Марк Левин - Машина-двигатель

Думал ли парижский книгоиздатель Башелье, отпечатав в 1824 году и выставив в витрине своего магазина тоненькую книжку, что ей суждено положить начало новой науке?

Правда, автор этой книжки, молодой человек в мундире военного инженера, носил известную всей Франции фамилию Карно. Многие видные инженеры и ученые давали о нем самые лестные отзывы, уверяя, что он, Сади Карно, достойный сын своего знаменитого отца — Лазаря Карно.

Ну, а кто не помнил Лазаря Карно? Член конвента, страстный республиканец, военный министр республики, а затем один из ее Директоров — он не мог смириться с вероломством генерала Бонапарта, не мог простить ему измену Республике и, несмотря на уговоры нового императора, отошел от политической жизни. Но Лазарь Карно был известен не только как общественный деятель, — его знали как крупнейшего ученого Франции. Ему принадлежали очень важные научные труды по математике и механике, частично созданные в разгар политической борьбы… Были известны увлечения Лазаря Карно и философией, и поэзией… Передавали, что младшего сына, родившегося в 1796 году, он назвал именем Сади в честь своего любимого персидского поэта XIII века — Саади. Известно, наконец, что Лазарь Карно сам подготовлял своего сына к поступлению в Парижскую политехническую школу, которую Сади окончил восемнадцати лет, поступив далее на службу военного инженера. И тем не менее, следует ли много ожидать от двадцативосьмилетнего инженера? «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способны развивать эту силу» — так назвал автор свою брошюру.

Книгоиздатель не рассчитывал на ее успех. Она была издана небольшим тиражом. Читалась она, правда, легко, но, именно поэтому, можно ли ее считать серьезным научным трудом, — ведь в ней не содержалось ни одного сколько-нибудь сложного математического вывода?

И, видимо, не только книгоиздатель, — ученые и инженеры тоже сочли появление брошюры Сади Карно рядовым, даже заурядным явлением. Правда, в книге высказывались оригинальные, свежие мысли, но ведь это только «размышления». Молодому человеку еще следует потрудиться, накопить побольше опыта и облечь свои мысли в форму строгого математического анализа.

Так, появившись на свет, небольшая книжка Сади Карно была вскоре всеми забыта. Автор продолжал накапливать материал. Следуя совету старших ученых, он собирался издать другой, более обширный, труд. Но в 1832 году, полный энергии и творческих сил, Сади Карно скончался, заразившись тяжелой болезнью — холерой.

Все бумаги заразного больного были сожжены, кроме отрывочных записей, сохраненных его братом.

Спустя два года другой французский ученый, Клапейрон, выступил с научным трудом, где он напомнил о тех замечательных мыслях, которые впервые изложил в своей книге Сади Карно. Дополнив эти мысли строго научным математическим исследованием, Клапейрон показал, что правильно строить тепловые двигатели можно, лишь изучив законы, которым подчиняется процесс превращения тепла в механическую энергию. Но и после Клапейрона новая наука еще не получила практического применения.

Лишь спустя два десятилетия, когда появились, кроме паровой машины, и другие тепловые двигатели, вновь вспомнили о книгах Карно и Клапейрона. Многие ученые стали дальше развивать новую науку, получившую название «термодинамика» (движение тепла), но «отцом» этой науки по праву считался и считается до наших дней двадцативосьмилетний инженер-ученый Сади Карно.

О чем же размышлял Карно? В чем значение и сила его мыслей?

Еще в 1784 году, когда появилась паровая машина Уатта и новый универсальный тепловой двигатель дал толчок дальнейшему развитию промышленности, отец Сади, Лазарь Карно, писал: «Заметьте, какое количество ручной работы может быть сбережено в промышленности, когда будут лучше знать теорию тепла. Я имею основание думать, что эта теория произведет изумительный переворот в промышленности…».

Прошло четыре десятка лет, и Сади Карно, восприняв от отца глубочайший интерес к теории тепловых двигателей, своей работой положил начало этому изумительному перевороту.

К 1824 году паровая машина прочно вошла в жизнь. Она приводила в движение фабричные машины, пароходы и паровозы. Указывая на столь важное значение, которое приобрела в промышленности и на транспорте паровая машина, Сади Карно отмечал ее несовершенство как теплового двигателя. Ведь только 4–5 % всего тепла, которое выделяется при сгорании угля в топке парового котла, используется для полезной работы! Остальные 95–96 %, то есть почти всё тепло, теряется: излучается в атмосферу, уходит с топочными газами, уносится отработавшим паром…

Но почему? Неужели нельзя построить тепловой двигатель с более высоким тепловым, или — как говорят инженеры — термическим КПД, где бы использовалось значительно больше тепла для полезной механической работы?

А может быть, есть способ превращения всей выделяющейся при сгорании топлива теплоты в работу?

На эти вопросы наука, как замечает Карно, еще не могла дать ответа. И это потому, что ученые еще не определили те общие законы, которым подчиняется процесс перехода тепла в механическую энергию.

Мало совершенствовать устройство самой машины, надо поставить вопрос относительно тепловых двигателей вообще.

И Сади Карно сам впервые поставил этот вопрос о тепловых двигателях вообще.

На примере паровой машины Сади Карно заключил, что «во всех паровых машинах получение движения связано с одним обстоятельством, на которое нужно обратить особое внимание. Это восстановление теплового равновесия, то есть переход тепла от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой».

…Продрогнув на морозе, вы подходите к только что натопленной печи. Прижавшись холодными ладонями к гладким печным изразцам, вы с наслаждением ощущаете, как медленно начинает разливаться тепло по всему вашему телу. Но вот, простояв пятнадцать-двадцать минут, вы почувствовали себя согревшимся, а печка вам стала казаться уже остывшей. Вдумаемся, — почему печка нагрела вас, а не вы печку? Ведь ваше тело также может передать какое-то количество- тепла, но почему же это тепло не передалось печке, а вот тепло от печки вас согрело? Оказывается, тепло может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой. Когда температуры обоих тел выравниваются, — наступает тепловое равновесие.

Точно такое явление мы наблюдаем и при переходе, скажем, воды с одного уровня на другой. С нижнего уровня вода не может сама подняться на верхний, а вот падать сверху вниз она может, да при этом еще и работу произведет, если ее падение будет использовано, например, гидротурбиной. И чем выше находится верхний уровень над нижним, тем больше работы произведет падающая вода.