You are here

Инженер Сади Карно и его "Размышления о движущей силе огня"


Видання. Саді Карно “Роздуми про рушійну силу вогню”

Имя Сади Карно часто звучит в разных аудиториях нашего университета. «Идеальная машина Карно», «цикл Карно», «принцип Карно», «теорема Карно» ... А если учесть, что он был инженером и окончил Политехническую школу, то, конечно, было бы очень неуместным не отметить в газете «Киевский политехник» 210 лет со дня его рождения, что исполнилось в этом году.

Никола Леонар Сади Карно родился 1 июня 1796 г. в семье Лазаря Карно (1753-1823) - одного из самых выдающихся политических деятелей Великой французской революции, который в разные годы был членом Законодательного собрания, Конвента, Комитета общественного спасения, Директории, и которого называли организатором победы за решающий вклад в формирование революционных армий в 1793 году.

Лазар Карно был также выдающимся ученым, оставил теоретическое наследство в разных науках - прикладной механике («Исследование машин вообще», 1783), математическом анализе («Размышления о метафизике исчисления бесконечно малых», 1797). Он - один из основателей проективной геометрии. В 1810 г. издал трехтомный труд по фортификации «Об обороне крепостей». В год, когда родился его сын Саде, Лазаря Карно было избрано членом Парижской академии наук.

Жизнь Сади Карно протекала совсем в другую историческую эпоху, чем жизнь его отца, и была небогатой на яркие события. И сведений о нем до нас дошло очень мало. Известно, что в 1812-1814 гг. Сади Карно учился в знаменитой Политехнической школе, затем в Инженерной школе в г. Метц, а в 1816 г. получил назначение в инженерные войска. В 1819 г. после сдачи соответствующих экзаменов выиграл конкурс и перевелся в главный штаб корпуса в Париж. Продолжил обучение, посещал лекции в Сорбонне, Коллеж де Франс, Консерватории искусств и ремесел. В Консерватории Карно познакомился с физиком Н.Клеманом, который исследовал свойства газов, после чего заинтересовался проблемой совершенствования паровых машин. В 1824 г. издал свою единственную работу - мемуар «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу". В 1828 г. Карно оставил военную службу и продолжил самостоятельно заниматься наукой. 24 августа 1832 г., в 36-летнем возрасте, Сади Карно умер от холеры. Его вещи, по закону, было сожжено. Чудом уцелела одна записная книжка, которую спас его брат Ипполит.


Научное наследие Сади Карно по объему не идет ни в какое сравнение с научным наследием отца. Но по влиянию на дальнейшее развитие науки ... Сегодня Лазаря Карно вспоминают, пожалуй, только механики и только тогда, когда изучают теорию удара (есть теорема Карно о потерянной кинетической энергии при неупругом ударе). А идеи Сади Карно известны всем. Хотя признаны они были не сразу.

Долгое время "Размышления" Карно оставались без внимания физиков. Только через десять лет после их публикации, и через два года после смерти автора, другой француз - Б.Клапейрон - повторил рассуждения Карно, выполнил описанные словами расчеты и изобразил процессы на диаграмме. Через три года статью Клапейрона перевели и издали в Англии. Прошло еще девять лет, и статью Клапейрона напечатал немецкий физик и издатель И.Х.Поггендорф в своих "Анналах физики и химии». И только после этого - через 22 года после публикации мемуара - идеи Карно стали основой исследований Р.Клаузиуса и В.Томсона, которые создали на их основе второе начало термодинамики. А от мемуара Карно стали отсчитывать начало науки классической термодинамики.

Мемуар Карно по праву считается классическим произведением. Всестороннее рассмотрение проблемы, обсуждение смежных проблем, последовательность изложения, а также прекрасный язык, которым он написан, - его и сегодня интересно читать. И еще - когда читаешь, чувствуешь, что автор - высокообразованный и эрудированный инженер, которому интересно думать о машинах, а целью теоретических исследований является решение практической проблемы - совершенствование паровых (и шире - тепловых) машин.

«Никто не сомневается, что теплота может быть причиной движения (механического - В.И.), что она имеет большую движущую силу: паровые машины, сейчас очень распространены, что является этому очевидным доказательством» - так Карно начинает свое произведение.

