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.
При помощи паровой машины Уатта было доказано, что работу можно получить за счет сжигания топлива.
Карно прожил всего 36 лет, но при этом успел сформулировать:
Статья: Сади Карно, французский физик
- 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:
- первоначально сжать воздух,
- после этого пропустить его сквозь закрытую топку, в которую малыми порциями поступает топливо,
- дать воздуху выполнить работу в цилиндре с поршнем,
- 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.
