Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя

Так, появившись на свет, небольшая книжка Сади Карно была вскоре всеми забыта. Автор продолжал накапливать материал. Следуя совету старших ученых, он собирался издать другой, более обширный, труд. Но в 1832 году, полный энергии и творческих сил, Сади Карно скончался, заразившись тяжелой болезнью — холерой.
Все бумаги заразного больного были сожжены, кроме отрывочных записей, сохраненных его братом.
Спустя два года другой французский ученый, Клапейрон, выступил с научным трудом, где он напомнил о тех замечательных мыслях, которые впервые изложил в своей книге Сади Карно. Дополнив эти мысли строго научным математическим исследованием, Клапейрон показал, что правильно строить тепловые двигатели можно, лишь изучив законы, которым подчиняется процесс превращения тепла в механическую энергию. Но и после Клапейрона новая наука еще не получила практического применения.
Лишь спустя два десятилетия, когда появились, кроме паровой машины, и другие тепловые двигатели, вновь вспомнили о книгах Карно и Клапейрона. Многие ученые стали дальше развивать новую науку, получившую название «термодинамика» (движение тепла), но «отцом» этой науки по праву считался и считается до наших дней двадцативосьмилетний инженер-ученый Сади Карно.
  
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.