|
Первые исследования превращения теплоты в работу
Все большее применение паровых двигателей в технике привело к необходимости теоретического исследования действия паровой машины. Прежде всего нужно было выяснить, от чего зависит работа, производимая паровой машиной. Ясно, что она зависит и от конструкции паровой машины, и от способа парораспределения, и от температуры пара, создаваемой в паровом котле, и т. д. Для того чтобы учесть влияние подобных факторов па работу паровой машины, нужно было разработать ее теорию, и прежде всего теорию процесса превращения теплоты в работу.
Задачу создания подобной теории и поставил перед собой французский инженер Сади Карно (1796—1832), который написал в 1827 г. работу «Размышление о движущей силе огня»
В своей книге Карно не сумел еще развить
достаточно полную
теорию превращения теплоты в работу, так как придерживался
теории теплорода. Правда, из опубликованных после его смерти
документов
видно, что он впоследствии отказался от этой теория
и пришел к заключению, что
теплота есть движение. Но при написании указанной выше работы
он еще продолжал держаться
старых взглядов на природу
теплоты.
Но, несмотря
на неправильный
взгляд па природу теплоты,
Карно все-таки сумел установить
очень важные положения,
относящиеся к вопросу о превращении теплоты в работу. Прежде всего он
установил, что непрерывный процесс превращения теплоты в работу будет
происходить при наличии двух тел: нагревателя при более высокой температуре
Т1
и
холодильника при более низкой температуре
Т2
Кроме нагревателя и холодильника, должно быть еще и рабочее тело, которое может менять свое состояние и совершать при этом работу. Рабочее тело должно забирать теплоту у нагревателя и, произведя работу, возвращаться в первоначальное состояние. И вот для этого рабочее тело должно отдать некоторое количество теплоты холодильнику, иначе его нельзя вернуть в первоначальное состояние. В результате такого процесса, называемого циклом, происходит следующее: у нагревателя будет взято количество теплоты, равное, например, Q1, произведена работа А и отдано холодильнику некоторое количество теплоты Q2. Всякая тепловая машина работает по указанной схеме. Рассмотрим, например, работу паровой машины. В цилиндр паровой машины поступает некоторое количество воды в виде пара. Это количество воды, являющееся в данном случае рабочим телом, первоначально имело температуру Т. В паровом котле оно нагрелось до более высокой температуры и, наконец, превратилось в пар, имея температуру Т1. Поступив при этой температуре в цилиндр, пар будет расширяться, двигать поршень и производить работу. Одновременно пар будет охлаждаться и при более низкой температуре T2 будет выпущен в атмосферу. После этого пар еще больше охладится и в конце концов превратится в воду. Образовавшаяся вода может принять первоначальную температуру Т.
Итак, в паровой машине происходит тот же общий процесс, о котором мы говорили выше. Пар, являющийся рабочим телом, получив некоторое количество теплоты (Q1 в паровом котле — нагревателе, совершит работу А, двигая поршень. При этом пар охлаждается. Затем он, будучи выброшен из цилиндра, отдаст окружающим телам, которые в данном случае следует рассматривать как холодильник, количество теплоты Q2 и примет первоначальную температуру.
Карно ставит вопрос: чем определяется работа, получаемая
при одном цикле в
тепловой машине, точнее, отношение полученной
работы к взятому рабочим телом от нагревателя количеству
теплоты Q2. Это отношение стало называться
коэффициентом полезного
действия (КПД) тепловой машины.
Зависит ли
он от конструкции машины, от температур нагревателя
и холодильника, от рабочего тела, которым может быть
пар или другой
какой-нибудь газ, и т.д.? »
В общем случае, если мы имеем
реальную машину, коэффициент
полезного действия ее будет зависеть от всех указанных обстоятельств, и
рассчитать его заранее невозможно. Но вот что устанавливает
Карно: этот коэффициент полезного действия не может
быть больше или даже будет
обязательно меньше некоторой величины,
которая определяется только температурами нагревателя
холодильника. Эту величину
можно считать коэффициентом полезного действия некоторой идеальной тепловой
машины, наилучшей машины, которую построить нельзя, но которую можно себе
представить.
Какой же должна быть эта идеальная тепловая машина, о которой впервые говорил Карно?
Карно и последующие ученые показали, что эта машина должна быть такой, чтобы все изменения в ней происходили обратимым путем, т. е. чтобы все процессы в ней были обратимыми.
