Карно развивает идею о мощности двигателей. Он спрашивает не сколько угля нужно сжечь, чтобы поднять определенную массу на заданную высоту, а сколько теплоты должно для этого выделиться из котла. Иными словами, если из котла выделяется, скажем, 100 калорий теплоты, то какова максимальная высота, на которую можно поднять один килограмм? (Для простоты представьте одну единицу “движущей силы” как количество теплоты, которое поднимет 1 кг на высоту 1 м.)
Приблизительная схема ключевых элементов машины Уатта
Чтобы ответить на этот вопрос, Карно рассматривает типичную для начала XIX века паровую машину, которая работает по принципу, изложенному Джеймсом Уаттом. Французу были особенно интересны два аспекта ее работы.
Во-первых, Уатт заметил, что горячий пар оказывает большое давление, превосходящее даже направленное вниз давление атмосферы. Решив использовать это, он сконструировал свою машину таким образом, чтобы расширяющийся пар из бойлера толкал поршень. (На схеме пар толкает поршень вниз.)
Во-вторых, Уатт понял, что для непрерывной работы машины поршень должен возвращаться в исходное положение в верхней части цилиндра. Для этого пар, который опустил его, необходимо остудить, чтобы он конденсировался в воду и более не толкал поршень вниз. Затем часть движущей силы, произведенной при опускании поршня, используется, чтобы толкнуть поршень обратно наверх.
Уатт обеспечил это, снабдив свою машину конденсатором, который охлаждается водой. Когда поршень приближается ко дну цилиндра, открываются байпасный клапан[2 - Байпас — специальный перепускной, или резервный, канал, который обеспечивает функционирование системы в нештатном состоянии, а также используется в иных целях, например для увеличения мощности системы.] и клапан конденсатора. Находящийся над поршнем пар уходит через эти клапаны и преобразуется в воду в конденсаторе, а потому больше не толкает поршень вниз.
В своем трактате Карно не рассматривает принципы работы компонентов машины, вместо этого анализируя, каким образом тепловой поток движется по устройству. Придерживаясь теории теплорода, он утверждает, что некоторое количество не подлежащего уничтожению теплорода, выделяемого при сжигании угля в котле, “включается” в пар, тем самым повышая его температуру и давление, чтобы он толкал поршень вниз. Затем, в конденсаторе, теплород удаляется из пара, в результате чего пар охлаждается и превращается в жидкость. При снижении давления пара поршень возвращается в исходное положение.
Карно приходит к выводу, что из горячего котла в холодный конденсатор поступает неизменное количество теплорода и этот поток производит движущую силу машины. Он приравнивает тепловой поток к водяному. Подобно тому, как при вращении мельничного колеса не происходит потерь текущей вниз воды, при работе паровой машины не происходит потерь текущего “в направлении охлаждения” теплорода.
Хотя Карно ошибался насчет теплорода, такие рассуждения привели к его первому открытию. Каким бы большим ни был водоем, если вода в нем не потечет нисходящим потоком, то движущая сила создана не будет. Подобным образом даже огромное количество теплоты не приведет к созданию движущей силы, если не возникнет разницы температур, обеспечивающей “нисходящий поток” теплоты. Внутри огромного горячего котла паровая машина работать не сможет, несмотря на наличие избыточного количества теплоты, потому что поток невозможно будет охладить и превратить в жидкость, чтобы поршень вернулся обратно в верхнюю часть цилиндра. Карно пишет: “Недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод; без него теплота стала бы бесполезна”.
Этим предложением был отмечен первый шаг в истории термодинамики.
Далее Карно поднимает вопрос, который в те времена волновал многих инженеров: можно ли считать пар наилучшим веществом для использования в машинах, которые производят движущую силу из теплоты? В конце концов, при нагревании расширяется любой газ, а не только пар, и при расширении его давление повышается. Это значит, что любой газ может толкать поршень. Может ли машина, работающая на атмосферном воздухе или алкогольных парах, производить из заданного количества теплоты больше движущей силы, чем паровая машина? Может ли такая машина при сжигании 1 кг угля нагреть определенную массу до более высокой температуры, чем паровая машина?