Далее он характеризует действия теплоты: "она вызывает волнения атмосферы, повышение облаков, падение дождя и других осадков, заставляет течь потоки воды на поверхности земного шара, незначительную часть которых человек сумел применить в свою пользу; наконец землетрясения и вулканические извержения также имеют причиной теплоту.

С этих огромных резервуаров мы можем создавать движущую силу, необходимую для наших нужд; природа, всюду предоставляя горючий материал, дала нам возможность всегда и везде получать теплоту и движущую силу, что ее сопровождает. Развивать эту силу и применять ее для наших потребностей - такова цель тепловых машин ".

Карно характеризует значение тепловых машин для различных отраслей промышленности, перечисляет области их применения и выражает мнение, что когда-то эти машины станут универсальными двигателями, получив преимущество над силой животных, падающей воды и ветровыми двигателями.

Далее он отмечает, что теория тепловых машин развита плохо.

"Часто поднимали вопрос: ограничена или бесконечна движущая сила тепла (как следует из примечания, которую сделал Карно, движущей силой тепла он называет величину работы, - В.И.), существует ли определенная граница для возможных улучшений, граница, что природа вещей мешает переступить тем или иным способом, - или, напротив, возможны безграничные улучшения? Также долгое время искали и ищут теперь, не существует ли агентов, лучших, чем водяной пар, для развития движущей силы огня; или не дает ли, например, атмосферный воздух в этом отношении преимущества. Мы ставим себе задачу подвергнуть здесь эти вопросы внимательному рассмотрению ".

Карно отмечает: "Явление получения движения из тепла не было рассмотрено с достаточно общей точки зрения. Его исследовали только в машинах, природа и способ действия которых не позволяли ему принять полного развития, на которое оно способно ...

Чтобы рассмотреть принцип получения движения из тепла во всей его полноте, надо его изучить независимо от какого-либо механизма, какого-либо определенного агента; надо провести рассуждения, применимы не только к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам, какой бы ни было вещество, примененное в них ".

Такой подход Карно к решению проблемы в свое время высоко оценил великий мыслитель Фридрих Энгельс, в работах которого критические замечания по поводу общепринятых среди физиков методов мышления встречаются гораздо чаще, чем положительные оценки.

Карно пишет: "Получение движения в паровых машинах всегда сопровождается одним обстоятельством, на которое мы должны обратить внимание. Это обстоятельство является восстановление равновесия теплоты, то есть переход теплоты от тела, температура которого более или менее высокая, к другому, где она ниже ... Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительному расходу тепла, а его переходу от горячего тела к холодному, то есть восстановлению его равновесия, - равновесия, которое было возбуждено некоторой причиной, то ли химическим действием, как горение, или чем-нибудь другим. Мы увидим, что этот принцип касается всех машин, приводимых в движение теплотой.

Согласно этому принципу, недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод; без него теплота стала бы ненужной ".

В этих положениях - суть теории Карно, на основе которой состоялось дальнейшее развитие термодинамики.

Далее Карно доказывает, что движущая сила тепла не зависит от природы рабочего тела, а определяется только температурами тел, между которыми происходит переход теплоты. При этом он исходит из невозможности вечного двигателя, то есть получение работы из ничего. Это было довольно смелым шагом. Хотя Парижская академия наук признала невозможность механических вечных двигателей в 1785 году, но, как заметил в свое время Макс Планк, Карно впервые распространил вывод о невозможности вечного двигателя на не механические процессы.

Карно рассматривает многие вопросы, связанные с тепловыми двигателями. В частности, коснувшись вопроса возможности применения в качестве рабочего тела в тепловых двигателях жидкостей и твердых тел, Карно делает правильный вывод об их малой пригодности, обосновывая этот вывод малым изменением объема этих тел с изменением температуры.

Для двигателей, где применяются газы, Карно формулирует следующие принципы экономичности: температура рабочего тела сначала должна быть максимально высокой, охлаждение - при максимально низкой температуре. Переход от высокой температуры к низкой должен происходить только при расширении рабочего тела. Не следует допускать контакта тел с разными температурами.

Эти принципы применяются и сегодня.

