Короткая и яркая жизнь «отца термодинамики» Сади Карно

Будущий физик, военный инженер и один из основателей термодинамики Никола Леонар Сади Карно родился 1 июня 1796 в Париже в семье видного государственного деятеля наполеоновской эпохи Лазара Карно.

Его отец, будучи генералом и политиком, находил время и для занятий математикой. Именно он первым предложил название «Комплексное число». Сади Карно учился в знаменитой Политехнической школе и после её окончания в 1814 г. поступил добровольцем в инженерные войска под командование Наполеона Бонапарта, где и нес службу военного инженера вплоть до падения Наполеона в 1819 г. После этого Сади Карно оставил военную службу и занялся изучением наук, экономики и искусств.

Забавен рассказ о детской стычке Сади Карно со всемогущим Бонапартом. Когда Сади был еще совсем мал, его отец частенько приводил сына к Жозефине, первой жене Наполеона, которая очень к нему привязалась. Однажды она с приближенными дамами каталась на лодке по пруду, а стоявший на берегу император развлекался тем, что бросал в воду камешки, стараясь обрызгать вельможных дам. Замечание сделать никто не осмеливался, как вдруг к нему бросился четырехлетний Сади и потребовал прекратить безобразие. Якобы Наполеон рассмеялся, смутился и, посрамленный, поспешно ретировался.

Отец Сади Карно, Лазар Карно

Сади не отличался отменным здоровьем, а напряженный труд усугубил его состояние. В начале августа 1832 года у него развилось состояние, называвшееся тогда «манией». Видимо, произошло психическое расстройство. Его поместили в больницу, где спустя три недели Сади скончался. Ему было всего 36 лет.

Согласно некоторым источникам, он стал буен, его приходилось держать в смирительной рубашке. В больничном журнале регистрации пациентов сохранилась запись: «От мании излечен, умер 24 августа от холеры». Принято считать, что по тогдашней практике борьбы с холерой его вещи, в том числе весь архив, сожгли. Однако здесь возникают некоторые сомнения, ведь умер он не в своей парижской квартире, где хранились все его бумаги, а в лечебнице, так что уничтожать его домашний архив вроде бы не было необходимости.

Как впоследствии оказалось, сгорело не всё. Кое-что сохранил его брат Ипполит, опубликовавший свои воспоминания о Сади и его заметки через 46 лет после его смерти.

Научные достижения

Карно интересовался многими новыми промышленно-технологическими разработками того времени. Занявшись теоретическим обоснованием принципов работы паровых машин, Карно стал одним из пионеров термодинамики, предложив свою знаменитую модель идеального двигателя.

Свои идеи Сади Карно опубликовал в 1824 г. в форме фундаментального трактата «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (Reflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a developper cette puissance). В нём Карно рассмотрел в общем виде вопрос о «получении движения из тепла». Анализируя идеальный круговой процесс (известный сейчас как цикл Карно), он впервые пришёл к выводу о том, что полезная работа производится только при переходе тепла от нагретого тела к более холодному. Карно высказал также положение, что величина работы обусловлена разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы вещества, работающего в тепловой машине (теорема Карно).

Карно интересовал вопрос, как энергию тепла превратить в движение, и он представлял себе четыре стадии, через которые должна проходить существовавшая лишь в теории идеальная машина (сейчас они известны как «цикл Карно»).

В четырехтактном двигателе машины используется доработанная версия цикла Отто. Этот цикл был назван в честь немецкого инженера Николауса Августа Отто и разработан на основе цикла Карно. Отличием является то, что тепло приходит от сжигания внутри цилиндра с движущимися частями. Такой двигатель получил название ДВС (двигатель внутреннего сгорания

На первой стадии горячий газ расширяется, совершая работу без потери тепла. На второй стадии расширение продолжается, однако газ начинает охлаждаться, поскольку энергия тепла переходит в энергию движения. На третьей стадии газ сжимается механическим усилием, однако не разогревается, а на четвертой стадии дальнейшее сжатие разогревает газ в соответствии с законом Чарльза. Идеализированная тепловая машина Карно показала, как тепловая энергия газа может совершать работу и как работа может расходоваться на разогрев газа. Работа, совершенная идеальной тепловой машиной, эквивалентна изменению температуры рабочего тела (газа) в пересчете на энергию.

Всего при цикле Карно происходят два адиабатических процесса:
Адиабатическое (изоэнтропическое)
расширение (на рисунке — процесс 2→3). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс 4→1). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

В своих рассуждениях Карно придерживался теории теплорода, однако в дальнейшем, как явствует из его записок, изданных посмертно, он от неё отказался. Карно сделал следующее примечание к своей работе: «Основные положения, на которые опирается теория тепла, требуют внимательного исследования. Некоторые данные опыта представляются необъяснимыми при современном состоянии теории». В своем дневнике, выдержки из которого были опубликованы его братом после смерти Карно, он также писал:

«Тепло не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает».

Если заменить слова «движущая сила» словом «энергия», то мы получим законченную формулировку закона сохранения энергии. Карно также приблизительно определил механический эквивалент теплоты.

Работа Карно была оценена лишь в 1834 году, когда Б. Клапейрон, повторив рассуждения Карно, ввёл графический метод описания процессов. Теорема Карно вошла в термодинамику в качестве фундаментального принципа, а сама работа Карно, изложенная Клапейроном и напечатанная в 1843 г. на немецком языке в «Анналах» Поггендорфа, послужила исходным пунктом для исследований У. Томсона и Р. Клаузиуса, приведших к открытию второго начала термодинамики.

Эйнштейн был настолько восхищен термодинамикой, что в конце жизни в автобиографических заметках писал: «Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое произвела на меня классическая термодинамика. Это единственная теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута».

© По материалам Виталия Мацарского

_____________________________________________________

✒️Подписывайтесь на наш Telegram канал «Гранит науки»
✒️Читайте нас на Яндекс Дзен

📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype
📩Прислать статью [email protected]
📩Написать редактору [email protected]


Больше на Granite of science

Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.

Добавить комментарий

Больше на Granite of science

Оформите подписку, чтобы продолжить чтение и получить доступ к полному архиву.

Читать дальше