В поисках ответа Карно не уделяет внимания конструктивным особенностям реальной машины, а применяет стратегию, позаимствованную у отца, и рассматривает воображаемые машины.
Карно предлагает читателю представить идеальную паровую машину, которая производит максимальную движущую силу при прохождении заданного количества теплоты из горячей зоны в холодную, то есть поднимает груз определенной массы на максимальную высоту. (Для простоты я буду называть источник теплоты нагревателем, а холодную зону, куда в конце концов приходит теплота, охладителем.)
Далее Карно описывает гипотетическую машину, которая выполняет все те же шаги в обратном порядке, то есть использует движущую силу, чтобы перемещать теплоту из холодной зоны в горячую. Сегодня мы называем такие устройства тепловыми насосами и холодильниками. И снова Карно не уделяет внимания техническим деталям. Он полагает, что если поток теплоты из горячей зоны в холодную способен производить движущую силу и поднимать груз, то может существовать и машина, которая делает противоположную вещь. В такой машине движущая сила, производимая при падении груза, заставляет теплоту перемещаться “восходящим потоком” из охладителя в нагреватель. Можно провести прямую аналогию с водяными мельницами и водяными насосами. Первые используют текущую вниз воду для создания движущей силы, а вторые используют силу, чтобы толкать воду наверх.
Теперь, следуя логике Карно, представьте идеальную машину, которая получает 100 калорий теплоты из нагревателя и поднимает груз массой 50 кг на 10 м, после чего высвобождает теплоту и отправляет ее в охладитель.
Затем представьте идеальную “обратную” машину, которая при падении груза массой 50 кг на 10 м забирает 100 калорий теплоты из охладителя и перемещает их в нагреватель.
Представив две гипотетические машины, спросите себя: что получится, если их объединить? В такой конфигурации сила, созданная идеальной “прямой” машиной, будет приводить в движение идеальную “обратную” машину.
Тепловой поток, идущий от нагревателя к охладителю по идеальной машине, поднимает груз.
После этого груз связывается с идеальной обратной машиной и падает, “поднимая” теплоту из охладителя в нагреватель.
Идеальная машина приводит в движение идеальную обратную машину
“Сверхидеальная” машина приводит в движение идеальную обратную машину
Такая машина будет работать вечно. Сто калорий теплоты проходят из нагревателя по прямой машине и оказываются в охладителе, поднимая при этом 50-килограммовый груз. Затем груз подсоединяется к обратной машине и падает, в результате чего юс калорий теплоты возвращаются из охладителя в нагреватель. Это питает прямую машину, которая снова поднимает груз, после чего цикл повторяется.
Суть в том, что нагреватель не потеряет никакого количества теплоты, а груз будет бесконечно подниматься и опускаться. Однако – и это важно! – такая система не сможет производить полезную движущую силу. Движущая сила, производимая прямой машиной, полностью поглощается обратной машиной. Для полезной работы – например, откачки воды – ничего не остается.
На следующем шаге Карно проявляет свою гениальность. Он описывает еще одну гипотетическую машину, которая использует вместо пара другой газ, такой как воздух или алкогольные пары, и этот воображаемый газ лучше пара. Следовательно, использующая его машина также лучше паровой. Но насколько лучше? Допустим, при перемещении тех же 100 калорий теплоты от того же нагревателя к охладителю она поднимает 50-килограммовый груз на 12, а не на 10 метров.
Как и ранее, Карно анализирует конфигурацию, в которой эта “сверхидеальная” (непаровая) машина приводит в движение идеальную обратную машину. Сто калорий теплоты проходят по сверхидеальной машине. Поскольку она поднимает груз на 12 метров, это позволяет ей приводить в движение “обратную” машину, а также^ скажем, водяной насос. Чтобы юс калорий теплоты вернулись из охладителя в нагреватель, обратной машине необходимо, чтобы груз упал всего на 10 метров. Но при работе сверхидеальной машины груз может в конце каждого цикла падать на дополнительные два метра, преодолевая не 10, а 12 метров.
Этот “остаток высоты падения” можно также использовать для откачки воды. Фактически каждый цикл будет давать избыток “энергии падения”. Такая машина будет выполнять полезную работу, не потребляя топлива.
