Паровой двигатель Сади Карно

Паровую машину создавали талантливые изобретатели. Некоторые из них имели инженерное образование, многие были механиками-самоучками, а иные и вовсе не имели никакого отношения к технике, но однажды «заболев» паровой машиной, полностью отдавали себя нелегкому изобретательскому труду.

Это были люди практического склада. Большинство из них мало представляло, что происходит в паровой машине, каким законам подчиняется ее работа. Они не знали теории тепловых двигателей и, как теперь бы сказали, изобретали впотьмах, на ощупь. Это понимали многие и в первую очередь сторонники научного подхода к созданию машин.

Основателем этой теории, положившей начало науке, названной «термодинамикой», стал — Сади Карно, который спустя сорок лет после приведенных высказываний отца написал небольшую брошюру под названием: «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Эта тоненькая книжечка была издана в Париже в 1824 году небольшим тиражом. Сади Карно в том году исполнилось еще только двадцать восемь лет. Книжечка оказалась единственным сочинением Сади Карно, сочинением столь же удивительным и значительным, как и сам ее автор. Сади Карно родился в 1796 году и до шестнадцати лет учился дома под руководством своего отца, сумевшего привить сыну широту взглядов и склонность к точным наукам. Затем талантливый юноша два года учится в Парижской политехнической школе и в восемнадцать лет получает диплом инженера. Дальнейшая жизнь и деятельность Сади была связана с армией. Имея много свободного времени, он мог заниматься всем, что его интересовало. А интересы его были обширны. Он знал и любил искусство — музыку, литературу, живопись, театр, и в то же время страстно увлекался математикой, химией, физикой, технологией. С раннего детства у него была развита склонность к обобщениям — умение за разрозненными фактами и явлениями увидеть нечто общее, объединяющее их. Будучи инженером, он хорошо знал устройство паровой машины и отчетливо видел все ее недостатки. Он понимал, что до сих пор создатели паровой машины мало задумывались над законами, которые управляют тепловыми процессами. Вместе с тем за время создания и совершенствования парового двигателя накопилось много фактов, никем еще не продуманных и не обобщенных.


Молодой инженер ставит перед собой цель разобраться в тепловых явлениях, происходящих в паровом двигателе, попытаться вывести общие законы, которым подчиняется работа теплового двигателя. И ему первому удается это сделать. Сади Карно несомненно, был выдающейся личностью своего времени, хотя его современники, да и он сам этого не подозревали. Впервые мир узнал о его заслугах много лет спустя из высказываний великого английского физика Вильяма Томсона (лорда Кельвина), который на своих лекциях назвал Карно гениальным ученым. Впоследствии Томсон и выдающийся немецкий физик Рудольф Клаузиус, создавая современную термодинамику, обобщили выводы, Сади Карно в виде строгого закона, получившего название второго начала термодинамики.

О чем же писал Карно в своей тоненькой книжке, принесшей ему бессмертную славу? Карно рассмотрел в ней законы превращения теплоты в работу, или, как говорят, законы превращения тепловой энергии в механическую, и показал, как нужно строить тепловые двигатели, чтобы они были более мощными и в то же время экономичными, то есть потребляли бы как можно меньше топлива. Его выводы были общими и касались не только известных ему поршневых паровых машин, но вообще любых двигателей, использующих для своей работы тепловую энергию. Прежде всего, он установил, что тепло может переходить только «...от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой...» и, когда температура обоих тел сравняется, наступает тепловое равновесие. Далее, тепло может быть превращено в механическую работу, если на пути тепла поставить какое-либо устройство, в котором часть этого переходящего тепла использовалась бы, например, для расширения пара или газа, двигающего поршень. При этом наибольшее количество полезной работы может быть получено в том случае, если разность температур тел, между которыми происходит переход тепла, будет наибольшей. Тогда Карно делает вывод: всякий тепловой двигатель, в котором тепло превращается в механическую работу, должен иметь два температурных уровня — верхний (источник тепла) и нижний (охладитель-конденсатор); кроме того, в таком двигателе должно находиться вещество — это может быть не обязательно пар, — способное изменять свой объем при нагревании и охлаждении и тем самым превращать тепло в механическую работу, перемещая поршень в цилиндре.


Такое вещество называется «рабочим телом». Для того чтобы паровой двигатель совершил наибольшую механическую работу, нужно, чтобы температура и давление рабочего тела — пара, вводимого в цилиндр, были как можно большими, а температура и давление пара, отводимого в конденсатор, — наименьшими. Кроме того, Карно указал, как лучше подводить тепло к рабочему телу, как лучше расширять это рабочее тело, как лучше отводить от него тепло и как лучше вновь подготовить рабочее тело к расширению. Эти указания были настолько точными, что если бы удалось построить тепловой двигатель, работающий в соответствии с рекомендациями Карно, — такой двигатель был бы идеальным: в нем почти все тепло при переходе от источника к охладителю превращалось бы в механическую работу, не теряясь на теплообмен с окружающей средой. Такая работа двигателя названа в термодинамике работой по идеальному циклу Карно. По тому, как далеко отклоняется работа любого теплового двигателя от работы по циклу Карно, судят о совершенстве этого двигателя: чем больше цикл двигателя похож на цикл Карно, тем лучше в таком двигателе используется теплота.

Вместе с маленькой книжечкой Сади Карно в жизнь вошла новая наука — наука о теплоте. Создатели тепловых двигателей стали «зрячими». Они могли уже конструировать тепловые двигатели с открытыми глазами, не блуждая на ощупь в потемках. В их руках оказались законы, по которым нужно строить двигатели. Эти законы легли в основу совершенствования не только паровых машин, но и всех тепловых двигателей на многие годы вперед вплоть до наших дней. Жизнь этого талантливого французского инженера и ученого оборвалась очень рано. Он умер от холеры в 1832 году, тридцати шести лет от роду. Все его личное имущество, в том числе и ценнейшие рабочие тетради, было сожжено. Сади Карно оставил человечеству только одну маленькую книжицу, но и ее оказалось достаточным, чтобы сделать его имя бессмертным.