Новая наука

О чем же размышлял Карно? В чем значение и сила его мыслей?

Еще в 1784 году, когда появилась паровая машина Уатта и новый универсальный тепловой двигатель дал толчок дальнейшему развитию промышленности, отец Сади, Лазарь Карно, писал: «Заметьте, какое количество ручной работы может быть сбережено в промышленности, когда будут лучше знать теорию тепла. Я имею основание думать, что эта теория произведет изумительный переворот в промышленности…».

Прошло четыре десятка лет, и Сади Карно, восприняв от отца глубочайший интерес к теории тепловых двигателей, своей работой положил начало этому изумительному перевороту.

К 1824 году паровая машина прочно вошла в жизнь. Она приводила в движение фабричные машины, пароходы и паровозы. Указывая на столь важное значение, которое приобрела в промышленности и на транспорте паровая машина, Сади Карно отмечал ее несовершенство как теплового двигателя. Ведь только 4–5 % всего тепла, которое выделяется при сгорании угля в топке парового котла, используется для полезной работы! Остальные 95–96 %, то есть почти всё тепло, теряется: излучается в атмосферу, уходит с топочными газами, уносится отработавшим паром…

Но почему? Неужели нельзя построить тепловой двигатель с более высоким тепловым, или — как говорят инженеры — термическим КПД, где бы использовалось значительно больше тепла для полезной механической работы?

А может быть, есть способ превращения всей выделяющейся при сгорании топлива теплоты в работу?

На эти вопросы наука, как замечает Карно, еще не могла дать ответа. И это потому, что ученые еще не определили те общие законы, которым подчиняется процесс перехода тепла в механическую энергию.

Мало совершенствовать устройство самой машины, надо поставить вопрос относительно тепловых двигателей вообще.

И Сади Карно сам впервые поставил этот вопрос о тепловых двигателях вообще.

На примере паровой машины Сади Карно заключил, что «во всех паровых машинах получение движения связано с одним обстоятельством, на которое нужно обратить особое внимание. Это восстановление теплового равновесия, то есть переход тепла от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой».

…Продрогнув на морозе, вы подходите к только что натопленной печи. Прижавшись холодными ладонями к гладким печным изразцам, вы с наслаждением ощущаете, как медленно начинает разливаться тепло по всему вашему телу. Но вот, простояв пятнадцать-двадцать минут, вы почувствовали себя согревшимся, а печка вам стала казаться уже остывшей. Вдумаемся, — почему печка нагрела вас, а не вы печку? Ведь ваше тело также может передать какое-то количество- тепла, но почему же это тепло не передалось печке, а вот тепло от печки вас согрело? Оказывается, тепло может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой. Когда температуры обоих тел выравниваются, — наступает тепловое равновесие.

Точно такое явление мы наблюдаем и при переходе, скажем, воды с одного уровня на другой. С нижнего уровня вода не может сама подняться на верхний, а вот падать сверху вниз она может, да при этом еще и работу произведет, если ее падение будет использовано, например, гидротурбиной. И чем выше находится верхний уровень над нижним, тем больше работы произведет падающая вода.

То же самое можно сказать и о тепле. Если тепло, совершая работу, будет переходить от верхнего температурного уровня к нижнему, то, чем эта разница уровней окажется больше, тем большую работу можно получить от того же количества тепла.

Как переход воды от верхнего уровня к нижнему можно использовать для получения механической работы? На пути потока воды ставится водяное колесо или гидротурбина.

А как можно превратить тепло в механическую работу? Надо при переходе тепла от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой поставить на его пути какое-либо устройство, где часть этого переходящего тепла использовалась бы для расширения газа, двигающего поршень.

Ведь то тепло, которое перешло от печки и согрело человека, никакой механической работы не совершило. Это был процесс простой теплопередачи.

А представьте себе другой случай. Вы купили в зимний день цветной воздушный шар. Придя домой, вы привязали этот шар возле печки и забыли о нем. Но вскоре он сам напомнил о себе, — раздался сильный хлопок, напоминающий выстрел, и вместо шара вы увидели жалко болтающиеся на бечевке лоскутки пузыря. Шар лопнул. Тепло, переходившее от печки к холодному шару, постепенно нагревало его. При этом заключенный внутри шара воздух нагревался тоже, а при нагреве все газы, как вам известно, расширяются. Но расширению воздуха препятствовала оболочка. Давление воздуха стало повышаться, оболочку начало распирать, пока она не лопнула. Таким образом, здесь тепло, переходящее от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой, было частично использовано для механической работы — разрыва оболочки шара.

Следовательно, всякая машина, где тепло превращается в механическую работу, то есть всякий тепловой двигатель, должен иметь два температурных уровня: верхний (источник тепла) и нижний (охладитель), а кроме того, в такой машине должно находиться вещество, способное изменять свой объем от нагрева и охлаждения и тем самым превращать тепло в механическую работу, например двигая поршень в цилиндре. Таким веществом может быть любой газ или пар, и называется это вещество «рабочим телом».

