какой момент золотник должен осуществлять отсечку пара? Ведь это определено чисто эмпирически! Каждый делает это по-своему.
Обдумывая все это, Карно учитывал, что при сжатии газы нагреваются, а при расширении охлаждаются.
Знал Карно и о скрытой теплоте, приводящей к тому, что температура воды при кипении не изменяется, хотя к ней и подводится тепло, в то время как для конденсации пара нужно отводить выделяющееся при этом тепло.
Сопоставив все, что ему было известно, Карно понял, что для решения загадки паровой машины следует сосредоточить внимание на ее цилиндре, в котором пар совершает работу, перемещая поршень. Нужно отвлечься на время от котла с топкой и конденсатора, от маховика и шатунно-кривошипного механизма, от золотника и тяг, от центробежного регулятора и от всех других деталей машины.
Достаточно мысленно рассмотреть цилиндр с поршнем, шаг за шагом представить себе, как поршень циклически поднимается силой пара, совершает работу и опускается под действием внешней силы, которая при этом работает против сжимаемого пара. Вместо источника горячего пара — котла и приемника холодного пара — конденсатора следует вообразить некоторые условные нагреватель и холодильник…
Подвиг мысли
Карно не вычислял. Он рассуждал. Он спросил себя, можно ли создать идеальную циклическую машину, которая будет работать эффективнее реальных, забирая при этом от нагревателя и передавая конденсатору столько же тепла, но совершая больше работы? Если да, если более эффективная тепловая машина может существовать, хотя бы в принципе, как некая идеальная машина, то можно мысленно соединить ее с реальной машиной, и тогда произойдет чудо: идеальная машина, затратив только часть даваемой ею работы, равную работе, производимой реальной машиной, заставит реальную машину совершить свой цикл в обратном направлении, отбирая тепло от холодильника и возвращая его нагревателю.
Как только спаренные таким образом машины завершат вой циклы (идеальная в прямом направлении, а реальная — в обратном), поршни обеих машин, нагреватель и холодильник окажутся в исходном состоянии, а в распоряжении экспериментатора останется избыток работы, произведенной идеальной машиной. Ведь, по предположению, она способна получить из данного количества тепла больше работы, чем реальная, а совершив цикл, она через реальную машину вернет из холодильника в нагреватель полученное ею тепло, затратив на это только часть произведенной ею работы. Остальную часть, полученную без затраты тепла — даровую работу, можно было бы применить для других нужд!
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.
Клаузиус еще в прошлом веке смог получить очень простую формулу для вычисления предельной эффективности тепловой машины, по современной терминологии — предельного коэффициента полезного действия. Он равен отношению разности температур нагревателя
