Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 29

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 29)

е. движение, которое продолжается вечно, без изменения употребляемых тел?э [9, с. 22). Таким образом, Карно обобщает принцип исключенного механического вечного двигателя, которым до него пользовались многие ученые ХЧП вЂ” ХьгП1 вв., в принцип исключенного физического вечного двигателя: невозможен не только механический вечный двигатель, но и вечный двигатель, использующий любые физические процессы. Это замечание Карно, будь оно хорошо знакомо физикам первой половины Х1Х в., могло бы во многом повлиять на направление дискуссий, которые велись в это время по некоторым физическим проблемам в области учения об электричестве, теплоте и другим вопросам. Карно обращает внимание на обстоятельство, которое раньше, по-видимому, ускользало от внимания физиков и инженеров, а именно: что движение в паровых машинах всегда сопровождается «восстановлением равновесия теплорода», т.

е. переходом «теплорода от тела, температура которого более или менее высока, к другому, где она ниже» 19, с. 20]. При этом никакой затраты теплорода не происходит, так как, согласно теории теплорода, его количество при любых тепловых процессах должно оставаться неизменным. «Мы увидим, — говорит Карно, — что этот прин- 110 з Г у хм а н А. А. Об основаниях термодинамики.

Алма-Ага, 1947, с. 76 — 77. цип приложим ко всем машинам, приводимым в движение теплотой» (9, с. 20[. Следствисм высказаного Карно принципа является невозможность получения «движущей силы» (т. е. механической работы) только за счет теплоты одного источника (нагревателя). Если бы к этому он добавил еще указание на периодический характер работающей машины, то тем самым была бы предвосхищена формулировка второго начала термодинамики В. Томсона — Оствальда: вечный двигатель второго рода невозможен. Но Карно нигде в своей работе не подчеркивает вопрос о периодичности.

Возможно, что он считал это само собой разумеющимся, поскольку для работы любой тепловой машины необходимо, чтобы рабочее вещество в ней периодически возвращалось к своему первоначальному состоянию. Свой прийцип Карно первоначально поясняет на примере образования «движущей силы действием теплоты на водяной парь. Он рассматривает два тела А и В, каждое при постоянной температуре, причем температура тела А выше температуры тела В. Первое тело он называет нагревателем, второе — холодильником.

Для получения движущей силы необходимо провести следующие операции: !. Отнять теплород от тела А для образования пара, предполагая, что пар образуется именно при температуре тела А. 2. Впустить пар в цилиндр с подвижным поршнем. Температура расширяющегося пара понизится. Предполагается, что это понижение вследствие расширения будет происходить до тех пор, пока температура не станет равна температуре тела В. 3. Далее необходимо сконденсировать пар, приводя его в соприкосновение с телом В и производя на него одновременно постоянное давление до тех пор, пока он не превратится в воду.

Указанные операции, говорит Карно, могут быть приведены как в прямом, так и в обратном направлениях, и поэтому если провесзи их одновременно, полагая, что «нет никаких потерь ни в движущей силе, ни в теплороде, то количество движущей силы, произведенной в первом случае, будет равно тому, которое было затрачено во втором, и количество теплорода, перешедшее в первом случае от тела А к телу В, будет равно количеству возвратийшегосн во втором слу газ от тела В к телу А: можно делать бесконечное число операций этого рода, так что в конце концов не будет ни произведенной движущей силы, ни перехода теплорода от одного тела к друго,чу» [9, с. 23).

Описанная Карно последовательность процессов в своей совокупности образует круговой процесс — цикл. Этот гениальный метод, предложенный им впервые, оказал решающее влияние на развитие классической термодинамики, поскольку явился исходным для введения ее фундаментальных понятий — абсолютной температуры и энтропии. Продолжая свою мысль, Карно далее говорит, что если бы можно было каким-нибудь способом получить от теплорода большее количество движущей силы по сравнению с затраченной на 111 перенос теплорода от более холодного тела В к более теплому А, то «стоило бы употребить часть втой силы для возвращения указанным методолг от тела о к телу А, от холодильника к нагревателю, как первоначальное состояние было бы восс~ановлено, можно было бы возобновить подобную операиюо и действовать так и далее: зто было бы не только ее«нити движением, но и беспредельным создаванием движущей силы без затраты теплорода или каких-либо других агентов» 19, с.

