Предчувствия и свершения. Книга 1. Великие ошибки
Шрифт:
Первоначальная цель Карно — построить как можно более хорошую паровую машину, способную получить максимум энергии из данного количества топлива. Но он не знает, как этого добиться.
Карно начинает с того, что говорит себе: допустим, я построил такую машину. В чём же проявится её преимущество перед реальными машинами? Чтобы понять это, он решает мысленно сравнить работу выдуманной им машины и реальной. Пусть, думает он, они работают в одинаковых условиях, от общего котла, с общим холодильником, а я проанализирую, почему одна машина работает лучше другой.
И тут Карно почувствовал беспокойство: если эти машины заставить работать в паре одна с другой,
Карно отчётливо понял, что эти рассуждения привели его в лагерь авантюристов — он изобрёл вечный двигатель! Но ведь вечный двигатель невозможен. Значит? Единственный логичный вывод: в этой паре не может быть лучшей машины. Все тепловые машины, работающие от общего котла и с общим холодильником, одинаково эффективны. Повысить КПД тепловых машин выше определённого предела невозможно. Заслуга Карно в том, что он ясно понял: дело не в умении или неумении инженеров, а в запретах природы — в необратимой потере тепла в окружающем пространстве.
Поразительно, что Карно пришёл к такому далеко идущему выводу путём простейших рассуждений, путём очень распространённого метода рассуждения от противного. Ещё более поразительно, что он сделал правильный вывод из неправильной посылки: Карно представлял тепло в виде жидкости, теплорода. Эта аналогия помогла ему представить процесс работы паровой машины наглядно. Под котлом с водой горит топливо, превращая воду в пар. При этом теплород течёт от горячего пламени к холодной воде. Поглотив теплород, вода нагревается, а потом испаряется. Горячий пар движет поршень машины и таким образом совершает работу. Пар при этом остывает и уходит в окружающее пространство. Вместе с ним рассеивается и теплород…
Задержим здесь внимание. Безупречной интуиции физик и ошибка — коллизия далеко не обычная, хотя в науке и нередкая. Карно опирался на теорию теплорода и все-таки не ошибался. Если его чутьё тонкого физика не забило тревогу, когда он взял за исходный пункт своих размышлений аналогию между теплородом и жидкостью, значит, тут не было запрета. И, как теперь ясно, не могло быть: между жидкостью и теплотой действительно много общего в поведении. А теплород и воплотил в себе свойства тепла как жидкости.
Теплород продержался в науке так долго именно потому, что в нём отразились многие истинные свойства теплоты. На молекулярном уровне разительно отличие теплоты и теплорода. Но Карно рассматривал проблему макроскопического распространения тепла, и тут его интуиция позволила ему опереться на теплород.
Более того, лучшего аналога, более верной путеводной нити не сыщешь! Уподобляя теплород жидкости, можно легко сравнить течение теплорода в паровой машине (от горячего котла к холодильнику) с течением воды в реке (от верховья в низину). Реки не текут вспять. Не возвращается и ушедший в пространство теплород. Отсюда возникает понимание особой роли теплоты среди других форм энергии — ни одна из них не теряется безвозвратно, как теплота!
Так Карно впервые сформулировал принцип, которому суждено было стать основополагающим в науке о теплоте — в термодинамике: тепло течёт самопроизвольно только в одном направлении — от горячих тел к холодным.
Совершенно непринуждённо при этом возникает понимание
Так Карно путем элементарных рассуждений пришёл к двум гениальным для его времени выводам. Первый — это принцип, носящий его имя: о естественном течении тепла только от горячего к холодному, но не обратно. И второй результат — формула для определения КПД лучших (идеальных) тепловых машин. Она была прямым продолжением рассуждений, с которыми мы познакомились, вытекала из аналогии между теплородом и водой. Уподобляя теплород воде, а разность температур на входе и выходе машины — разности уровней воды в водопаде, Карно заключил: как при падении воды работа измеряется произведением веса воды на разность уровней, так и в паровой машине работа измеряется произведением количества теплорода на разность температур.
Теперь очевидно: КПД идеальной тепловой машины зависит не от её конструкции, а только от разности температур.
Из этих рассуждений ясен и путь увеличения эффективности тепловых машин: её можно поднять за счёт увеличения температуры на входе — температуры пара в котле. Или за счёт понижения температуры на выходе.
Очень полезно использовать специальные, остужающие пар устройства — холодильники. Если пар на выходе машины не остужать, а просто выбрасывать в окружающее пространство, такая машина будет очень малоэффективна. Пример — локомотив, его КПД едва достигает трех-четырех процентов.
А если температуры котла и холодильника одинаковы? Паровая машина вообще не будет работать. Как не даст никакой работы водяная мельница, если её колесо опущено в стоячую воду.
Для простоты понимания Карно изложил свои результаты без помощи математики. Хотя они предельно наглядны и просты, всё это осталось почти не замеченным и, во всяком случае, не понятым. Карно опередил своё время.
В последующие годы Карно продолжал свой кропотливый труд. Он отказался от гипотезы теплорода и провёл новые рассуждения на основе механической теории теплоты и даже довольно точно определил механический эквивалент теплоты, то есть количество работы, которое можно получить из единичного количества теплоты. Результаты исследований были опубликованы в 1878 году при повторном издании «Размышлений» — более чем через сорок лет после смерти Сади Карно. А ещё через пятнадцать лет после этого Клаузиус, который ввёл в науку многозначительное понятие энтропии, добавил своё веское слово к принципу Карно: он выразил его в виде математической формулы и возвёл в ранг Второго начала термодинамики, сформулировав в виде следующего постулата: «Теплота не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более тёплому».
Наименование Второго начала термодинамики было присвоено принципу Карно потому, что за годы, прошедшие между смертью Карно и работой Клаузиуса, было выработано общее понятие «энергия» и окончательно сформулирован закон сохранения энергии, получивший название Первого начала термодинамики.
Волнение, которое вызвал постулат Клаузиуса в среде учёных, можно представить себе из того, как переформулировал его Томсон (лорд Кельвин). Он считал необходимым записать его так: «При посредстве неодушевлённого тела невозможно получить механические действия от какой-либо массы вещества путём охлаждения её температуры ниже температуры самого холодного из окружающих тел».