудно, и Карно сумел вычислить ее.

Фиг. 364.

Это означает, что если машина потребляет тепло, например, из топки, в которой газ, толкающий поршень, нагревается до высокой температуры, то количество совершенной машиной работы зависит от температуры, до которой охлаждается газ, прежде чем он снова поступит в топку. Когда газ горячий, он может совершать работу, в результате чего он охлаждается. Но после этого газ все еще отдает свое тепло окружающим телам и таким образом (поскольку это касается работы машины) теряет его.

Фиг. 365. Прекрасная машина, если ее можно было бы создать.

Машина будет максимально эффективной, если из газа удастся забрать всю тепловую энергию, ничего не оставив на нагрев окружающих тел. Но можно ли это сделать? Если можно, то почему бы тогда не взять обычный воздух (или воду из океана), предоставить ему возможность охладиться самому по себе, а высвобожденную тепловую энергию превратить в работу, выбросив затем слегка охлажденный воздух обратно в атмосферу?

В океане содержится огромный запас тепловой энергии — океан вовсе не такой уж холодный, каким он мог бы быть. С точки зрения закона сохранения энергии вполне допустимо, чтобы корабль двигался в океане за счет его тепловой энергии, оставляя за собой слегка охлажденную воду (фиг. 365); более того, ничто не помешало бы одновременно

делать кубики льда в корабельном холодильнике. Обратный процесс безусловно реализуем; не представляет никакого труда превратить любое количество работы в тепло, которое бы нагревало океан. Говорят, Ксеркс, разгневавшись, заставил своих рабов высечь Геллеспонт — таким способом он превратил дешевый труд рабов в тепло, согревшее это древнее море. Однако обратный процесс невозможен. Мы не можем заставить моря работать на нас за счет самопроизвольного охлаждения воды.

То, что называется вторым началом термодинамики, может рассматриваться как простая констатация следующего опытного факта. Наш мир устроен таким образом, что оказывается невозможным превращать теплоту в работу таким образом, что единственным результатом являлось бы охлаждение какого-нибудь резервуара (скажем, океана). Используя этот факт (называемый теперь вторым началом), Карно показал, что эффективность его идеальной машины всегда больше эффективности любой реальной машины и зависит только от начальной (высокой) и конечной (низкой) температур. Таким образом, любая машина, работающая при заданной разности температур, будет менее эффективна (как правило, намного менее эффективна), чем идеальная машина. Чем больше разность температур (в частности, чем ниже конечная температура), тем больше эффективность машины.

Паровая машина, как и любая другая тепловая машина, потребляет тепло (источником тепла служит топливо) и выбрасывает его в дымовые трубы или непосредственно в атмосферу (фиг. 366).

Фиг. 366.

Выбрасываемое тепло есть энергия, хоть и не очень доступная, но все же энергия. Поэтому чем больше уносится из машины этой энергии, тем больше будут потери. Следовательно, для того чтобы машина могла использовать всю тепловую энергию, конечная температура (температура отработанного газа) должна соответствовать температуре вещества, абсолютно не содержащего, в некотором смысле, теплоты. Позже мы узнаем, что эта температура называется абсолютным нулем.