Паровий двигун Саді Карно

0
8

Парову машину створювали талановиті винахідники. Деякі з них мали інженерну освіту, багато були механіками-самоучками, а інші й зовсім не мали ніякого відношення до техніки, але одного разу «захворівши» паровою машиною, повністю віддавали себе нелегкій винахідницькому праці.

Паровой двигатель Сади Карно

Це були люди практичного складу. Більшість з них мало представляло, що відбувається в паровій машині, яким законам підкоряється її робота. Вони не знали теорії теплових двигунів і, як тепер би сказали, винаходили темряві, на дотик. Це розуміли багато і в першу чергу прихильники наукового підходу до створення машин.

Засновником цієї теорії, що поклала початок науці, названої «термодинамікою», став — Саді Карно, який через сорок років після наведених висловлювань батька написав невелику брошуру під назвою «Роздуми про рушійну силу вогню й про машини, здатних розвивати цю силу». Ця тоненька книжечка була видана в Парижі в 1824 році невеликим тиражем. Сади Карно в тому році виповнилося ще тільки двадцять вісім років. Книжечка виявилася єдиним твором Саді Карно, твором настільки ж дивним і значним, як і сам її автор. Сади Карно народився в 1796 році і до шістнадцяти років навчався вдома під керівництвом свого батька, який зумів прищепити синові широту поглядів і схильність до точних наук. Потім талановитий юнак два роки навчається в Паризькій політехнічній школі й у вісімнадцять років отримує диплом інженера. Подальше життя та діяльність Сади була пов’язана з армією. Маючи багато вільного часу, він міг займатися всім, що його цікавило. А інтереси його були великі. Він знав і любив мистецтво, музику, літературу, живопис, театр, і в той же час пристрасно захоплювався математикою, хімією, фізикою, технологією. З раннього дитинства у нього була розвинута схильність до узагальнень — вміння за розрізненими фактами і явищами побачити щось спільне, що об’єднує їх. Будучи інженером, він добре знав устрій парової машини і виразно бачив всі її недоліки. Він розумів, що досі творці парової машини мало замислювалися над законами, які керують тепловими процесами. Разом з тим за час створення і вдосконалення парового двигуна накопичилося багато фактів, ніким ще не продуманих і не узагальнених.

Молодий інженер ставить перед собою мету розібратися в теплових явищах, що відбуваються в паровому двигуні, спробувати вивести загальні закони, яким підпорядковується робота теплового двигуна. І йому першому вдалося це зробити. Сади Карно, безперечно, був видатною особистістю свого часу, хоча його сучасники, та й він сам цього не підозрювали. Вперше світ дізнався про його заслуги багато років потому з висловлювань великого англійського фізика Вільяма Томсона (лорда Кельвіна), який на своїх лекціях назвав Карно геніальним вченим. Згодом Томсон і видатний німецький фізик Рудольф Клаузіус, створюючи сучасну термодинаміку, узагальнено висновки, Сади Карно у вигляді суворого закону, що отримав назву другого початку термодинаміки.

Про що ж писав Карно у своїй тоненькій книжці, яка принесла йому безсмертну славу? Карно розглянув у ній закони перетворення теплоти в роботу, або, як кажуть, закони перетворення теплової енергії в механічну, і показав, як потрібно будувати теплові двигуни, щоб вони були більш потужними і водночас економічними, тобто споживали б якомога менше палива. Його висновки були загальними і стосувалися не тільки відомих йому поршневих парових машин, але взагалі будь-яких двигунів, що використовують для своєї роботи теплову енергію. Насамперед він встановив, що тепло може переходити тільки «…від тіла з більш високою температурою до тіла з менш високою температурою…» і, коли температура обох тіл зрівняється, наступає теплова рівновага. Далі, тепло може бути перетворена в механічну роботу, якщо на шляху тепла поставити який-небудь пристрій, у якому частина цього перехідного тепла використовувалася б, наприклад, для розширення пари або газу, двигающего поршень. При цьому найбільша кількість корисної роботи може бути отримано в тому випадку, якщо різниця температур тіл, між якими відбувається перехід тепла, буде найбільшою. Тоді Карно робить висновок: будь-тепловий двигун, в якому тепло перетворюється в механічну роботу, повинен мати два температурних рівня — верхній (джерело тепла) і нижній (охолоджувач-конденсатор); крім того, в такому двигуні має перебувати речовина — це може бути не обов’язково пар, — здатний змінювати свій об’єм при нагріванні і охолодженні і тим самим перетворювати тепло в механічну роботу, переміщує поршень у циліндрі.

Така речовина називається «робочим тілом». Для того щоб паровий двигун здійснив найбільшу механічну роботу, потрібно, щоб температура і тиск робочого тіла — пара, що вводиться в циліндр, були якомога більшими, а температура і тиск пари, що відводиться в конденсатор, — найменшими. Крім того, Карно вказав, як краще підводити тепло до робочого тіла, як краще розширювати це робоче тіло, як краще відводити від нього тепло і як краще знову підготувати робоче тіло до розширення. Ці вказівки були настільки точними, що якщо б вдалося побудувати тепловий двигун, що працює у відповідності з рекомендаціями Карно — такий двигун був би ідеальним: в ньому майже все тепло при переході від джерела до охолоджувача перетворювалося б у механічну роботу, не гублячись на теплообмін з навколишнім середовищем. Така робота двигуна названа в термодинаміці роботою з ідеального циклу Карно. По тому, як далеко відхиляється робота будь-якого теплового двигуна від роботи за циклом Карно, судять про досконалість цього двигуна: чим більше цикл двигуна схожий на цикл Карно, тим краще в такому двигуні використовується теплота.

Разом з маленькою книжечкою Саді Карно в життя ввійшла нова наука — наука про теплоту. Творці теплових двигунів стали «зрячими». Вони могли вже конструювати теплові двигуни з відкритими очима, не блукаючи на дотик в темряві. В їх руках опинилися закони, за якими потрібно будувати двигуни. Ці закони лягли в основу вдосконалення не тільки парових машин, але і всіх теплових двигунів на багато років вперед аж до наших днів. Життя цього талановитого французького інженера і вченого обірвалося дуже рано. Він помер від холери в 1832 році, тридцяти шести років від роду. Все його особисте майно, в тому числі і найцінніші робочі зошити, було спалено. Сади Карно залишив людству лише одну маленьку книжечку, але і її виявилося достатньо, щоб зробити його ім’я безсмертним.

 

Загрузка...

НАПИСАТИ ВІДПОВІДЬ

Please enter your comment!
Please enter your name here