Однако Карно отмечает, что в реальности такая машина существовать не может. Она представляет собой вечный двигатель, создание которого ученые давно признали невозможным. Веками люди мечтали сконструировать устройство, которое выполняло бы полезную работу, не требуя приложения силы животных, текущей воды или ветра. Ни одно из подобных устройств не функционировало, поэтому в 1775 году Королевская академия наук в Париже объявила, что более не будет рассматривать предлагаемые проекты вечных двигателей. В своем сочинении об устройстве водяных мельниц отец Сади также использовал предположение о невозможности вечного движения, чтобы определить верхний предел объема полезной работы, который могут выполнять подобные устройства. Гениальность Сади Карно помогла ему понять, что такая же логика еще лучше применима к паровым машинам. Он пишет: “Разве не известно a posteriori, что все попытки какими бы то ни было методами осуществить perpetuum mobile остались бесплодными? Что никогда не удается получить настоящий perpetuum mobile, то есть движение, которое продолжается вечно, без изменения употребляемых тел?”
Поскольку вечное движение невозможно, Карно считает, что невозможно и создать машину, которая производит большую движущую силу, чем идеальная паровая машина. “Подобное создавание совершенно противоречит общепринятым идеям, законам механики и здравой физике, – отмечает он. – Оно недопустимо. Необходимо заключить, что максимум движущей силы, получаемый употреблением пара, есть также максимум движущей силы, получаемой любым средством”.
Карно сам выделил свой вывод курсивом. Не называя пар лучшим веществом для использования, он утверждает, что все идеальные машины работают одинаково хорошо вне зависимости от того, какой газ или вещество они используют и каким образом они сконструированы. Идеальная паровая машина может сильно отличаться от идеальной воздушной машины, но при работе с одним и тем же нагревателем и охладителем обе будут поднимать груз на одинаковую высоту. И это значит, что сами рабочие вещества в машине, например пар или воздух, не создают движущую силу – ее создает только тепловой поток.
Рассмотрев паровые машины в идеализированной форме, Карно установил об их эквивалентах из реального мира такие истины, которых не знал ни один инженер. Большинство по-прежнему полагало, что рабочее вещество все же играет некоторую роль в создании движущей силы.
Чтобы понять логику Карно, представьте водяную мельницу. При заданной скорости водного потока максимум создаваемой силы ограничен высотой, с которой падает вода. Никакая хитроумная конструкция не сможет обойти это ограничение. Единственный способ повысить мощность мельницы – увеличить высоту падения воды. Аналогичным образом сила, создаваемая любым тепловым двигателем при заданном тепловом потоке, ограничена разницей температур между нагревателем и охладителем. Единственный способ увеличить ее – увеличить разницу температур. Если уменьшить разницу температур, создаваемая сила, напротив, уменьшится.
Карно также проанализировал, как максимизировать движущую силу, создаваемую нисходящим тепловым потоком при любой заданной разнице температур. В обычной машине такие газы, как пар, под действием тепла расширяются и толкают поршень. В идеальной машине на расширение газа расходуется вся теплота, без потерь, которые могут возникать, например, в результате утечек. (Подробнее см. в Приложении 1.)
Следуя такой логике, Карно понял, что настоящие паровые машины его времени крайне неэффективны. Карно рассчитал, что максимальная температура, которой пар достигал при расширении и толкании поршня, составляла немногим более 160 °C. Минимальная температура при конденсации составляла около 40 °C. Это значит, что паровые машины производили движущую силу при перепаде температур примерно на 120 °C. Но температура в нагревателе машины, где горел уголь, составляла более 1000 °C, а следовательно, гораздо больший перепад температур – на 900 °C и больше – растрачивался впустую.
И снова нам поможет водяная мельница. Представьте водопад с 10-метровым перепадом высоты. Теперь представьте водяное колесо, которое находится не у подножия водопада, а всего в метре от его вершины. Интуитивно понятно, что значительная часть мощности потока в таком случае теряется. Паровые машины теряют мощность теплового потока подобным образом.
