Сади Карно, французский физик

Carnot Sadi Nicjlas Leonard (Сади Николай Леонард Карно) родился в 1796 году в Париже. В Британской энциклопедии о нем написано: «Он был одним из наиболее оригинальных и глубоких мыслителей». Карно выпустил всего одну научную работу, но при этом его считают основателем термодинамики.

Учился Карно в Политехнической школе Парижа, которая готовила инженеров и исследователей для точных наук. Закончив ее, молодой человек поступил на военную службу. В это время исследователь начал заниматься теорией тепла, изучил, как устроена паровая машина Уатта.

Карно прожил всего 36 лет, но при этом успел сформулировать:

• основы функционирования тепловой машины;
• свои мысли о природе теплоты;
• понимание эквивалентности теплоты и работы.

Сади Карно внимательно изучил работы своего отца Лазара Карно, математика и механика, который занимался разработкой идеальной механической машины. В идеях Сади Карно прослеживаются аналогии между работой тепловой машины водяного двигателя.

Научные работы С. Карно

В 1824 году С. Карно на свои деньги издал свою единственную научную работу - книгу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». На долгое время эта работа ученого была забыта. Зато теперь редкий учебник по теплотехнике не цитирует ее.

Некоторые научные идеи С. Карно представлены в записных книжках С. Карно (дата издания 1927 г.).

Цель своих исследований С. Карно сформулировал сам в своей книге. Он писал о том, что его предшественниками были предприняты многочисленные и успешные попытки совершенствования паровых машин, однако теория, которая объясняла бы процессы, происходящие в них, развита мало.

В представлении ученого теплота – это невесомое вещество, называемое теплородом. Во время работы С. Карно полагали, что количество теплорода, содержащееся в теле, обуславливает его температуру. Если тела соприкасаются, то теплород переливается из одного тела в другое.

Позднее в своих дневниках Карно пишет о том, что изменил свой взгляд на природу тепла. Он определяет теплоту как движущую силу, или движение, которое изменило свой вид, тепло – это движение частиц тел.

Карно делал попытки определить соотношение между выполненной работой и выделяющемся теплом. При этом он писал, что для создания единицы движущей силы необходимо затратить 2,7 единицы теплоты. В настоящее время механический эквивалент тепла - это фундаментальная физическая постоянная, которая используется с целью перевода внесистемных единиц в единицы Международной системы единиц (СИ).

Предположения Карно о природе теплоты были неверны, но его выводы являлись верными.

Теория теплорода дала возможность ученому создать систему аналогий, которые дают наглядность его рассуждениям. Некоторые термины из книги Карно применяются в современной литературе по теории теплоты, например:

• тепловой перепад;
• разница уровней;
• тепловой порог.

Газовый закон

Мы знаем уравнение состояния идеального газа как закон Менделеева - Клапейрона:

$pV=\nu RT (1),$

где $p$ - давление идеального газа; $V$ - его объем; $\nu$ - количество молей газа; $R$ - универсальная газовая постоянная; $T$ - термодинамическая температура.

Роль Карно в установлении соотношения (1) значительна, однако о ней редко упоминают. Он был первым, кто объединил законы Бойля - Мариотта и Гей-Люссака в выражениях:

• $V=C\frac{267+t}{p}(2),$

где $C$ - константа, которая зависит от веса пара и избранной системы единиц.

• $p=N\frac{t+267}{V}(3),$

где коэффициент $N$ отнесен к массе газа, которая занимает объем равный одному литру при температуре ноль градусов Цельсия.

Спустя десять лет Клапейрон записал объединенный газовый закон в виде:

$pV=\frac{p_0V_0}{267+t_0}(267+t)$ и

$pV=R(267+t).$

Так как работа Карно была неизвестна, в научном мире сложилось мнение о том, что Клапейрон первый вывел объединенное уравнение газов.

Теория тепловой машины

Во времена С. Карно в промышленности уже применяли паровые машины, имеющие два цилиндра, разрабатывались проекты машин, аналогичных двигателям внутреннего сгорания.

Но подчеркнем, что при этом теория тепловых машин была в зачаточном состоянии.

Карно создал и описал цикл, который в настоящее время носит в термодинамике его имя. Это было первым описанием идеальной тепловой машины. Метод циклов, предложенный ученым, стал основанием для получения множества закономерностей в термодинамике.

Карно писал о том, что надо создать теорию тепла такой, чтобы можно было предсказать результат действия теплоты на любое тело.

Карно замыслил создание новой прикладной науки, которая В. Томсоном была названа в 1854 г. термодинамикой.

Карно имел целью создание идеальной тепловой машины, следовательно, имелась задача минимизации потерь работы при передаче теплоты.

Карно ввел в науку понятие идеального термического взаимодействия.

Ученый связывал повышение эффективности теплового двигателя с температурой рабочего тела.

Карно создал принцип о невозможности существования вечного двигателя. Согласно мнению исследователя обязательное условие превращения теплоты в работу - это наличие разности температур (наличие нагревателя и холодильника).

В своей книге Карно проанализировал разработанные тогда тепловые машины с множеством цилиндров. Он говорит о машинах с отсутствием конденсатора и выхлопом в атмосферу, которые возможно использовать для транспорта.

Карно исследовал возможность применения воздуха в виде рабочего тела в тепловых двигателях. Он замечает, что нагревать воздух можно непосредственно при сжигании топлива прямо в нем.

Карно был очень близок к описанию двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины в их современном виде. Он писал о том, что было бы рационально:

1. первоначально сжать воздух,
2. после этого пропустить его сквозь закрытую топку, в которую малыми порциями поступает топливо,
3. дать воздуху выполнить работу в цилиндре с поршнем,
4. выбросить воздух в атмосферу.

Ученый предположил, что движущая сила не зависит от рода рабочего тела. Показал, что отношение работы к теплоте, получаемой от нагревателя, не зависит от природы рабочего тела и является только функцией температуры:

$\frac{A}{Q}=\frac{\Delta t}{C}(4),$

где $A$ - выполненная работа; $Q$ - количество теплоты, полученное от нагревателя; $\Delta t$ - интервал температур.

Соотношение (4) – это коэффициент полезного действия тепловой машины. Данный коэффициент определен только функцией температуры ($C$), которую называют функцией Карно.

Определить вид $C$ ученый не смог.

В записных книжках Карно были записи, которые:

• в неявном виде содержали первое начало термодинамики;
• вычисление механического эквивалента теплоты;
• наметки кинетической теории и механизма теплового движения.