Температура - Смородинский Я.А.
Скачать (прямая ссылка):
перетеканием теплорода, он строит все свои рассуждения на неверной
основе. Тем не меиее ему удается получить правильные результаты. Нам
работа Карно представляется совершенно удивительным образцом физической
интуиции.
Попробуем несколько подробнее проследить за мыслями Карно.
Карно задал себе вопрос: каким образом возникает работа в тепловой машине
и чем ограничена величина этой работы? Разные тепловые машины работают
по-разному: одна дает больший эффект, с ее помощью можно произвести
больше работы, другая работает хуже. Но можно ли безгранично улучшать
машину?
ИДЕАЛЬНЫЙ ЦИКЛ КАРНО
Ответ на поставленный вопрос требоЕал уточнения многих понятий. Прежде
всего надо было понять, что одно нагретое тело само по себе не может
произвести работу. Для того чтобы построить тепловой двигатель,
необходимо иметь кроме нагретого тела (нагревателя) еще и второе тело, с
температурой более низкой (холодильник).
В нормальной паровой машине нагреватель - это котел, в котором вода
превращается в пар, а холодильник - конденсатор, в котором пар, совершив
работу, конденсируется, превращаясь обратно в воду. Кроме нагревателя и
холодильника должно существовать некоторое рабочее тело - жидкость или
газ, которое переносит тепло и "по дороге" совершает работу.
27
Карно объясняет возникновение работы перетеканием теплорода от
нагревателя к холодильнику. Поток теплорода можно сравнить с потоком
воды, текущим через плотину и вращающим турбину электростанции.
Количество теплорода сохраняется (так же как и количество воды),
изменяется только "уровень" теплорода, который задается температурой.
Итак, теплород течет от нагревателя к холодильнику и совершает при этом
работу. Если, однако, продолжать аналогию между теплородом и водой, то мы
быстро зайдем в тупик. Следуя этой аналогии, естественно было бы считать,
что работа, которая совершается при "падении" теплорода, пропорциональна
разности температур (разности "высот"). Такой вывод нас не может
устроить. Действительно, если бы это было так, паровая машина была бы
бессмысленна. После того, как пар расширился, совершил работу и
сконденсировался (или просто охладился), нам надо его опять нагреть и
заставить работать еще раз. На нагревание пришлось бы затратить ровно
столько работы, сколько мы получили при охлаждении, - и то только в том
случае, если все наши устройства работают без потерь.
Представим себе, что кому-то пришло в голову построить
гидроэлектростанцию на берегу горного озера, спуская воду через турбину в
какой-то резервуар, например в другое озеро, расположенное на меньшей
высоте. Чтобы избежать понижения уровня верхнего озера, будем
перекачивать воду обратно с помощью насосов. Очевидно, что такая идея
нелепа: работа, совершаемая насосами, будет никак не меньше работы,
которую смогут совершать турбины. На самом деле часть работы будет даже
потеряна на трение в турбине, на испарение воды и по разным другим
причинам. Как бы мы ни устраивали насосы, включали бы их последовательно
или параллельно, закон сохранения энергии не дал бы реализовать никакого
полезного устройства, которое позволило бы получить выгоду из такого
мероприятия.
Почему же в случае тепловой машины сжатие и расширение газа приводит к
совершению полезной работы? В чем состоит разница между работой
гидростанции и работой тепловой машины?
Размышления по этому поводу приводят нас к вопросу, который уже был
поставлен, а именно: равноценны ли градусы на разных участках шкалы
термометра? Для воды, падающей в горной речке с высоты одного
28
метра, безразлично, где этот метр находится, в долине или высоко в горах,
- работа, которую можно получить от падения одного литра воды, будет одна
и та же. Этот очевидный результат можно сформулировать и иначе. Можно
сказать, что, измеряя энергию, выделяемую при падении воды, мы измеряем
лишь разность ее уровней, но нельзя измерить высоту места, где это
происходит.
Совсем иначе обстоит дело с нагреваемым паром, и это первое, что заметил
Карно. Работа, которую может произвести пар, охлаждающийся от 100° до
99°, не будет равна работе, которую совершит то же количество пара,
охлаждаясь от 50° до 49°. Причина состоит в том, что давление пара будет
в обоих случаях разное.
Но кроме нагревателя и холодильника существует еще и рабочее тело - может
быть, от его свойств тоже что-то зависит? Карно столкнулся с тем, что в
задаче участвует слишком много переменных.
Он нашел блестящий выход, рассмотрев "круговой" процесс - цикл, в котором
рабочее тело сначала совершает работу, а потом возвращается в исходное
состояние (используя для этого часть совершенной работы). Таким образом,
в начале и в конце цикла все части тепловой машины (в том числе и рабочее
тело) находятся в одном и том же состоянии, и поэтому после каждого
отдельного цикла можно "подбить итог", так как следующий. цикл будет во
всем тождествен предыдущему.
Разберем такой цикл. Карно рассматривал некоторую идеальную машину, о
