Сади Карно и закон сохранения энергии

Движение, изменившее свой вид

(О судьбе Сади Карно читайте здесь)

Предоставим слово самому Карно: «…недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод; без него теплота была бы бесполезна»; «повсюду, где существует разность температур, …возможно появление движущей силы. Водяной пар — еще одно из средств обнаруживать эту силу, но не единственное: все тела природы могут быть применены для этого; все тела способны к изменению объема, к сжатию и расширению при действии тепла и холода: все способны при изменении своего объема побеждать некоторое сопротивление и, таким образом, развивать движущую силу»; «Обратно, повсюду, где нужно затратить эту силу, возможно образовать разность температур…».

Карно описал цикл работы идеальной тепловой машины, показал, как можно рассчитать ее максимальный КПД.

Для этого необходимо лишь знать самую высокую и самую низкую температуру водяного пара (или любого другого теплоносителя, как отметил Карно), используемого в данной машине. Разность между этими температурами, деленная на значение высокой температуры, равна (после умножения, конечно, полученного числа на 100\%) КПД машины. Температуры при этом необходимо выражать в градусах абсолютной шкалы Кельвина. Интересно отметить, что КПД, как видно из формулы Карно, совершенно не зависит от того, какое вещество используется в качестве теплоносителя.

Расчет по формуле Карно показал, что первые тепловые машины не могли иметь КПД выше 7 — 8\%, а если учесть неизбежные утечки тепла в атмосферу, то полученное значение 2—3\% следует признать значительным достижением…

Инженеры теперь знали, что тепловая машина будет работать тем лучше, чем выше температура теплоносителя, который в ней используется, и чем ниже температура холодильника, где пар конденсируется, вновь превращаясь в жидкость.

Работа Карно позволяет оценить и тот верхний предел, который конструкторы тепловых машин не могут «перепрыгнуть», как бы они ни старались.

Особенно важной оказалась эта возможность, когда на смену поршневым машинам пришли паровые турбины, где теплоноситель, попадая на лопасти, вращал вал двигателя — энергия пара превращалась в механическое движение.

Довольно быстро наряду с паром, как и предсказывал Карно, в турбинах стали использовать и газ, который можно нагреть до высокой температуры. Если температура горячего газа в турбине 800 К (527°С!), а холодильник уменьшает ее до 300 К (т. е. 27°С), то максимальный КПД машины, даже в случае работы по идеальному циклу Карно, не может быть выше 62\%. Неизбежные тепловые потери приводят, как всегда, к уменьшению и этой цифры. У лучших образцов турбин, установленных на современных электростанциях, КПД составляет 35—40\%.

Сади Карно ушел из жизни, заболев холерой в 1832 году, в возрасте тридцати шести лет. Ипполит Карно, младший брат Сади Карно, сохранил свое имя в истории науки тем, что бережно собрал и издал после безвременной смерти своего брата его неопубликованные научные записи, черновики, заметки.

Вчитываясь в эти заметки, ученые поняли, что Сади Карно сделал гораздо больше, чем это следует из «Размышлений о движущей силе огня…».

Здесь, вероятно, опять лучше всего привести хотя бы один отрывок из заметок Карно: «Тепло — не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает теплота, в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила.

В тепловых машинах Дж. Уатта и И. Ползунова энергия пара превращалась в механическое движение, полезное для человека.

Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, то есть вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает.

По некоторым представлениям, которые сложились у меня относительно теории тепла, создание единицы силы требует затраты 2,7 единиц тепла».

По поводу этих строк знаменитый французский ученый Анри Пуанкаре восхищенно воскликнет в 1892 году: «Можно ли яснее и точнее высказать закон сохранения энергии?»

В 1842 году Роберт Майер в письме к своему другу Бауру сообщает полученные им результаты расчетов количества тепла, необходимого для образования единицы движущей силы, практически совпавшие с цифрами, приводимыми в заметках Карно.

С 1841 по 1850 год известный английский физик Джеймс Джоуль ставит разнообразные эксперименты по превращению механической работы в теплоту. Джоуль продавливал воду через тонкие трубки, сжимал воздух насосом, вращал лопатки мешалки в сосуде, наполненном ртутью. В каждом из опытов он измерял затраченную механическую работу, температуру и количество теплоты, переданной при этом теплоносителю (воде, воздуху, ртути).

Джоуль определил, что в среднем на передачу телу одной килокалории тепла необходимо затратить 438 килограммометров работы. Эта величина, названная механическим эквивалентом теплоты, оказалась достаточно близкой к полученной Сади Карно и Робертом Майером. Заметим, что одна килокалория обозначает собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть один килограмм воды на один градус Цельсия.

В знак заслуг Джоуля перед наукой вместо килограммометра была введена новая единица работы под названием «джоуль». Джоуль обозначает собой работу силы в один ньютон, перемещающей тело на один метр. И теперь механический эквивалент теплоты считается равным 4190 джоулей на килокалорию.

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.