Карно рассматривает и машины, в которых используется горячий воздух. Он описывает их преимущества перед паровыми машинами в области высокого давления, а также выражает идею утилизации тепла, которая очень актуальна сегодня. Есть интересное замечание Карно о двигателях внутреннего сгорания. Ему были известны опыты Ньепса, который предлагал двигатель, что должен был работать за счет сгорания горючего порошка в цилиндре.

В конце книги Карно отмечает, что на практике следует принимать во внимание не только экономию топлива, но и надежность машины, долговечность, расходы на содержание и др.

Хотя идеальную тепловую машину создать невозможно, и тепловых двигателей, в которых используется цикл Карно, не существует, идеальная машина Карно нашла широкое применение в теории - в самых разнообразных разделах термодинамики. Собственно, как и положено идеальной машине. Стоит представить, что рабочим телом в машине Карно является то или иное вещество, или термодинамическая система в состоянии равновесия (газ, жидкость с насыщенным паром, смесь реагирующих газов, электромагнитное излучение или что-нибудь еще), выполнить соответствующие расчеты, исходя из того, что термический коэффициент полезного действия такой машины такой же, как машины, где используется идеальный газ, - и можно теоретически вывести множество законов и уравнений - уравнения Клапейрона-Клаузиуса, закон действующих масс, закон Стефана-Больцмана и другие.

Произведение Карно по праву называют классическим. А классическое произведение - это не просто произведение, которое со временем не стареет, а такое, в котором время обнаруживает новые стороны, новое содержание, что долгое время оставалось вне поля зрения исследователей.

В конце XIX века, когда классическая термодинамика приобрела классическую форму, когда вопросы, которыми интересовался Сади Карно, казалось, были полностью решены, В.Оствальд, публикуя работу Карно в своей серии Ostvald's Klassiker, обратил внимание на то, что для обозначения теплоты Карно применял две терминологии - chaleur и calorique - «теплота» и «теплород», и отметил, что говоря о возникновении движущей силы тепла, Карно пишет о переходе теплорода от тела более нагретого к телу менее нагретому.

Впоследствии известный в свое время английский ученый Н.Л.Календар стал утверждать, что энтропия - это другое название теплорода, о котором писал в своей работе Карно. Эту точку зрения критиковал А.А. Радциг. Но позже ряд других авторов - И.Н.Бренстед, Ла Мер, Л.Бриллюен - снова утверждали, что calorique (теплород) надо читать как "энтропия". Основанием для такой точки зрения являются: цикл Карно в координатах энтропия - температура имеет такой же вид, как в координатах теплород - температура. Известный специалист в области термодинамики профессор О.А.Гухман высказывал мнение, что Карно чувствовал необходимость разделить сложное понятие количества теплоты на две величины - количественную меру действия chaleur и координату состояния calorique. Член-корреспондент АН Белорусской ССР А.Й.Вейник более сорока лет назад создал новую систему классической термодинамики, в которой отказался от величины энтропии, заменив ее величиной термического заряда - аналога электрического заряда. Он высказывал мнение, что термический заряд можно было бы назвать теплородом, если бы к этому названию не было такого негативного отношения. То есть, по сути сделал попытку вернуться к идеям Карно. Дискуссия по поводу того, как относиться к теплороду, что фигурирует в произведении Карно, не закончилась до сих пор.

Далее, Р.Клаузиус, чтобы согласовать идеи Карно с законом сохранения энергии, ввел постулат: не представляется возможным процесс, единственным результатом которого является переход теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому. Но в 1947 г. О.А.Гухман показал, что доказательство Клаузиуса можно повторить, исходя из "антипостулата»: не является возможным процесс, единственным результатом которого является переход теплоты от тела более нагретого к телу менее нагретому. Возникла проблема обоснования существования энтропии, решение которой и до сих пор нет.

Таким образом, сегодня произведение Сади Карно не только служит основой современных теорий в различных разделах термодинамики, но и остается источником сложных теоретических проблем. Можно выразить уверенность, что как бы дальше не развивалась наука и техника, "Размышления о движущей силе огня" еще долго не потеряют научной ценности и актуальности.

x

Електронний кампус

Інформаційні ресурси

Викладачі КПІ

GitHub репозиторій