Вот Сади Карно как раз первый и указал на то, что в основе работы любого теплового двигателя лежит разность в температурном уровне рабочего тела (которым не обязательно должен быть пар, — об этом тоже впервые сказал Карно) до входа в цилиндр машины и после выхода из него. Чтобы наибольшая доля затраченного на нагрев тепла превратилась в работу, необходимо:

1) с помощью источника тепла с возможно более высокой температурой нагревать при этой температуре рабочее тело;

2) при нагреве заставить рабочее тело расширяться и совершать работу (например, позволив ему двигать поршень в цилиндре);

3) отводить от рабочего тела тепло охладителем, температура которого должна быть как можно ниже;

4) расширение продолжать без нагрева до тех пор, пока температура рабочего тела не снизится до температуры охладителя.

В паровую машину можно впустить пар разной температуры. Чем выше начальная температура, тем больше работы пар производит. Внутри цилиндра паровой машины пар будет толкать поршень и сам расширяться. Но, расширяясь, он, во-первых, постепенно будет уменьшать свое давление на поршень, во-вторых, он также постепенно будет и охлаждаться.

Заметим, что все газы при сжатии повышают свою температуру, а при расширении снижают. Наверно, накачивая велосипедным насосом шину, вы замечали, что насос начинает нагреваться. Это происходит как раз потому, что вы многократно сжимаете воздух внутри насоса. С другой стороны, если вы дотронетесь до трубки, выходящей из баллона, в котором содержится сжатый газ, в тот момент, когда газ выпускают, — вы ощутите, как трубка холодеет. При выходе из баллона газ расширяется и температура его при этом падает.

Вернемся к цилиндру паровой машины.

Итак, расширившийся пар снизил свою температуру и свое давление. Очевидно, если удастся пар расширить, как говорят, глубже, до очень малых давлений, а следовательно, и температур, то работу этот пар произведет большую. Вот почему полезно ставить за паровой машиной конденсаторы. Снижая температуру выходящего пара до температуры, близкой к температуре охлаждающей воды, стало возможным получить очень малое давление в конденсаторе, равное 0,04 атмосферы. При этом в цилиндре паровой машины образуется тоже низкое конечное давление, при котором пар и поступает в конденсатор.

Как и указывал Карно, понижение температуры пара на выходе, осуществленное с помощью конденсатора, привело к лучшему использованию тепла. Паровые машины с конденсатором стали обладать более высоким коэффициентом полезного действия.

В современной паровой технике дальше понижать нижний температурный уровень уже затруднительно. И так в конденсаторе образуется почти пустота (0,04 атмосферы!). Поэтому сейчас обращено особое внимание на повышение начальных давлений и температур пара.

Оба эти пути, указанные Карно, помогли совершенствовать паровую машину. Но, кроме того, в размышлениях «отца термодинамики» содержались очень важные мысли и о том, как лучше подводить тепло к рабочему телу, как лучше расширять рабочее тело, как лучше отводить от него тепло на нижнем температурном уровне и как лучше вновь подготавливать рабочее тело к расширению. Карно предложил идеальный цикл тепловой машины, при котором во время перехода от верхнего температурного источника к охладителю тепло превращалось бы в максимально возможное количество механической работы и не терялось бы на теплообмен с окружающей средой.

Познакомимся же с этим идеальным циклом Карно, так как к нему стремятся приблизить циклы всех тепловых двигателей. По тому, как далеко отклоняется процесс превращения тепла в механическую работу в данном двигателе от процесса, предложенного Карно, судят о термодинамическом совершенстве такого двигателя.

Так можно было бы осуществить работу теплового двигателя по идеальному циклу, предложенному Карно.

Представим себе цилиндр с нагруженным поршнем. Грузом является песок, насыпанный в чашу. Внутри цилиндра находится «рабочее тело» — какой-либо газ.

Допустим, что стенки цилиндра и поршень сделаны из такого материала, который не пропускает тепло. Через донышко же цилиндра, которое сделано из теплопроводного материала, можно газ нагревать или охлаждать. Предположим далее, что у нас имеется два чугунных ящика с плитами. В первый ящик положены горячие угли, и плита нагрета до температуры T₁. Во второй ящик положены куски льда, и плита охлаждена до температуры Т₂. Подведем под цилиндр горячую плиту. Через некоторое время газ нагреется до температуры плиты T₁ и займет некоторый начальный объем в цилиндре: поршень с полным грузом окажется на высоте I. Предположим, что вдоль вертикального движения чаши с песком поставлена колонка, разделенная полочками на ячейки. Сбросим в ячейку 1 немного песку. Поршень станет легче, и газы его приподнимут до полочки 2. При этом произойдет небольшое расширение и, следовательно, охлаждение газа; но, добавив немного угля в нашу жаровню, мы опять установим температуру Т₁. Затем то же самое проделаем вновь — поршень поднимется до полочки 3, и так далее. Достигнув уровня, например, полочки 7, мы отведем горячую плиту, закроем донышко, чтобы не уходило из цилиндра тепло, и сбросим песок, не добавляя нового тепла. Поршень дойдет до полочки 8, но газ, теперь уже расширившись, несколько охладится, так как добавки тепла не поступает. Чтобы достигнуть полочки 9, нам придется сбросить на полочку 8 больше песка, чем сбрасывалось раньше, так как вместе с расширением и охлаждением начало значительно снижаться и давление газа. Достигнув полочки 9, мы сбросим вновь много песка. До полочки 10, где стоит упор верхнего крайнего положения, поршень дошел с небольшим грузом.

