Сергей Капица. Физика 19 века

 

 

Карно - Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу

 

Мы приводим начало мемуара Карно "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу", поскольку в этой работе нет никакого вступления.

 

РАЗМЫШЛЕНИЯ О ДВИЖУЩЕЙ СИЛЕ ОГНЯ И О МАШИНАХ, СПОСОБНЫХ РАЗВИВАТЬ ЭТУ СИЛУ

 

Никто не сомневается, что теплота может быть причиной движения, что она даже обладает большой двигательной силой: паровые машины, ныне столь распространенные, являются этому очевидным доказательством.

 

Теплоте должны быть приписаны те колоссальные движения, которые поражают наш взгляд на земной поверхности; она вызывает движение атмосферы, поднятие 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, вулканические извержения также имеют причиной теплоту.

 

Из этих огромных резервуаров мы можем создавать движущую силу, нужную для наших потребностей; природа, повсюду предоставляя горючий материал, дала нам возможность всегда и везде получать теплоту и сопровождающую ее движущую силу. Развивать эту силу и приспособлять ее для наших нужд – такова цель тепловых машин.

 

Изучение этих машин чрезвычайно интересно, так как их значение весьма велико, и их распространение растет с каждым днем. Поводимому им суждено сделать большой переворот в цивилизованном мире. Тепловая машина уже обслуживает наши шахты, двигает наши корабли, углубляет гавани и реки, кует железо, обрабатывает дерево, мелет верно, ткет и прядет наши ткани, переносит самые тяжелые грузы и т.д. Со временем, должно быть, она станет универсальным двигателем, который получит преимущество над силой животных, падающей воды и потоков воздуха. Перед первыми двигателями она имеет то преимущество, что экономнее их, перед двумя остальными – неоцененное преимущество, что может работать всегда и везде и никогда не прерывать своей работы.

 

 

Если когда‑нибудь улучшения тепловой машины пойдут настолько далеко, что сделают дешевой ее установку и использование, то она соединит в себе все желательные качества и будет играть в промышленности такую роль, всю важность которой трудно предвидеть. Она не только заменит имеющиеся теперь двигатели удобным и мощным двигателем, который можно повсюду перенести и поставить, но и даст тем производствам, к которым будет применена, быстрое развитие и может даже создать новые производства.

 

Наибольшая услуга, оказанная тепловой машиной Англии,– возрождение деятельности угольных копей, грозивших совсем заглохнуть, вследствие все возрастающей трудности откачивать воду и поднимать уголь[1]. Во вторую очередь надо поставить услугу, оказанную производству железа, как благодаря широкой замене дров углем как раз в тот момент, когда естественные запасы древесного топлива подходили к концу, так и благодаря машинам всякого рода, применение которых позволила или облегчила тепловая машина.

 

Железом и огнем, как известно, питаются и поддерживаются механические производства. В Англии, может быть, не существует ни одного промышленного предприятия, существование которого не было бы основано на употреблении этих двух агентов и их широком использовании. Отнять у Англии в настоящее время ее паровые машины – означало бы разом отнять у нее и железо и уголь, отнять у нее все источники богатства, уничтожить все средства к процветанию; это означало бы уничтожить всю ее великую мощь. Уничтожение флота, который она считает своей главной опорой, было бы для нее менее губительным.

 

Надежное плавание паровых кораблей можно рассматривать, как совершенно новое искусство, обязанное тепловой машине. Тепловая машина позволила установить регулярное и быстрое сообщение через морские проливы и по большим рекам Старого и Нового Света. Она позволила пройти через дикие страны, куда еще недавно можно было едва проникнуть, позволила принести плоды цивилизации в такие точки земного шара, где их иначе пришлось бы ждать еще долгие годы. Плавание с помощью тепловых машин сближает в некотором роде наиболее отдаленные нации. Паровая машина связывает народы земли, как если бы они все жили в одном и том же месте. В самом деле, уменьшить продолжительность, утомительность, ненадежность и опасности путешествий – разве это не значит уменьшить расстояние? [2]

 

Тепловая машина, как и большинство человеческих изобретений, родилась из ряда попыток, приписываемых различным людям; истинный же автор остается неизвестным. Но не в этих попытках заключается существенная часть открытия, а в последовательных усовершенствованиях, приведших тепловую машину к ее современному виду. Приблизительно такое же расстояние отделяет первый прибор, использовавший силу расширения пара, от современной машины, какое отделяет первый плот, построенный людьми, от многопалубного корабля.

 

Если честь открытия должна принадлежать той нации, в которой оно получило рост и развитие, то здесь в этой части нельзя отказать Англии: Савери, Ньюкомен, Смитсон, знаменитый Уатт, Вулф, Треветик и некоторые другие английские инженеры являются истинными создателями тепловой машины; в их руках она прошла через все последовательные ступени усовершенствований. Естественно, что изобретение появляется и особенно развивается там, где в нем имеется наибольшая потребность.

 

Несмотря на работы всякого рода, предпринятые относительно паровых машин, несмотря на удовлетворительное состояние, в которое они теперь приведены, их теория весьма мало подвинута и попытки их улучшить почти всегда руководились случаем.

 

Часто поднимали вопрос: ограничена или бесконечна движущая сила тепла[3], существует ли определенная граница для возможных улучшений, граница, которую природа вещей мешает перешагнуть каким бы то ни было способом,– или, напротив, возможны безграничные улучшения? Также долгое время искали и ищут теперь, не существует ли агентов, более предпочтительных, чем водяной пар, для развития движущей силы огня; не представляет ли, например, атмосферный воздух в этом отношении больших преимуществ. Мы ставим себе задачу подвергнуть здесь эти вопросы внимательному рассмотрению.

