TimesHistory

12 июня 1824 г. в Париже вышла в свет первая и единственная работа 28-летнего военного инженера Сади Карно "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу (Réflexiones sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développe cette puissance)" - небольшой трактат, объемом всего около четырех печатных листов. Идеи, изложенные в этом сочинении, переросли впоследствии в один из важнейших разделов современной физики и оказали огромное влияние на развитие не только науки и техники, но в определенной мере и философии. В литературе имя С. Карно упоминается столь же часто, как и И. Ньютона, с основами его теории знакомятся еще на школьной скамье. В своем трактате он ввел в научный обиход множество понятий, использующихся в термодинамике и сейчас: идеальной тепловой машины, идеального цикла, обратимости процесса и т.д. Однако главной заслугой ученого стало выдвижение идей о необходимости перепада температур для создания цикличности действующей тепловой машины и о том, что величина работы определяется только разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы рабочего тела, т.е. вещества, работающего в тепловой машине (теорема Карно). Пришел к понятию механического эквивалента теплоты и сформулировал в общем виде закон сохранения энергии. В своих рассуждениях Карно придерживался теории теплорода, однако в дальнейшем, как явствует из его записок, изданных посмертно, он от неё отказался, признав взаимопревращаемость теплоты и механической работы. Единственная опубликованная работа Карно была оценена лишь десять лет спустя, когда Б. Клапейрон, повторив рассуждения Карно, изложил ее в математическом виде и ввел графический метод описания цикла Карно. Благодаря этому представления Карно стали известны другим ученым и послужили основой развития классической термодинамики в трудах У. Томсона (Кельвина), Р. Клаузиуса и др.

Идеальных машин в реальной жизни не существует, это всего лишь мысленный конструкт. Каждая из таких гипотетических машин, среди которых двигатель Карно занимает немаловажное место, иллюстрирует какое-нибудь важное теоретическое заключение. Двигатель Карно, лежащий в основе работы идеального теплового двигателя, был придуман французским инженером Сади Карно за двадцать лет до того, как были сформулированы основы термодинамики, однако он иллюстрирует важное следствие из второго начала термодинамики.

Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно - машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Поршень может свободно перемещаться между двумя тепловыми резервуарами - с высокой температурой и с низкой температурой. (Для удобства представим, что горячий тепловой резервуар нагревается посредством сжигания смеси бензина с воздухом, а холодный - остужается водой или воздухом комнатной температуры) В этой тепловой машине происходит следующий идеальный четырехфазный цикл:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.

2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.

3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.

4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.