Тепловые машины. Исследование Сади Карно

Пока физики делали маленькие, но столь важные на пороге XIX века шаги, инженеры шли вперед семимильными шагами. Они создали паровой двигатель, который заставил работать энергию тепла. Конечно, механизмы инженеров были в высшей степени отлаженными, но теория, стоявшая за этим, потребовала немало работы.

В своих «Размышлениях о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» Сади Карно представил исследование теплоты и энергии. В 1832 году, восемь лет спустя, Карно поместили в клинику для душевнобольных, вскоре он заболел холерой и умер в 36 лет. После смерти его объявили «отцом термодинамики», хотя все его записки, кроме упомянутой книги, сожгли вместе с вещами. (Тела и вещи умерших от холеры полагалось сжигать.)

Паровые технологии занимали в Великобритании центральное место — именно там были построены машины подобные тем, что создавали Джеймс Уатт и Мэтью Болтон. Эти машины помогли создать первую в мире индустриальную нацию! Так что, когда молодой солдат французской армии Сади Карно начал изучать машины и механику, мало кто обратил на это большое внимание. Тем не менее его работы не только стали критически важными при создании более эффективных тепловых машин, но также и пролили свет на природу энергии как таковой. Отец Карно был политическим деятелем Великой французской революции и потому готовил сына к военной карьере. Однако Карно посвятил себя исследованию физики паровых двигателей.

Паровые двигатели работают за счет того, что кипящая вода превращается в горячий пар, который, расширяясь, совершает работу — толкает механические части, приводя их в движение. Карно интересовал вопрос, как энергию тепла превратить в движение, и он представлял себе четыре стадии, через которые должна проходить существовавшая лишь в теории идеальная машина (сейчас они известны как «цикл Карно»).

В четырехтактном двигателе машины используется доработанная версия цикла Отто. Этот цикл был назван в честь немецкого инженера Николауса Августа Отто и разработан на основе цикла Карно. Отличием является то, что тепло приходит от сжигания внутри цилиндра с движущимися частями. Такой двигатель получил название ДВС (двигатель внутреннего сгорания)

На первой стадии горячий газ расширяется, совершая работу без потери тепла. На второй стадии расширение продолжается, однако газ начинает охлаждаться, поскольку энергия тепла переходит в энергию движения. На третьей стадии газ сжимается механическим усилием, однако не разогревается, а на четвертой стадии дальнейшее сжатие разогревает газ в соответствии с законом Чарльза. Идеализированная тепловая машина Карно показала, как тепловая энергия газа может совершать работу и как работа может расходоваться на разогрев газа. Работа, совершенная идеальной тепловой машиной, эквивалентна изменению температуры рабочего тела (газа) в пересчете на энергию. Будут ли такие машины когда-нибудь построены?