Первая часть расширения и работы газа по подъему поршня шла при неизменной температуре, равной температуре горячего источника. Такой процесс расширения называется в термодинамике «изотермическим» (при постоянной температуре). После того, как мы отняли горячий источник, расширение продолжалось, но без приема и без отдачи тепла (стенки изолированы). Такой процесс расширения называется адиабатическим.

Так мы совершили ход поршня вверх. Но всякая тепловая машина только тогда сможет стать двигателем, когда рабочее тело будет, совершив работу, возвращаться вновь в исходное состояние. Или, иными словами, тепловой двигатель должен работать по «замкнутому циклу», то есть непрерывно повторять расширение и сжатие рабочего тела.

Как же следует в нашем случае вернуть рабочее тело к исходному состоянию?

Предположим, что к концу расширения газ в цилиндре как раз охладился до температуры охладителя Т₂. Поставим цилиндр на холодную плиту и немного ссыплем на чашу поршня с полочки 10 песку. Поршень станет тяжелее, и газ слегка сожмется. При этом температура газа начнет подниматься. Но охладитель не дает расти температуре, отводя какое-то количество тепла от газа. Затем с полочки 9 мы еще немного ссыплем на поршень песку — поршень спустится до полочки 8, а газ по прежнему останется при температуре Т₂, отдавая излишнее тепло охладителю. Так мы совершим «изотермическое» сжатие, нагружая небольшими порциями песка поршень. Но вот, достигнув полочки 4, мы отведем холодную плиту, закроем донышко и станем насыпать большими порциями песок. Теперь газ начнет сжиматься, повышая свою температуру, так как тепло никуда отводиться не будет. Нам придется с нижних полочек вновь насыпать полную чашу песка, и только тогда мы вернем поршень в начальное положение I, подняв температуру газа до T₁ и давление газа до его первоначального значения. Круг замкнется — цикл будет совершен. Начав от положения I, мы заставили поршень подняться до положения II и вновь вернуться в положение I.

Но в чем будет состоять полезная механическая работа, которую в этом случае мы получаем от тепла? Ведь, начав с полной чаши песка, мы вновь пришли к ней же!

Дело в том, что в результате такого цикла газ совершил полезную работу переноса песка снизу вверх: при изотермическом расширении надо немного песка ссыпать, а при изотермическом сжатии надо немного песка насыпать, и в результате на верхних полочках скапливается всё больше и больше песка, а на нижних песок убывает.

Этот цикл, с которым мы только что познакомились, осуществляется как раз так, как рекомендовал Карно: подводить тепло к рабочему телу надо изотермически, и рабочее тело должно при этом расширяться, совершая работу. Заканчивать свое расширение рабочее тело должно адиабатически, не передавая накопленное тепло через стенки цилиндра окружающей среде. Возвращать рабочее тело в исходное состояние надо, тоже вначале сжимая изотермически, отводя при этом тепло в охладитель, а затем заканчивая сжатие адиабатически.

Тогда, указывал Карно, тепло будет наилучшим образом использовано, а коэффициент полезного действия теплового двигателя будет зависеть только от разности температурных уровней.

В реальных тепловых двигателях, как мы дальше увидим, трудно выполнить цикл, похожий на этот, да и сам Карно не ожидал, что удастся точно так заставить работать паровую машину или другой двигатель. Но чем больше будет похож процесс в двигателе на цикл Карно, тем лучше он будет использовать тепло.

Можно ли всё тепло сгорания топлива использовать в тепловом двигателе? Нет. Даже в идеальном цикле Карно часть тепла отдается охладителю.

В большинстве тепловых двигателей совершает работу не один и тот же заряд рабочего тела. Пар, поступивший в цилиндр паровой машины, совершив работу, покидает этот цилиндр, а на его место при новом ходе поступит новый пар. Это обстоятельство также отличает реальные двигатели от идеального, но и тут остаются в силе главные направления, указанные Карно. Следуя этим направлениям, паровая техника к концу XIX века сделала огромные успехи.

Новая наука положила основу совершенствованию не только паровых машин, но и всех тепловых двигателей на многие десятилетия вперед, вплоть до наших дней.

Что же касается паровых машин, то к началу XX века уже стали строить паровые машины мощностью в 6–8 тысяч лошадиных сил, в то время как сто лет тому назад — к началу XIX века, во времена Уатта, машины строились лишь до 50 лошадиных сил. Паровая машина XX века использовала пар высокого давления и высокой температуры, была значительно экономичней первых машин и при большой мощности была сравнительно небольших размеров.

«Была? Почему была, а сейчас разве не строят паровых машин?» — спросите вы.

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется снова вернуться в XIX век и проследить за появлением еще одного теплового двигателя — паровой турбины.