Парова машина карно

Парова машина Карно

«Теплова машина, - писав Карно, - вже обслуговує наші шахти, рухає наші кораблі, поглиблює гавані і річки, кує залізо. Відібрати в Англії в даний час її парові машини означало б разом відняти у неї залізо і вугілля, відняти

у неї все джерела багатства. Незважаючи на роботи всякого роду, зроблені щодо парових машин, незважаючи на задовільний стан, в яке вони тепер наведені, їх теорія дуже мало просунута »

На практиці, як правило, доводиться вирішувати таке завдання: є джерело тепла (скажімо, вугілля) і потрібно зробити якусь роботу (наприклад, перегнати залізничний склад). У вугіллі міститься певна кількість теплоти (при спалюванні 1 кг вугілля температура певного, досить великої кількості води підвищується на 1 ° С). Карно поставив собі за мету відповісти на наступне питання: як побудувати машину, щоб вона виробляла максимальну роботу при заданій кількості теплоти? Неважко створити машину, яка не виробляє ніякої роботи (досить, наприклад, спалити вугілля в каміні). У паровій машині вугілля спалюють для отримання тепла; тепло нагріває воду і перетворює її в пар; пар штовхає поршень; поршень штовхає ще щось, і в кінці кінців колеса починають обертатися, поїзди пересуваються, а вода відкачується з шахт. Яким чином можна зробити цей процес максимально ефективним? Як найбільш ефективно використовувати для здійснення роботи, наприклад, кілограм вугілля?

Карно в типово французької манері узагальнив розгляд конкретної англійської парової машини на випадок довільної теплової машини. Йому вдалося сконструювати (принципово) ідеальну теплову машину, ефективність якої перевищує ефективність будь-якої реальної машини. І він показав, що кількість роботи, що отримується з заданої кількості теплоти, що вводиться в цю ідеальну машину, визначається тільки різницею початкової і кінцевої температур.

ідеальна машина

Машина Карно ідеальна в двох відносинах: 1) внутрішнє тертя не враховується і 2) процес характеризується тільки двома температурами. Іншими словами, це машина без тертя, влаштована таким чином, що, наприклад, газ, що штовхає поршень і виробляє роботу, відбирає все тепло від джерела, що знаходиться при температурі (високої), і віддає його навколишніх тіл, які перебувають при температурі (нижчою, ніж Для цієї машини Карно доводить наступну теорему.

Теорема Карно. Ефективність будь-якої теплової машини, що працює при двох температурах: (високої) і (низькою), менше ефективності ідеальної машини.

Таким чином, відповідь на питання: «Яка максимальна ефективність машини, що працює при двох температурах?» Полягає в

наступному: вона не може бути більше ефективності ідеальної машини. Розрахувати ж ефективність ідеальної машини виявилося неважко, і Карно зумів обчислити її.

Це означає, що якщо машина споживає тепло, наприклад, з топки, в якій газ, що штовхає поршень, нагрівається до високої температури, то кількість досконалою машиною роботи залежить від температури, до якої охолоджується газ, перш ніж він знову надійде в топку. Коли газ гарячий, він може здійснювати роботу, в результаті чого він охолоджується. Але після цього газ все ще віддає своє тепло оточуючим тілам і таким чином (оскільки це стосується роботи машини) втрачає його.

Фіг. 365. Прекрасна машина, якщо її можна було б створити.

Машина буде максимально ефективною, якщо з газу вдасться забрати всю теплову енергію, нічого не залишивши на нагрів навколишніх тіл. Але чи можна це зробити? Якщо можна, то чому б тоді не взяти звичайне повітря (або воду з океану), надати йому можливість охолонути самому по собі, а вивільнену теплову енергію перетворити в роботу, викинувши потім злегка охолоджене повітря назад в атмосферу?

В океані міститься величезний запас теплової енергії - океан зовсім не такий вже холодний, яким він міг би бути. З точки зору закону збереження енергії цілком допустимо, щоб корабель рухався в океані за рахунок його теплової енергії, залишаючи за собою злегка охолоджену воду (фіг. 365); більш того, ніщо не завадило б одночасно

робити кубики льоду в корабельному холодильнику. Зворотний процес безумовно реалізуємо; не представляє ніяких труднощів перетворити будь-яку кількість роботи в тепло, яке б нагрівало океан. Кажуть, Ксеркс, розгнівавшись, змусив своїх рабів висікти Геллеспонт - таким способом він перетворив дешева праця рабів в тепло, зігрівшись це древнє море. Однак зворотний процес неможливий. Ми не можемо змусити моря працювати на нас за рахунок мимовільного охолодження води.

Те, що називається другим початком термодинаміки, може розглядатися як проста констатація наступного досвідченого факту. Наш світ влаштований таким чином, що виявляється неможливим перетворювати теплоту в роботу таким чином, що єдиним результатом було б охолодження якогось резервуара (скажімо, океану). Використовуючи цей факт (званий тепер другим початком), Карно показав, що ефективність його ідеальної машини завжди більше ефективності будь-якої реальної машини і залежить тільки від початкової (високої) і кінцевої (низької) температур. Таким чином, будь-яка машина, яка працює при заданій різниці температур, буде менш ефективна (як правило, набагато менш ефективна), ніж ідеальна машина. Чим більше різниця температур (зокрема, чим нижче кінцева температура), тим більше ефективність машини.

Парова машина, як і будь-яка інша теплова машина, споживає тепло (джерелом тепла служить паливо) і викидає його в димарі або безпосередньо в атмосферу (фіг. 366).

Викидається тепло є енергія, хоч і не дуже доступна, але все ж енергія. Тому чим більше несеться з машини цієї енергії, тим більше будуть втрати. Отже, для того щоб машина могла використовувати всю теплову енергію, кінцева температура (температура відпрацьованого газу) повинна відповідати температурі речовини, абсолютно що не містить, в деякому сенсі, теплоти. Пізніше ми дізнаємося, що ця температура називається абсолютним нулем.