Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 30
Текст из файла (страница 30)
5. Тело В удалено, продолжается сжатие воздуха; воздух, будучи изолирован, повыгиает свою температуру. Сжатие продолжается до тех пор, пока воздух не достигнет температуры тела А. Поршень при этом переходит из положения сй в положение Й. 6. Воздух приведен в соприкосновение с телом А; поршень возвращается из положения М в положение ет; телтертура остается неиз,ненной. 7. Период, описанный в и.
3, повторяется, затем следует 4, 5, 6, 3, 4, 5, 6, 3, 4, 5 и т. д.» [9, с. 28]. Это классическое описание цикла Карно вошло во все учебники термодинамики. Поскольку в различных положениях поршень испытывает давление со стороны воздуха, находящегося в цилиндре, то при подобных положениях поршня при расширении и сжатии воздуха будет получаться разная движущая сила. Именно таким образом получается излишек движущей силы, который и можно использовать полезным образом. Совершенные в круговом процессе операции могут быть проведены и в обратном порядке: тогда тепловая машина превращается в холодильную, а цикл Карно — в холодильный цикл.
Карно подчеркивает, что все его рассуждения остаются в силе, если вместо воздуха рабочим веществом будет любое другое тело. я. м. гьяьфьв 1!3 Таким образом, он приходит к общей формулировке ранее высказанного принципа: «гчвижущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, меясду катар»тли в конечном счете производится перенос теплорода».
«Здесь предполагается,— дополняет Карно свою мысль,— что каждый из лтетодое получения движущей силы достигает полного совершенства, на которое он способен. Это условие, как мы за»штили выше, будет вьтолнено, если в телах не буде~ происходить ни одного изменения температурьн не обусловленного изл~енением объема, или, что то же, только иначе выраженное, нигде не будет соприкосновения между телами с заметной разностью температуры» 19, с.
301. Идеальная тепловая машина будет производить максимальное количество полезной работы, если будет осуществляться не только равновесное термическое состояние между самой машиной и источником тепла, но и механическое равновесие, осуществляемое при равенстве давлений, оказываемых на поршень грузом и рабочим веществом машины. Иначе говоря„Карно впервые установил, что тепловая машина будет идеальной в указанном выше смысле, если все совершаемые ею процессы будут квазистатическими'. Квазистатичность предполагает неизменной связь между параметрами состояния, которая для идеального газа дается объединенным законом Бойля — Мариотта — Гей-Люссака. Таким образом, уже в ранних термодинамических исследованиях, проведенных задолго до становления термодинамики как науки, определились некоторые тонкие особенности тепловых процессов, четкое понимание которых в последующем помогло понять логическую структуру основных термодинамических закономерностей. Следует также отметить, что квазистатичность процессов, рассмотренных Карно, позволила Клапейрону впервые в истории развития учения о теплоте представить эти процессы наглядно в графической форме.
Понимал ли сам Карно всю глубину открытого им закона, его общность, далеко выходящую за рамки той чисто утилитарной задачи, решению которой он посвятил свой труд? Нам думается, что ответ на этот вопрос должен быть положительным хотя бы уже потому, что в своем сочинении Карно не рассматривает работу реальных паровых машин, что было бы вполне естественно, а вводит в свои рассуждения воображаемый, идеализированный образ машины — идеальную тепловую машину.
В этом сказывается прозорливость, гениальность великого французского ученого, который именно таким способом сумел, отправляясь от ложной теории теплорода, установить ряд положений, сохранивших непреходящую ценность. Энгельс, характеризуя значение исследования Карно, писал, что он «изучил паровую машину, проанализировал ее, нашел, что в ней основной процесс не выступает в чистом виде, а заслонен всякого рода побочными процессами, ь Термин «каазистатическиа» у Карно отсутствует. Впервые этот термин был введен и термодинамику Каратеодори и 1905 г. 114 устранил эти безразличные для главного процесса побочные об- стоятельства и сконструировал идеальную паровую машину (или газовую машину), которую, правда, так же нельзя осуществить, как нельзя, например, осуществить геометрическую линию илн геометрическую плоскость, но которая оказывает, по-своему, та- кие же услуги, как эти математические абстракции: она представ- ляет рассматриваемый процесс в чистом, независимом, неиска- женном виде» 11, с.
196 — 197! . Именно эта идеализация процесса позволила Карно установить необратимость н квазистатичность процессов в качестве необхо- димых условий для получения максимальной работы тепловой машины. Эта же идеализация дает право утверждать, что уже сам Карно «улавливал принцип во всей гго общности и что по- следующее поколение лишь в очень немногом могло дополнить такое понимание»", Рассмотренные выше вопросы составляют то главное, что дал Карно в своих «Размышлениях», Этими вопросами, однако, не исчерпывается содержание гениального сочинения. Совершенно естественно, что для исследования тепловых процессов, протекаю- щих в тепловых машинах, необходимо было изучить калорические свойства газов.
