Лев Гумилевский - Создатели двигателей
«Часто поднимали вопрос, — говорит Карно дальше, — ограниченна ли или бесконечна движущая сила тепла, существует ли определенная граница для возможных улучшений, граница, которую природа вещей мешает перешагнуть каким бы то ни было способом, или, напротив, возможны безграничные улучшения? Так же долго искали и теперь ищут, не существует ли агентов, предпочтительных водяному пару для развития движущей силы огня, не представляет ли, например, воздух в этом отношении большие преимущества? Мы ставим себе задачу подвергнуть все эти вопросы внимательному рассмотрению».
На эти основные вопросы и дает свои ответы Сади Карно. Они просты, кратки, ясны. Проникновение Карно в природу вещей, о которых он толкует, изумительно. Он говорит о тепловых двигателях вообще, хотя в его время не было никаких иных тепловых двигателей, кроме паровых. Он за полвека вперед предвидит не только возможность появления двигателей внутреннего сгорания, но указывает даже практический путь для их осуществления, тот самый путь, который через семьдесят лет привел инженера Рудольфа Дизеля к практическому успеху. Но прежде всего Карно излагает свою теорию тепловых двигателей и устанавливает основной закон науки о теплоте почти в тех же самых выражениях, в которых он формулируется и теперь, спустя сто лет.
«Во всех паровых машинах, — указывает Карно, — получение движения связано с одним обстоятельством, на которое нужно обратить особенное внимание: это восстановление теплового равновесия, переход тепла от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой».
Указывая на то, что работа теплового двигателя зависит от перепада температуры, Карно заключает: для получения в двигателе работы необходимо иметь два источника тепла разных температур.
«Чтобы получить движущую силу, — восклицает он, — недостаточно только производить теплоту, нужно иметь также и холод!»
И далее он устанавливает основной закон науки о теплоте, известный как «начало Карно»:
«Везде, где существует разность температуры, везде, где может быть произведено восстановление теплового равновесия, может быть получена движущая сила. Водяной пар есть только средство для получения движущей силы, но он не единственное средство: все тела природы могут быть употреблены для этой цели. Все тела способны изменять объем, сжиматься и расширяться под действием тепла и холода; все они способны преодолевать при изменении своего объема известные сопротивления и развивать таким образом движущую силу».
Для разрешения вопроса о том, зависит ли работа теплового двигателя от тела, посредством которого она совершается, Карно сравнивает два процесса: процесс перехода тепла от источника с высокой температурой к источнику с низкой температурой, в результате чего получается некоторое количество работы, и обратный процесс, когда тепло переходит от тела с низшей температурой к телу с высшей температурой в результате совершения некоторой работы.
И вот здесь Карно устанавливает обратимость тепловых процессов, лежащую в основе учения о теплоте.
Установив теоретическую обратимость тепловых явлений и необходимость иметь разницу в температурах для превращения теплоты в работу, Карно положил начало термодинамике — науке о тепловых явлениях. Термодинамика стала фундаментом теплотехники — науки, изучающей конструкцию и работу всех машин, превращающих теплоту в работу и работу в теплоту.
Возвращаясь к вопросу о том, зависит ли работа теплового двигателя от рабочего тела, посредством которого эта работа совершается, Карно отвечает:
«Количество работы, могущее быть полученным от затраты теплоты, не зависит от рабочего тела, при помощи которого работа осуществляется. Это количество определяется только температурами тел, между которыми осуществляется в конечном счете перенос тепла».
После этого Карно разбирает вопрос о возможности применения в тепловых двигателях тех или иных рабочих тел. Он справедливо указывает, что наивыгоднейшими телами могут быть только пары и газ, обладающие большой способностью к расширению, и устанавливает основные правила: температура рабочего тела должна быть в начале рабочего процесса возможно более высокой, чтобы получить возможно больший перепад тепла, а стало быть, и возможно большее количество работы, а охлаждение должно производиться до температуры возможно более низкой.
