В 1824 г. французский военный инженер Сади Карно опубликовал работу «О движущей силе огня и машинах
, способных развивать эту силу». Работа эта не была замечена учеными и лишь десять лет спустя, уже после смерти автора, ее тщательно изучил и привлек к ней внимание физиков Клапейрон. Единственными машинами, которые в те времена развивали «движущую силу огня», были паровые машины. Эффективность этих машин или, как мы теперь говорим, их коэффициент полезного действия (КПД), была очень низкой. Вот молодой инженер и решил разобраться, от чего же зависит КПД тепловой машины, не конкретно паровой, единственной существовавшей в то время, а именно тепловой, т. е. машины, совершающей механическую работу за счет внутренней энергии, независимо ни от конкретной конструкции, ни даже от принципа ее работы. Он искал физический принцип увеличения КПД любой мыслимой тепловой машины.
Мы в наших рассуждениях не будем строго следовать рассуждениям Карно не только потому, что он исходил из теории теплорода, но потому, что многие понятия, которыми мы сегодня свободно пользуемся, включая первое начало термодинамики, тогда или еще не устоялись, или вообще отсутствовали в научном арсенале.
Прежде всего определим, что такое КПД тепловой машины. КПД тепловой машины будем называть отношение полезной работы Ап к полученному от постороннего источника количеству теплоты Qa (иногда говорят к затраченному количеству теплоты): Таким образом, Карно искал процессы, с помощью которых можно получить максимум работы на единицу затраченного количества теплоты. Не искал ли Карно величину, обратную механическому эквиваленту теплоты? Нет. И не только потому, что работал раньше Майера и Джоуля. Мы уже видели в предыдущей главе, что превращение внутренней энергии в механическую вовсе не обратный процесс превращению механической в тепловую, полное превращение возможно далеко не при всяких условиях, мы с вами уже разобрали пример, когда оно не происходит. Вот теперь нам понятна задача, которую поставил пред собой Сади Карно.
Прежде всего Карно рассматривал равновесные обратимые процессы. Если обратимый процесс еще и равновесный, то при обратном ходе процесса система не только возвращается в начальное состояние, но и проходит в обратном порядке все те состояния, через которые прошла в прямом. Рассматриваемые равновесные обратимые процессы должны быть циклическими. Именно должны. Любая машина, в том числе и тепловая, пригодна, лишь если эта машина непрерывного действия. Пусть, к примеру, наша машина — цилиндр, поршень которого приводится в движение расширяющимся при нагревании газом. Нам не нужна машина, которая, толкнув поршень один раз, остановится, нам нужно очень много толчков.
А для этого расширившийся газ мы каким-то образом должны сжать до первоначального состояния, чтобы дать ему возможность снова расшириться. И если отработанный газ выбрасывается, как это происходит в двигателях внутреннего сгорания, то это ровным счетом ничего не меняет, новая порция топлива оказывается в начальном состоянии и проходит через те же состояния, что и предыдущая. Все равно процесс круговой. И, наконец, в качестве рабочего тела Карно рассматривал идеальный газ. Идеальный газ он рассматривал по той же причине, что и равновесные обратимые процессы — всегда удобнее рассматривать идеальную модель, а потом переходить к реальной конструкции, вводя необходимые поправки. И то, что Карно рассматривал идеальный газ, вовсе не предопределило его вывод о независимости КПД от природы рабочего тела, идеальные газы вовсе не одинаковы — одно-, двух- и многоатомные газы отличаются друг от друга теплоємкостями и коэффициентами Пуассона. Если эти величины или величины, с ними связанные, не войдут в выражение для КПД тепловой машины, то значит он и не зависит от природы рабочего тела.