Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

Карно понял, что рассмотренная им комбинация из двух циклических машин, работающих от общего нагревателя и с общим холодильником, не может давать избытка работы, иначе эта комбинация была бы вечным двигателем, создающим работу «из ничего», без затраты тепла. Карно, как и Стевин, считал вечный двигатель невозможным и поэтому заключил, что любые машины, свободные от трения и потерь тепла, работающие от общего нагревателя с общим холодильником, должны быть равноценны по эффективности.

Заметим: если Стевин самостоятельно пришел к признанию невозможности вечного двигателя, то Карно уже мог опираться на мнение предшественников, в частности, на книгу «Опыт о машинах вообще». Автором этой книги был его отец, Лазар Карно, крупный ученый и популярный деятель французской революции. Лазар Карно уверенно пишет о том, что всякая машина остановится под действием трения, если она не связана с каким-либо двигателем.

Но это еще не все. Главный вывод Карно-младшего, полученный им из мысленного эксперимента со спаренными циклическими машинами, состоял в том, что циклическая машина превращает тепло в работу потому, что работа, выделяемая при расширении горячего пара больше, чем работа, затрачиваемая на его сжатие при более низкой температуре. Значит, циклическая машина становится неработоспособной, если температура холодильника и температура нагревателя одинаковы. Работа совершается только при переходе тепла от горячего тела к холодному.

Впоследствии Клаузиус возвел этот принцип, установленный Карно, в ранг Второго начала или Второго закона термодинамики. Второго потому, что после смерти Карно другие ученые установили Первое начало термодинамики — закон сохранения энергии, существование которого Карно считал само собой разумеющимся в форме постулата о невозможности создания вечного двигателя.

Установив свой принцип, Карно ответил и на вопрос, поставленный им в начале исследования об эффективности паровой машины: что нужно сделать, чтобы машина стала более экономичной?

Ответ таков: паровая машина, как всякая циклическая тепловая машина, не работает, если температуры нагревателя и холодильника одинаковы, но работает тем более эффективно, чем больше разность температур между ними. Поэтому для увеличения эффективности паровой машины необходимо повышать температуру пара в котле и понижать температуру, при которой пар заканчивает рабочий ход поршня.

Так был найден принципиальный путь совершенствования тепловых машин.

Следует подчеркнуть особенность мысленного эксперимента Карно — он был осуществлен в области, в которой до него все решалось только руками. Это была область чистой эмпирики — метод проб и ошибок. Все удачные усовершенствования связаны с заменой узлов или вводом дополнительных деталей. Карно первым сделал эту область техники объектом мысленного эксперимента. Он сумел до-биться принципиально важного результата и возвел проблему паровой машины на уровень важнейшей науки о теплоте впоследствии развившейся в термодинамику. Мысленный опыт послужил мостом между техникой и наукой.

Идеи Карно в эстафете XX века

Инженеры, вооруженные указаниями Карно, принялись создавать новые котлы с улучшенными топками и все более совершенными условиями теплообмена между пламенем и водяным паром. Температура пара в новых котлах стала выше. Соответственно увеличилось и давление пара, что потребовало применения более прочных материалов для изготовления котлов, трубопроводов и паровых цилиндров.

Следующим этапом был переход к паровым турбинам, вращающиеся лопасти которых заменили цилиндр с поршнем, сделав ненужным золотник и шатунно-кривошипный механизм. Но это особая история.

Для нас существенно, что, следуя Карно, инженеры подняли температуру пара до сотен градусов, а его давление до сотен атмосфер, значительно улучшив коэффициент полезного действия паровых машин. Важным шагом стал переход к двигателям внутреннего сгорания, в которых температура газов над поршнем превосходит тысячу градусов. Затем появились газовые турбины, в начале названные турбинами внутреннего сгорания. Это привело к дальнейшему возрастанию КПД. Предел при этом определяется тепловой стойкостью турбинных лопаток, омываемых раскаленными газами.

В новейших магнитогидродинамических генераторах энергия еще более горячей газовой струи непосредственно преобразуется в электрическую энергию без участия каких-либо движущихся механизмов. Но законы термодинамики и здесь определяют эффективность процесса, так же как эффективность непосредственного преобразования энергии солнечного света в электроэнергию при помощи полупроводниковых солнечных батарей и всех прочих устройств и процессов, предназначенных для преобразования тепловой энергии в другие ее формы.