Относя эти правила к работе паровых двигателей, Карно указывает, что в них редко применяется давление пара выше шести атмосфер. Такое давление соответствует температуре в 160 градусов. Между тем температура конденсатора обычно равна 40 градусам. Разность температур, используемая в паровых двигателях, таким образом, не бывает больше 120 градусов.
Если бы возможно было использовать весь перепад тепла от температуры сгорания топлива, равной 1000 градусам, до температуры охлаждающей воды, равной 10 градусам, то этот перепад составлял бы почти 1000 градусов и, несмотря на всяческие потери, в двигателе при одном и том же количестве сожженного топлива было бы получено в несколько раз большее количество работы.
Этот военный инженер умел размышлять и теоретически совершенно правильно указывал путь развития тепловых двигателей: надо было стремиться для экономичности и мощности их к увеличению перепада тепла.
Тщательно исследуя процесс работы теплового двигателя, Карно излагает далее условия, в которых этот процесс должен происходить, и создает так называемый «цикл Карно». Двигатель, работающий по этой схеме, должен иметь коэффициент полезного действия в 70 процентов. Не ограничиваясь теоретическими рассуждениями, Карно здесь же указывает, как, по его мнению, можно осуществить этот тепловой двигатель.
Прежде всего он предлагает заменить водяной пар воздухом в качестве рабочего тела.
«Водяной пар, — пишет он, — может быть образован только в котле, в то время как воздух можно нагревать сгоранием, происходящим в нем самом. Этим можно избегнуть не только большой потери в количестве тепла, но и в его температуре. Чтобы дать возможность воздуху сильнее расширяться и расширением вызвать большее изменение температуры, надо его брать в сжатом виде. Его следовало бы сжать каким-либо способом, раньше чем нагревать…
Было бы лучше, как нам кажется, сжимать воздух воздушным насосом, а затем пропускать его через закрытую камеру сгорания, куда топливо вводилось бы постепенно небольшими порциями при помощи механизма, который легко было бы построить, затем предоставить этому газу действовать в цилиндре с поршнем и выпускать его в атмосферу или даже заставлять его проходить под паровым котлом для использования оставшейся в нем теплоты».
Небольшое сочинение Карно было написано задолго до того, как техника капиталистического хозяйства вплотную подошла к созданию максимально экономичного двигателя. Между тем Карно указывал не только путь к созданию двигателя внутреннего сгорания и путь к усовершенствованию парового двигателя, но даже высказал идею использования отработавших продуктов сгорания для нагревания котла.
Конечно, Карно предвидел все трудности осуществления двигателя, возникавшего в его воображении. Он писал в заключение:
«Употребление атмосферного воздуха для получения движущей силы тепла на практике представит огромные, но все же преодолимые трудности. Если их удастся победить, то воздух обнаружит большие преимущества перед паром».
Семьдесят лет спустя последователь Карно, немецкий инженер Рудольф Дизель, преодолел эти огромные трудности и создал двигатель, руководствуясь указаниями Карно. Но как раз потому, что учение французского инженера предвосхищало требования экономики задолго вперед, его сочинение и не обратило на себя никакого внимания при своем появлении.
Только спустя десять лет на него случайно напал математик Клапейрон, только через двадцать лет идеи Карно были оценены английским физиком Вильямом Томсоном, и сочинение Карно получило признание в научных кругах. После того как перед техниками всех наций встала задача создания более совершенного двигателя, изобретатели и ученые все чаще и чаще стали обращаться к Карно, черпая в его небольшой книжке удивительные откровения.
Если до того конструкторы тепловых машин располагали только случайными наблюдениями, то теперь они имели в руках теорию тепловых явлений, открывавшую простор для практических выводов и заключений. История техники показывает, какую неоценимую помощь созданию тепловых двигателей и тепловых машин оказало сочинение Карно.
Карно напечатал свои «Размышления о движущей силе огня» и забыл о книге, ответив сам себе на интересовавший его вопрос.
Через два года он снова поступил на службу, но вскоре опять оставил ее. Он продолжал размышлять о многих вопросах, но странная и жестокая судьба постигла в это время самого Карно и его работы.
