Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Уже давно и прочно укоренилось мнение, будто тепловой двигатель не может «полностью превратить теплоту в работу». И действительно, из теплоты, получаемой при сгорании топлива, самые лучшие тепловые двигатели преобразуют в работу процентов 25–30. И это дало повод утверждать, что даже идеальному тепловому двигателю принципиально свойственна такая неспособность, что этим-де тепловой двигатель принципиально отличается от всех прочих машин — электрических, гидравлических, механических. В чем же источник такого недоразумения?

Оказывается, следуя по пути Карно, специалисты мысленно устранили все источники необратимости лишь внутри идеальной тепловой машины, но они забыли сделать это во всем окружающем мире. Они забыли, что теплота, которую идеальная машина должна преобразовывать в работу, получается при сгорании топлива — типичнейшем необратимом процессе, последствия которого невозможно исправить никакой самой что ни на есть идеальной машиной. Так получилось, что тепловым машинам стали приписывать ответственность за потери, вносимые необратимостью, в которых они совершенно неповинны.

Стоит поместить тепловые машины в обратимый мир, в котором тепловое движение равноправно со всеми другими формами движения, и мы убеждаемся: тепловые машины ничем не хуже других, никакие особые потери им не свойственны, и по экономичности они ничем не уступают электродвигателям или зубчатым передачам. Но стоит их поместить в реальный необратимый мир, в котором необратимость придает тепловому движению особое место, отличное от места, занимаемого всеми другими формами движения, и мы убеждаемся: из скромного нагревателя-охладителя тепловая машина превращается в первичный двигатель, но зато у нее появляются потери, делающие ее в несколько раз менее экономичной, чем электромоторы и зубчатые передачи.

Как же работают и чем отличаются друг от друга многочисленные тепловые двигатели современной промышленности? Раньше всех разобрался в этом Сади Карно…

Он понял, что для работы теплового двигателя прежде всего необходим перепад температур: «…недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод; без него теплота стала бы бесполезна. В самом деле, если бы вокруг нас были тела только такие же горячие, как и топка, каким бы образом можно было сконденсировать пар? Куда его бы деть, раз он получен? Не следует думать, что его можно… выбросить в атмосферу: атмосфера не приняла бы его. Она принимает его в обычных условиях, потому что выполняет роль большого холодильника, потому что находится при более низкой температуре: иначе она была бы им вскоре заполнена…»

Теплоизолированный цилиндр с поршнем, наполненный идеальным газом (Л), оказался чрезвычайно интересным и поучительным устройством. Когда Силач стал силой вытаскивать поршень из теплоизолированного цилиндра (Б), он с удивлением обнаружил, что при таком — адиабатическом — расширении уменьшается не только давление, но и температура Тут на помощь Силачу поспешил Огнепоклонник: он удалил теплоизоляцию и стал подогревать газ в цилиндре так, чтобы при его расширении температура оставалась постоянной (В). При таком — изотермическом — расширении Силач мог тянуть поршень уже с меньшей затратой работы. Тогда Огнепоклонник стал греть расширяющийся газ еще сильнее, так, чтобы оставалось постоянным его давление (Г). При этом — изобарном — процессе работа Силача стала еще меньше Наконец, поршень уперся в крышку цилиндра и объем газа стал постоянным В этом — изохорном — процессе вся теплота идет только на увеличение температуры и давления, а Силачу уже делать совсем нечего.

Таким образом, взглянув на процессы в цилиндре глазами Силача, мы увидим их изображенными в механических параметрах — давлении (Р) и удельном объеме (V) На рисунке внизу диаграмма P — V изображена черным цветом. А взглянув на те же самые процессы глазами Огнепоклонника, мы увидим их изображения в термических параметрах — температуре (Т) и энтропии (S). На рисунке внизу диаграмма T — S изображена красным цветом.

Изучая эти диаграммы, Силач и Огнепоклонник обнаружили их интересные особенности Площадь под линией, изображающей тот или иной процесс в диаграмме P — V, равна механической работе, совершаемой в этом процессе А площадь под линией в диаграмме Т — S И30’ бражает теплоту, подведенную или отведенную в процессе Действительно, в изохорном процессе механическая работа не совершается и площадь под изохорой в диаграмме Р — V равна нулю. А в диаграмме T — S равна нулю площадь под адиабатой — и это как раз тот случай, когда газ не обменивается теплотой с другими телами.

Но мало, оказывается, иметь только перепад температур. «…Теплота может быть причиной движения только тогда, когда она заставляет тела изменять объем или форму; эти изменения происходят не от постоянства температуры, но именно вследствие переменного действия тепла и холода…»

Какие же тела можно использовать для теплового двигателя? В принципе любые — «…все тела природы могут быть применены для этого; все тела способны к изменению объема, к сжатию и расширению при действии тепла и холода; все способны при изменении своего объема побеждать некоторые сопротивления и, таким образом, развивать движущую силу. Твердое тело, например, железный стержень, попеременно нагреваемый и охлаждаемый, увеличивается и уменьшается в длине и может двигать тела, прикрепленные к его концам. Жидкость, попеременно нагреваемая и охлаждаемая, увеличивается и уменьшается в объеме и может побеждать более или менее значительные препятствия, мешающие ее расширению. Газообразная жидкость способна к большим изменениям объема при изменении температуры: если она находится… в цилиндре с поршнем, то она производит значительные движения…»

Теперь уже примерно ясно, как, в принципе, должен работать тепловой двигатель. Самая незатейливая конструкция — металлический стержень, поднимающий груз за счет подвода и отвода теплоты. Когда стержень охлажден, на него ставят груз. После этого нагреваемый стержень расширяется и, совершая работу, поднимает груз на некоторую высоту. Сняв груз, мы охлаждаем стержень и возвращаем его в исходное состояние. В этом примитивном устройстве есть все особенности настоящего теплового двигателя. Оно работает по тепловому циклу, то есть совершает последовательность операций, в результате которых стержень возвращается в исходное состояние и готов снова претерпеть все изменения и поднять на высоту новую порцию груза.