 

Явление получения движения из тепла не было рассмотрено с достаточно общей точки зрения. Его исследовали только в машинах, природа и образ действия которых не позволяли дать ему того полного развития, на которое оно способно. У подобных машин это явление сказывается в искаженном и неполном виде; поэтому трудно узнать его основы и изучить его законы.

 

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, приложимые не только к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам  каково бы ни было рабочее вещество и каким бы образом на него ни производилось действие.

 

Машины, не получающие движения от тепла, а имеющие двигателем силу человека или животных, падение воды, поток воздуха и т.д., могут быть изучены до самых мелких деталей посредством теоретической механики. Все случаи предвидимы, все возможные движения подведены под общие принципы, прочно установленные и приложимые при всех обстоятельствах. Это – характерное свойство полной теории. Подобная теория, очевидно, отсутствует для тепловых машин. Ее нельзя получить, пока законы физики не будут достаточно расширены и достаточно обобщены, чтобы наперед можно было предвидеть результаты определенного воздействия теплоты на любое тело.

 

Мы будем в последующем предполагать знание, хотя бы приблизительное, различных частей, составляющих обычную паровую машину. Поэтому мы считаем излишним объяснять, что такое топка, паровой котел, паровой цилиндр, поршень, холодильник и т.д.

 

Получение движения в паровых машинах всегда сопровождается одним обстоятельством, на которое мы должны обратить внимание. Это обстоятельство есть восстановление равновесия теплорода, т.е. переход теплорода от тела, температура которого более или менее высока, к другому, где она ниже. В самом деле, что происходит в паровой машине, находящейся в действии? Теплород, полученный в топке благодаря горению, проходит через стенки котла, приводит к образованию пара и с ним как бы соединяется. Пар увлекает его с собой, несет сперва в цилиндр, где он выполняет некоторую службу, и оттуда в холодильник, где, соприкасаясь с холодной водой, пар сжижается. Холодная вода холодильника поглощает в конечном счете теплород, полученный сгоранием. Она согревается действием пара, как если бы была поставлена непосредственно на топку. Пар здесь только средство переноса теплорода; он выполняет ту же роль, что и при отоплении бань паром, с той только разницей, что здесь его движение становится полезным.

 

В процессах, которые мы описали, легко узнать восстановление равновесия теплорода, его переход от тела более или менее нагретого к телу более холодному. Первое из этих тел – сожженный в топке воздух, второе – вода холодильника. Восстановление равновесия теплорода происходит между ними, если не полностью, то во всяком случае отчасти, так как, с одной стороны, сожженный воздух, выполнив свою роль, побыв в соприкосновении с котлом, уйдет в трубу с температурой более низкой, чем та, которую он получил при сгорании, и, с другой стороны, вода холодильника, ожижив пар, удалится из машины с температурой более высокой, чем она имела первоначально.

 

Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего тела к холод‑ному , т.е. восстановлению его равновесия – равновесия, которое было нарушено некоторой причиной, будь то химическое воздействие, как горение, пли что‑нибудь иное. Мы увидим, что этот принцип приложим ко всем машинам, приводимым в движение теплотой...

 

Карно

Карно

 

К содержанию: Сергей Петрович Капица: Жизнь науки

 

Смотрите также:

 

Концепция современного естествознания. От возникновения...

Карно сопоставляет работу с теплотой, перешедшей от тела с температурой Т1 к телу с температурой Т2. Клаузиус же

 

Сади Карно – цикл Карно

Сади Карно. Возникновение термодинамики непосредственно связано с развитием конструкций тепловых двигателей в эпоху промышленной революции.

 

Карно Carnot Лазар Никола Французский математик

Карно (Carnot) Лазар Никола. (1753-1823). Французский математик. Член Законодательного собрания в 1791-1792 г

 

Второй закон термодинамики

Карно пишет: «Тепло — не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; эт

 

Клапейрон, Клаузиус – что значит энтропия

Б. Клапейрон развил выводы Н. Карно (1834) и ввел ценный для практики метод графического изображения процесса теплопередачи в двигателе. Р. Клаузиус (1822—1888)...

 



[1] Можно утверждать, что в Англии, со времени изобретения тепловых машин,  добыча угля удесятерилась. Приблизительно то же имеет место относительно добычи  меди, олова и железа. Воздействие, которое тепловая машина оказала полвека тому назад на копи Англии, ныне повторяется па серебряных и золотых рудниках  Нового Света – рудниках, производительность которых сокращалась изо дня в день, главным образом, благодаря неудовлетворительному действию машин,  откачивавших воду и поднимавших руду.

 

[2] Мы говорим – уменьшить опасности путешествии: в самом деле, если применение тепловых машин на корабле и представляет некоторые опасности, впрочем весьма преувеличенные, то они с избытком искупаются возможностью всегда держаться на посещаемом и хорошо известном пути и противостоять усилиям ветра, когда он несет корабль на берег, мель пли рифы.

 

[3] Мы употребляем здесь выражение движущая сила, чтобы обозначить полезное действие, которое может дать двигатель. Это действие всегда возможно свести к поднятию груза па определенную высоту; мерой его, как известно, является произведение веса па высоту, на которую груз поднят.