Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Бросив свет понимания на работу тепловых двигателей, показав, что развитие их пойдет по пути повышения температуры пара, разъяснив, что простая, не сопровождающаяся повышением начальной температуры пара замена воды в паровых машинах ртутью, серой и другими веществами ничего не даст, Карно навсегда завоевал на свою сторону сердца инженеров-теплотехников. И этим оказал неожиданно мощную поддержку теории теплорода…

Как это ни удивительно, Карно — сторонник теории теплорода. По его убеждению, эта невесомая, но неуничтожимая материя может быть уподоблена воде, приводящей в движение мельничное колесо. Количество воды остается все время неизменным, работа же совершается за счет простого падения воды с высокого уровня на низкий. Чем больше напор — разность уровней, тем большую работу совершает один килограмм воды. В принципе, считал Карно, тепловые двигатели работают примерно так же. Разность температур в котле и в конденсаторе подобна разности уровней воды. Теплород эквивалентен воде, его количество неизменно, и в конденсатор попадает ровно столько теплорода, сколько выходит из котла. Приняв за аксиому неуничтожимость теплорода, Карно особенно ясно понял принципиальную важность разности температур в котле и в конденсаторе для работы тепловых машин. Подобно тому как огромные количества воды в океане бесполезны для получения работы, поскольку воде некуда стекать, так и огромные количества теплового движения, по сути дела, мертвы, если нет перепадов температур, нет стока для теплорода. Карно доказывал: мало иметь источники теплорода, надо еще иметь и резервуары, в которые он мог бы стекать.

При чтении «Размышления о движущей силе огня» видно, что Карно выступает прежде всего как инженер (кстати, он и был капитаном именно инженерных войск французской армии). Главное для него — исследование машины, то есть чисто инженерная задача. Очищение же тепловых процессов от необратимости — величайшее научное достижение — для него не более чем вспомогательный прием. Не удивительно, что успешное решение первой задачи поразило современников гораздо сильнее, чем гениальное решение второй.

После исследования Карно, еще больше укрепившись в мысли о неуничтожимости теплорода, ученые постарались не только отмахнуться от экспериментов Румфорда, но и долго отказывались всерьез обсуждать вдохновенные прорицания немецкого врача Роберта Майера и скрупулезные опыты манчестерского пивовара Джеймса Джоуля. Эти незнакомые и непохожие люди пришли к закону сохранения энергии независимо друг от друга. Оба они установили, что «движущая сила» сохраняется при изменениях любых форм движения. Однако Майер решил проблему в общем виде, взяв переход механической работы в теплоту как частный случай; а Джоуль, наоборот, — сначала экспериментально определил механический эквивалент теплоты, а потом высказал мысль, что, по-видимому, и при всех других превращениях «движущая сила» сохраняется.

Ученый мир по-разному отнесся к трудам этих непрофессионалов, не принадлежавших к ученой корпорации. Статьи Майера, появлявшиеся с 1842 года, просто никто не воспринял всерьез и не заметил: врач, берущийся учить физиков, новые взгляды вместо новых экспериментов… Нет, не стоит внимания! Сбросить же со счетов опыты Джоуля было не так-то просто.

В 1843 году британские ученые встретили сообщение Джоуля о том, что механическую работу можно превратить в теплоту, гробовым молчанием. Год спустя Королевское общество отказалось принять его статью, в которой в противовес Карно доказывалось, что пар, расширяющийся в цилиндре, теряет теплоту и что в конденсатор ее попадает меньше, чем выходит из котла. В 1845 году в Кембридже Джоуль делает доклад о том, что вода после водопада должна быть теплее, чем до него, и даже вычисляет этот прирост температуры для Ниагарского водопада — 0,11 °C. Еще через два года в Оксфорде он выступает с новым докладом, после которого собравшиеся физики обвиняют его в том, что свои слишком далеко идущие выводы он делает на основе каких-то сотых долей градуса.

Во время одного из этих выступлений и состоялась первая встреча Джоуля с молодым профессором Вильямом Томсоном — будущим лордом Кельвином. Слушая Джоуля, Томсон — знаток и поклонник Карно — испытал желание встать и доказать манчестерцу, что он не прав. «Но по мере того, как я слушал его, — вспоминал потом Томсон, — я понял: хотя в выводах Карно и есть зерно истины, от которого нельзя отказаться, Джоуль тоже прав и сделал великое открытие».

В течение нескольких лет Томсон, ставший другом Джоуля, не мог принять его взглядов. Он делал вместе с ним опыты, пытался измерять нагревание воды в водопадах, много размышлял о взаимопревращениях работы и теплоты. «Может оказаться, — думал он, — что разрешение этой проблемы потребует отказа от фундаментального положения Карно… Если мы сделаем это, мы столкнемся с бесчисленными новыми трудностями. Для их преодоления понадобятся новые эксперименты и перестройка всей теории теплоты до самых ее основ». И вот, когда Томсон, убежденный опытами Джоуля, уже начал сомневаться в принципе Карно, его родной брат Джеймс, основываясь на этом принципе, предсказал, что температура замерзания льда должна понижаться при увеличении давления. Тут только Томсон начал догадываться: быть может, принцип сохранения энергии не так-то уж противоречит принципу Карно. Но окончательно разрешить проблему довелось не ему…

Всего через несколько месяцев появилась статья немецкого физика Рудольфа Клаузиуса. «Вовсе не надо отбрасывать теорию Карно, — писал он. — Весьма возможно, что при получении работы оба процесса имеют место: какое-то количество теплоты подводится, какая-то часть передается от нагретого тела к холодному, и обе эти величины находятся в определенном отношении к произведенной работе».

Что же получалось?

Карно дал глубокие и правильные заключения о принципах работы паровых машин, считая, что теплород в них не уничтожается. А Клаузиус утверждал: эти глубокие и правильные заключения требуют, чтобы теплород в процессе получения механической работы в машинах уничтожался..

Сложилось положение, поистине труднодоступное для понимания. И тем не менее оно не было безнадежным…

Когда Сади Карно начал размышлять о движущей силе огня, ему прежде всего пришлось задуматься над тем ;какой должна быть идеальная тепловая машина. Ему надо было в реальной, покрытой копотью, стучащей и вибрирующей машине увидеть никому еще не ведомую идеальную и указать на те особенности и процессы, которые отличают машины реальные от идеальных. И Карно сделал это в форме, изумительной по глубине понимания, ясности и краткости.