Как мы знаем, в десятилетие, предшествующее выходу в свет «Размышлений», в этой области знаний о теплоте был уже накоплен достаточно обширный материал, а также прове- дены и некоторые важные теоретические исследования. Как сле- дует из ссылок в «Размышлениях», Карно был знаком с работами в этой области Делароша и Берара, Дюлонга и Пти, Гей-Люссака и Вельтера, Лапласа и Пуассона и др. Данные этих авторов он широко использует в своих рассуждениях. Этими же данными он пользуется для обоснования своего принципа, а также для не- которых расчетов.
Карно впервые объединяет в одно уравнение законы Бойля— Мариотта и Гей-Люссака, которое он записывает в виде р=)«' 1+267 и где Ф вЂ” постоянная величина, зависящая от веса пара и выбираемых единиц. Карно довольно близко подошел к вычислению механического эквивалента теплоты уже в этот период своей жизни, но на пути к решению этой задачи у него стояла теория теплорода.
Энгельс указывает по этому поводу, что Карно «наткнулся на механиче- ский эквивалент теплоты... которого он не мог открыть и увидеть лишь потому, что верил в теплород, Это является также доказа- тельством вреда ложных теорий» [1, с. 197]. Близок был также Карно и к введению понятия абсолютной температуры. Этот вывод непосредственно следовал из его теоре- мы о независимости величины «движущей силы» от рода рабочего вещества. Действительно, если справедлива эта теорема, то ур" д " уШ ть ьь * " Р уР" м Мейер«он Э.
Тождественность я действительность. Спб., 1912, с. 273. * 1!5 на которой значения температур независимо от рода вещества определяли бы количество теплоты, полученной или отданной этим веществом при совершении им кругового процесса. Такой вывод из теоремы Карно был впервые сделан В. Томсоном в 1848 г. В связи с этим следует также отметить, что Карно приходит к очень важному заключению о независимости теплоемкости рабочих веществ, совершающих цикл, от объема, так как только в этом случае можно утверждать, что для равных разностей температур будут равны и количества «движущей силы», В заключительной части «Размышлений» Карно предвосхищает некоторые важные положения технической термодинамики, а также формулирует несколько общих принципов, которых, по его мнению, необходимо придерживаться при разработке конструкций различных тепловых машин: «Можно легко представить себе множество машин, способньж развивать движущую силу тепла при потреблении упругих жидкостей; но каким бы образом зто ни делалось, нельзя терять из виду следующие принципы: 1.
Телшература газа должна быть первоначально как можно выше, чтобы полу«иощь большое падение теплорода и отсюда зна штельное развитие движущей силы. г По той же иричине охлаждение должно быть как можно больше. 3. Переход упругой жидкости от нацболее высокой телтературы к наиболее низкой должен происходить от увеличения объема, т. е. охлаждение газа "должно происходить самостоятельно от его расширения [9, с.
67 — 68). Развитая Карно теория позволила ему сделать с уверенностью ряд далеко идущих выводов и обобщений в области практической теплотехники, которая в то время опиралась только на чисто эмпирические факты и данные. Сочинение С. Карно появилось в очень сложный и запутанный период развития учения о теплоте, период, когда вещественная теория теплоты казалась прочно утвердившейся, когда еще во многих вопросах этого учения среди физиков не было полной ясности, когда было еще очень далеко до понимания истинного физического смысла понятий энергии и количества теплоты. И тем не менее Карно установил: 1) тесную связь, неразделимость процессов получения работы и теплообмена между телами; 2) принцип получения работы за счет теплоты; 3) теорему о коэффициенте полезного действия идеальной тепловой машины; 4) невозможность вечного двигателя второго рода; 5) при заданных температурных пределах самым выгодным является обратимый круговой процесс — цикл Карно.
Карно также предвосхищает в своей работе: 1) связь между теплоемкостями при постоянном давлении и постоянном объеме; 2) разделение процессов на квазистатические и нестатяческие; 3) условия, при которых процесс может считаться квазистатическим; 4) термодинамический метод циклов, на основе которого позже 116 были получены важнейшие соотношения классической термодинамики и введены понятия абсолютной температуры и энтропии. Приведенный перечень важнейших достижений Карно показывает, что если бы гениальному ученому было суждено довести до конца свое исследование тепловых процессов, то, быть может, мы получили бы всецело из его рук основания термодинамики, по сути дела, в готовом виде и гораздо раньше, чем они были установлены В. Томсоном и Клаузнусом.
В этом нас убеждают также и его записки, опубликованные во втором издании «Размышлений». Следует отметить, что идеи Карно возникли не на пустом месте. Будучи инженером, он хорошо был знаком с трудами своего отца Л. Карно, посвященными механике машин, и поэтому, поставив перед собой столь трудную задачу, как анализ работы тепловых машин, он, естественно, обратился к этим трудам. Из них он узнал, что минимальные энергетические потери в машинах будут в том слу ~ае, если передача движения от одной детали к дру~ой будет происходить без скачков скоростей, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