Обратимым называется процесс, который может идти как в прямом, так и в обратном направлении. При этом тело, совершающее обратимый процесс, может вернуться в первоначальное состояние, и в окружающих телах при этом не произойдет никаких изменений. Оказывается, если исключить явления, происходящие в микромире, то в природе строго обратимых процессов не существует. Но существуют процессы, которые приближенно можно считать обратимыми. Приведем пример. Пусть стальной шарик падает с высоты Ь, на стальную плиту. Стукнувшись о нее, шарик вновь подпрыгнет вверх. Если он поднялся вновь примерно на высоту Ь, то мы можем рассматривать этот процесс как обратимый. Шарик прошел вниз определенный путь до столкновения, а затем он этот путь повторил в обратном направлении и поднялся на ту же высоту, возвратясь в первоначальное положение.
Приведем теперь пример необратимого процесса. Если книгу, лежащую на столе, толкнуть, сообщив ей некоторую скорость, то она пройдет какой-то путь вдоль стола, а затем остановится (если, конечно, толчок не будет достаточно сильным и она не упадет па пол). При этом крышка стола и сама книга немного нагреются в результате трения, и теплота распространится постепенно по всей крышке стола. Можно сказать иначе: в данном случае кинетическая энергия книги перейдет во внутреннюю энергию и самой книги и стола.
Этот процесс будет необратим. Действительно, обратный процесс, который должен был бы заключаться в том, что внутренняя энергия стола перейдет в кинетическую энергию книги и она приобретет ту скорость, с которой ее толкнули, а стол при этом немного охладится, невозможен. Здесь мы имеем пример необратимого процесса.
Таким образом, мы привели пример обратимого, точнее сказать, близкого к обратимому процесса и процесса необратимого. Правда, процесс, рассматриваемый в первом примере, мы назвали лишь близким к обратимому. Это мы сделали потому, что и этот процесс, строго говоря, необратим. Ведь шарик никогда не подскочит, ударившись о плиту, на ту же высоту, с которой он упал. Каждый следующий подскок шарика будет происходить все на меньшую и меньшую высоту, и в конце концов шарик остановится и останется лежать на стальной плите.
Но существуют ли в природе строго обратимые процессы или таких процессов нет? Попробуем ответить па этот вопрос.
Обратимся сначала к явлениям с механическим движением тел. Нетрудно понять, что такие явления будут протекать необратимым путем. Почему это будет так? Потому, что в действительности во всех случаях на движущееся тело действуют силы трения.
Даже при движении тела в космическом пространстве на него действуют силы трения, так как космическое пространство не является абсолютно пустым. Оно наполнено различными частицами, хотя число частиц в единице объема может быть очень малым.
Явления теплопередачи протекают необратимым путем. Если мы представим себе тело, части которого имеют разную температуру, то с течением времени эта разница температур исчезнет и температура частей тела уравняется. Более холодные части будут нагреваться, а более теплые охлаждаться. Обратный процесс невозможен. Не может тело, имеющее всюду одинаковую температуру, само собой перейти в состояние, когда температура разных его частей станет различной.
Можно была бы рассмотреть примеры электрических, магнитных, оптических и других реальных процессов. При этом мы бы установили, что все они протекают необратимым путем.
Вернемся теперь к работе Карно. Как мы говорили, он установил, что для идеальной обратимой тепловой машины коэффициент полезного действия (КПД) зависит только от температур нагревателя Т1 и холодильника Т2. Он пришел также к заключению, что с увеличением разности температур нагревателя и холодильника значение коэффициента полезного действия возрастает. Отсюда следует важный практический вывод: КПД реальных тепловых двигателей будет тем больше, чем больше разница между Т1 и Т2.
Так, например, у одной и той же паровой машины коэффициент полезного действия будет увеличиваться, если впускать в цилиндр пар, нагретый до более высокой температуры, и выпускать с возможно более низкой температурой.
Выражение для коэффициента полезного действия идеальной обратимой машины Карно определить не мог. Он стоял на точке зрения теплородной теории. В последующем, когда выяснилось, что теплота есть движение, был решен и вопрос о том, как через температуру нагревателя и холодильника выражается коэффициент полезного действия обратимой машины Карио. Но это произошло уже после того, как был открыт закон сохранения и превращения энергии.
Источник. Физика в ее развитии. Б.И.Спасский, М:.Просвещение 1979. с.71-73.