231. Это было бы, заключает Карно свою мысль, не чем иным, как вечным двигателем, что, конечно, невозможно. Он приходит к выводу: «Необходимо заключить, что максимум движущей силы, получае,пый употреблениелг пара, есть также максимум движущей сильк получаемой любым средством» ~9, с. 231. Высказанная Карно т е о р е м а — важнейшая в термодинамике: она определяет максимальный коэффициент полезного действия тепловой машины («максимум движущей силы»), который должен зависеть не от природы рабочего тела, совершающего круговой процесс, а только от температур нагревателя и холодильника. Как видим, Карно обосновал свою теорему на принципе исключенного вечного двигателя первого рода: только таким образом осуществляется перенос некоторого количества теплорода от нагревателя в холодильник с одновременным получением полезной работы. Отсюда же следует и неизбежность «падения теплорода» по аналогии с падением воды.

Если бы этого падения не было, то принцип невозможности вечного двигателя был бы нарушен. Такое обоснование теоремы явилось неизбежным следствием теории теплорода. Дальнейшее развитие термодинамики показало, что в этом пункте, так же как и во всех других, непосредственно связанных с вещественной теорией теплоты, точка зрения Карно должна была быть пересмотрена.

Вслед за формулировкой своей теоремы Карно устанавливает условия, при выполнении которых работа, полученная в результате совершения цикла, будет действительно максимальной. Для этого необходимо, чтобы процесс был обратимым, т. е. чтобы в любой момент состояние всех тел, принимающих участие в этом процессе, бесконечно мало отличалось от равновесного состояния. Карно формулирует это условие в виде требования: «В телах, употребляемых для развития движущей силы тепла, не должно быть ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема» 19, с.

25~. Это значит, что обратимый теплообмен между рабочим телом, с одной стороны, и холодильником и рабочим телом и нагревателем — с другой, может быть обеспечен только в результате объемных изменений рабочего тела. Только при этом условии его температуру можно доводить до уровня температуры нагревателя и холодильника. Важнейшей частью теории Карно является введение понятия об идеальной тепловой машине и идеализированном круговом процессе, состоящем из четырех последовательно проводимых процессов — двух изометрических и двух адиабатических. Этот цикл, 112 известный теперь как цикл Карно, удовлетворял основному требованию получения «максимума движущей силы».

Указанный обратимый круговой процесс, совершаемый рабочим телом идеальной тепловой машины, далее Карно описывает подробно: «Вообразим упругую жидкость, например атмосферный воздух, зак,ноченный в цилиндрический сосуд айса 1рис. 18), закрытый подвижной диафрагмой или поршнем сй; кроме того, предположилг два тела А и В, поддерясиваелгьге оба при постоянной температуре, причем А при более высокой, чем В; затем вообразим следующий рлд операций.

1, Тело А приводится в соприкосновение с воздухом, заключенньглг в сосуде айсй, или со стенкой сосуда, которая, мы предполагаем, легко пропускает теплород. Благодаря вточу соприкосновению воздух находится при температуре тела А; сд — положение поршня в данный момент, 2 Поршень непрерывно подымается и принимает положение ей Все время имеет место контакт между телом А и воздухом, который, таким образом, поддерживается при постоянной температуре во все время разрежения. Тело А дает теплород, необходимый для поддержания постоянной температуры.

3. Тело А удалено, и воздух больше не находится в со- в прикосновении с телом, способньсм его снабасать теплородом; поршень же продолжает свое движение и переходит веги;еч иэ положения ет в положение уй. Воздух разрежается, не получая теплорода, и его температура падает. Предположим, что она падает до тех пор, пока не достигнет температуры тела В; в этот момент поршень останавливается и занимает положение йй. 4, Воздух приведен в сомрикосновение с телом В; он Карно сжимается движением поршня, который переходит иэ положения йй в положение ск По воздух остается при постоянной температуре благодаря контакту с телом В, которому он отдает свой тепло род.

Характеристики

Список файлов книги