Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 31
Текст из файла (страница 31)
е. при равенстве скоростей соприкасающихся, движущихся частей машины. Соответствующий аналог в тепловой машине — передача теплоты должна осуществляться при бесконечно малой разности температур нагретых тел. Вторым условием минимальных потерь энергии, которое установил Л. Карно, было отсутствие трения между частямп машины. Соответственно работа тепловой машины должна быть связана с обратимым процессом. Таким образом, для решения вопроса об условиях получения максимальной работы С. Карно и придумал идеальную тепловую машину, работающую по обратимому циклу. Применив далее аналогию с работой водяного двигателя, С.
Карно н сформулировал свою основную теорему ". Взгляды Карно на природу теплоты. Его догадки об эквивалентности теплоты и работы Может возникнуть вопрос: почему все же Карно, как видно по всему — передовой ум своего времени, — разрабатывал свою теорию, основываясь на вещественной теории, а не попытался это сделать, исходя из принципов корпускулярной, кинетической теории теплоты, с которыми он был, безусловно, знаком? Что можно сказать в ответ на этот вопрос? Мы уже неоднократно отмечали большую приверженность к теории теплорода ведущих физнков эпохи Карно, несмотря на то что в это время уже имелся ряд прямых указаний на несостоятельность этой теории, и указывали на причины такого положения.
Сказанное в полной мере относится и к Карно. Однако в отличие от своих многих современников он значительно глубже вник в существо проблем физики тепла и тепловых явлений и, пожалуй, первый понял суть противоречий теории теплорода с теми представлениями о теплоте, которые вытекали из экспериментов. Без сомнения, рано или поздно Карно оставил " Подробно смд Спасский Б. И., Сара иго в Ц. С. К истории отары. тин теоремы Карно.— УФН, 1969, т. 99, вып. 2. 117 бы теорию теплорода и попытался перевести свои идеи на язык механической теории тепла. В этом нас убеждают его записи. Но в тот период, когда Карно работал над своими «Размышлениями», он не мог этого сделать, потому что представление о теплоте как роде дан>кения илн «олебания частичек материи находилось еще на такой примитивной стадии развития, что, конечно, не могло служить основой для каких-либо количественных расчетов «движущией силы», а это интересовало Карно в первую очередь.
Нельзя сказать, что сам автор «Размышлений» не чувствовал, может быть интуитивно, слабости теории теплорода. В некоторых местах его сочинения неудовлетворенность этой теорией высказывается в довольно ясной форме. Так, в примечании к доказательству следствий, вытекающих из рассмотрения кругового процесса, он пишет: «В наших доказательствах лты полагали, что если тело, испытав любые изменения и ряд превращений, возвращается в прежнее положение относительно плотности, температуры и агрегатного состояния, то оно будет обладать тем же количеством теплотьь какое имело первоначально, т.
е, другилш словами, что поглощаемые и развивае,ные при различных превращениях количества теплотьь взаимно компенсируются. Это положение никогда не подвергалось со,чнению; оно было сперва принято без рассуждений и затем подтверждено многочисленнььми калориметрическими измерениями. Отрицать его — значит разрушить всю теорию теплоты, основььвающуюся на этом положении. Впрочем, заметим мимоходом, основные поломения, на которые опирается теория теплоты, требуют внимательного исслгдования Некоторые данньм опыта представляются необъяснимььми при современном состоянии теории» [9, с.
20!. В другом месте сомнение в справедливости теории теплорода Карно высказывает более откровенно: «Основной закон, которььй мы старались установить, требует, по нашему мнениьо, новых подтверждений, чтобьь быть вне всякого сочнения; он опирается на признаваемую в настоящее время теорию теплоты, которая, нужно сознаться, не представляется нам непоколебимой твердости» [9, с. 5!!. За время, прошедшее между выходом в свет первого издания «Размышлений» и началом ЗО-х годов, Карно упорно думал над вопросом о природе теплоты, сопоставлял известные экспериментальные факты с существующими теоретическими концепциями, все больше убеждаясь в том, что вещественная теория теплоты порочна в своей основе.
Эта эволюция взглядов Карно достаточно наглядно видна из его записей, приведенных Ипполитом Карно в издании «Размышлений» 1878 г. Во многих заметках содержится утверждение о том, что тсплота есть результат движения. Так, в одной из них Карно пишет: «Тепло может представлять собой колебательное движение молекул. Но если вто так, то тогда количество тепла — зто не что иное, как движущая сила, необходимая для приведения молекул в колебательное движение. Тепло — это движение, изменившее свой вид; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы.
Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не !!8 создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает» [67, с. 92) 1г Приняв в качестве единицы движущей силы (с(упаппе) работу (1е (сача(1), затраченную на подъем 1 мз воды на1 м высоты, Карно устанавливает, что этой единице «движущей силы» соответствует эквивалент в 2,7 ед, количества теплоты, По этому поводу он сам замечает, что «по представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла создание единицы движущей силы требует затраты 2,70 ед. тепла» [67, с.
69). Из данных Карно следует значение механического эквивалента теплоты, равное 1000!2,70=370 кгс. м/икал. Открытый им принцип эквивалентности теплоты и работы Карно использует для вычисления к. п. д. тепловой машины: хМашина, которая произведет 20 ед движущей силы на килограмм угля, должна употребить (20 2,70)/7000ыз/1000 тепла за счет сгорания (7000 — кздорнйность угля.— Я. Г.), что меньше !/100» [67, с. 92). Карно старается всеми доступными ему способами проверить принцип эквивалентности. В планах своих.
будущих работ он намечает: «Повторить опыт Рузчфорда над сверлением металла в воде, но измерить одновременно затраченную работу и получившуюся теплоту; такие же опыты с металлом и деревом» [67, с. 90). Как видим, Карно ясно представлял основной недостаток опыта Румфорда, и тот факт, что если бы Румфорд измерил одновременно затраченную работу и выделенное количество теплоты, то он явился бы автором открытия механического эквивалента теплоты. Красной нитью через все эти заметки проходит мысль об эквивалентности теплоты и работы.
Карно значительно раньше Майера и Джоуля сделал попытку вычислить механический эквивалент теплоты. Поэтому его с полным правом можно считать первооткрывателем основных принципов, лежащих в основе как первого, так и второго начала термодинамики. Приведем некоторые из его высказываний. «В настоящее время,— писал Карно,— общепринято считать, что свет зависит от колебательных движений частичек эфира; свет порождает теплоту, или, по крайней мере, сопровождает лучи теплоты и распространяетсн с такой же скоростью, как и теплота.
Вследствие этого следует принять, что теплота есть колебательное движение частичек материи» [67, с. 91). Карно также указывает, что явление расширения газов позволяет сравнить между собой затраченную работу (при сжатии) и полученную теплоту и, наоборот, затраченную теплоту и работу расширения. " А. Пуанкаре по поводу этих строк Карно ззмечзет: «Можно ли яснее и точнее высказать закон сохранения энергии2» (А. Ро!псэге. Т)гегшойупаш19ие, р. 51). 119 Он приходит к выводу, что «теплота создается движением и не может быть материей, так как сама»иатерия не лсожет быть движением» [67, с. 67 — 69[. Помимо планов экспериментальных исследований Карно ставит также и ряд теоретических вопросов, которые он считает необходимым разработать.
Среди этих вопросов встречаются, например, такие: «1. Является ли теплота результатолс движения молекул? 2. Какая причина производит теплоту при колебательном движении? 3. Что такое лучистый теплород?» [67, с. 93[ и др. Уже говорилось о том, что при >кивни Карно его сочинение не обратило на себя должного внимания. Однако после установления закона сохранения и превращения энергии В. Томсоном, Клаузиусом и другими физиками оно было оценено по достоинству. Томсон, например, считал, что «Размышления» не имели себе равных по достоинству работ вообще во всей физической литературе Х1Х в.
После выхода в свет второго издания «Размышлений» с не опубликованными ранее записями роль Карно в становлении термодинамики стала особенно очевидной. Все крупнейшие европейские физики сходились в оценке работы Карно, рассматривая ее как сочинение, заложившее основы современной теории теплоты. П. Тэт, например, выразил эту мысль следующим образом: «»Све великие заслуги Карно состоят в том, что он, во-первых, поставил термодинамику на самостоятельное физическое и опытное основание; во-вторых, дал нам по отношению к этой области совершенно новый в мате»сит>с'сеской физике способ рассузсденсся, которыи оказался не только в руках Карно, но и в руках многих его последователей столь же плодотворны»~ в новых открытиях, как сама идея о сохранении энергии» 156, с.
73]. й 9. Развитие идей Карно Развитие идей Карно Клапейроном и Гольцманом. Уравнение состояния идеального газа Французский инженер и физик Клапейрон был первым ученым, обратившим внимание на сочинение Карно. Интересуясь, так же как и последний, тепловыми машинами, Клапейрон увидел в этом сочинении то, что не видели многие его современники. Он признал, что «руководящая идея этого сочинения является плодотворной и безупречной» [77, [ч[ 2!6, 8. 2[.
Поскольку Карно «избегал пользоваться математическилш формулами и приходил к более или менее понятным вьсводам», то Клапейрон поставил перед собой задачу показать, что эти «выводы могут быть без труда получены из более общих законов» [77, [ч[ 216, 5. 2].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
