Лев Гумилевский - Создатели двигателей

Из этих огромных резервуаров мы можем черпать механическую энергию, нужную для наших потребностей. Природа, всюду предоставляя горючий материал, дала нам возможность всегда и везде получать тепло, а стало быть, и механическую энергию. Развивать эту движущую силу и приспособлять ее для наших нужд — такова цель тепловых машин. Изучение этих машин чрезвычайно интересно, так как значение их весьма велико, а распространение их растет с каждым днем. По-видимому, им суждено произвести огромный переворот в цивилизованном мире. Тепловые машины уже обслуживают наши шахты, двигают наши корабли, углубляют гавани и реки, куют железо, обрабатывают дерево, мелют зерно, ткут и прядут наши ткани, перевозят самые тяжелые грузы… Со временем тепловая машина, должно быть, станет универсальным двигателем, который получит преимущество над силой животных, падающей воды и потоков воздуха… Она не только заменит имеющиеся теперь в употреблении двигатели удобным и мощным двигателем, который можно будет всюду поставить, но и даст тем производствам, в которых она будет применена, быстрое развитие и даже создаст новые производства».

Переходя далее к прямым задачам своей работы, Карно отдает должное коллективу изобретателей, создавших паровую машину. Он указывает, однако, что, «несмотря на работы всякого рода, предпринятые в отношении паровых машин, несмотря даже на удовлетворительное состояние, в которое они теперь приведены, теория их весьма мало подвинута вперед и попытки улучшить их почти всегда руководились случаем».

«Часто поднимали вопрос, — говорит Карно дальше, — ограниченна ли или бесконечна движущая сила тепла, существует ли определенная граница для возможных улучшений, граница, которую природа вещей мешает перешагнуть каким бы то ни было способом, или, напротив, возможны безграничные улучшения? Так же долго искали и теперь ищут, не существует ли агентов, предпочтительных водяному пару для развития движущей силы огня, не представляет ли, например, воздух в этом отношении большие преимущества? Мы ставим себе задачу подвергнуть все эти вопросы внимательному рассмотрению».

На эти основные вопросы и дает свои ответы Сади Карно. Они просты, кратки, ясны. Проникновение Карно в природу вещей, о которых он толкует, изумительно. Он говорит о тепловых двигателях вообще, хотя в его время не было никаких иных тепловых двигателей, кроме паровых. Он за полвека вперед предвидит не только возможность появления двигателей внутреннего сгорания, но указывает даже практический путь для их осуществления, тот самый путь, который через семьдесят лет привел инженера Рудольфа Дизеля к практическому успеху. Но прежде всего Карно излагает свою теорию тепловых двигателей и устанавливает основной закон науки о теплоте почти в тех же самых выражениях, в которых он формулируется и теперь, спустя сто лет.

«Во всех паровых машинах, — указывает Карно, — получение движения связано с одним обстоятельством, на которое нужно обратить особенное внимание: это восстановление теплового равновесия, переход тепла от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой».

Указывая на то, что работа теплового двигателя зависит от перепада температуры, Карно заключает: для получения в двигателе работы необходимо иметь два источника тепла разных температур.

«Чтобы получить движущую силу, — восклицает он, — недостаточно только производить теплоту, нужно иметь также и холод!»

И далее он устанавливает основной закон науки о теплоте, известный как «начало Карно»:

«Везде, где существует разность температуры, везде, где может быть произведено восстановление теплового равновесия, может быть получена движущая сила. Водяной пар есть только средство для получения движущей силы, но он не единственное средство: все тела природы могут быть употреблены для этой цели. Все тела способны изменять объем, сжиматься и расширяться под действием тепла и холода; все они способны преодолевать при изменении своего объема известные сопротивления и развивать таким образом движущую силу».

Для разрешения вопроса о том, зависит ли работа теплового двигателя от тела, посредством которого она совершается, Карно сравнивает два процесса: процесс перехода тепла от источника с высокой температурой к источнику с низкой температурой, в результате чего получается некоторое количество работы, и обратный процесс, когда тепло переходит от тела с низшей температурой и телу с высшей температурой в результате совершения некоторой работы.

И вот здесь Карно устанавливает обратимость тепловых процессов, лежащую в основе учения о теплоте.

Установив теоретическую обратимость тепловых явлений и необходимость иметь разницу в температурах для превращения теплоты в работу, Карно положил начало термодинамике — науке о тепловых явлениях. Термодинамика стала фундаментом теплотехники — науки, изучающей конструкцию и работу всех машин, превращающих теплоту в работу и работу в теплоту.

Возвращаясь к вопросу о том, зависит ли работа теплового двигателя от рабочего тела, посредством которого эта работа совершается, Карно отвечает:

«Количество работы, могущее быть полученным от затраты теплоты, не зависит от рабочего тела, при помощи которого работа осуществляется. Это количество определяется только температурами тел, между которыми осуществляется в конечном счете перенос тепла».

После этого Карно разбирает вопрос о возможности применения в тепловых двигателях тех или иных рабочих тел. Он справедливо указывает, что наивыгоднейшими телами могут быть только пары и газ, обладающие большой способностью к расширению, и устанавливает основные правила: температура рабочего тела должна быть в начале рабочего процесса возможно более высокой, чтобы получить возможно больший перепад тепла, а стало быть, и возможно большее количество работы, а охлаждение должно производиться до температуры возможно более низкой.

Относя эти правила к работе паровых двигателей, Карно указывает, что в них редко применяется давление пара выше шести атмосфер. Такое давление соответствует температуре в 160 градусов. Между тем температура конденсатора обычно равна 40 градусам. Разность температур, используемая в паровых двигателях, таким образом, не бывает больше 120 градусов.

Если бы возможно было использовать весь перепад тепла от температуры сгорания топлива, равной 1000 градусам, до температуры охлаждающей воды, равной 10 градусам, то этот перепад составлял бы почти 1000 градусов и, несмотря на всяческие потери, в двигателе при одном н том же количестве сожженного топлива было бы получено в несколько раз большее количество работы.