Как это исправить? По мнению Карно, одним из способов было использование атмосферного воздуха в качестве вещества, толкающего поршень. Поскольку воздух содержит кислород, топливо может гореть и производить тепло внутри цилиндра, а не во внешнем нагревателе, как в паровой машине. “Этим была бы избегнута <…> большая потеря в количестве тепла”, – отмечает Карно. У воздуха есть и другое преимущество над паром – более низкая “удельная теплоемкость”. Грубо говоря, это значит, что одно и то же количество теплоты может поднять температуру определенного объема воздуха на большее количество градусов, чем того же объема пара. Это, в свою очередь, подразумевает, что один и тот же тепловой поток может обеспечивать в воздушной машине больший перепад температур, чем в паровой. Таким образом эффективность повышается еще сильнее. “Употребление атмосферного воздуха для развития движущей силы тепла <…> обнаружит большие преимущества перед водяным паром”, – пишет Карно. Это предсказание исполнилось в конце XIX века, когда появился двигатель внутреннего сгорания, который сжигает бензин или дизельное топливо, чтобы поднимать температуру воздуха в своих цилиндрах значительно выше 1000°. Рудольф Дизель, который в 1893 году опубликовал свою теорию создания такого двигателя, вдохновлялся идеями Карно.
Трактат Карно стал великолепной научной работой, продуктом плодотворного воображения, работавшего в связке с разумом, который опирался на факты. Наследие Карно вокруг нас. Двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, гигантские турбины для генерации электричества и даже ракеты, доставившие людей на Луну, были созданы благодаря открытию Карно, который понял, что создание движущей силы происходит при перемещении теплоты из горячей зоны в холодную. Не столь очевидную, но ничуть не менее важную роль наследие Карно сыграло в формировании наших представлений о Вселенной.
* * *
Летом 1824 года Карно опубликовал “Размышления о движущей силе огня” за свой счет. Ему было 28 лет. Вероятно, ему лучше было отправить работу в популярный журнал своей альма-матер, Политехнической школы. Быть может, сам стиль “Размышлений”, объединявших социологию, политику и абстрактные рассуждения, сделал их неподходящими для публикации в журнале? Как бы то ни было, Карно опубликовал работу сам, заплатив 459,99 франка, что было, должно быть, непросто, ведь он жил на половинный оклад, все еще состоя на службе во французской армии. Отпечатанные 600 экземпляров поступили в продажу 12 июня 1824 года по цене три франка за штуку. Неизвестно, сколько из них было продано. Впрочем, позже в том же месяце идеи из книги были изложены на семинаре в Академии наук в Париже, но сведений о том, запомнили ли этот семинар ведущие французские ученые и присутствовал ли на нем сам Карно, не сохранилось.
В конце 1820-х годов Сади Карно попал в водоворот французской политики. В 1828 году он ушел в отставку из армии и после этого, похоже, нигде не работал, хотя до нас дошло письмо, в котором сообщается, что он пытался открыть инженерное дело.
Есть основания предположить, что после публикации “Размышлений о движущей силе огня” Карно потерял веру в свой труд. Хотя его личные бумаги почти не сохранились, его младшему брату удалось найти небольшую стопку из 23 листов, озаглавленную “Заметки о математике, физике и других предметах”. Эти заметки показывают, что Карно сомневался в ключевой гипотезе “Размышлений” о том, что теплота представляет собой не подлежащий уничтожению флюид, называемый теплородом. Рассуждая о моментах, когда теплота совершает заметное действие, например толкает поршень, он пишет: “Количество не может более оставаться постоянным”. Оглядываясь назад, мы можем счесть это замечание свидетельством его безупречных научных инстинктов. Но в представлении Карно оно ставило под сомнение его главное открытие – что без холода тепло бесполезно. Кроме того, если движущую силу производил не теплород, который двигался из горячей зоны в холодную, то гипотеза Карно казалась хлипкой. Как он отметил в своих заметках, “было бы сложно объяснить, почему при развитии движущей силы необходимо холодное тело”. Попытки примирить гипотезу Карно о том, что теплота должна перемещаться из горячей зоны в холодную для создания движущей силы, с воображаемым теплородом открыли следующую главу в нашей истории.
К несчастью, роль Карно на этом закончилась. В 1832 году он был по неясной причине госпитализирован в психиатрическую лечебницу в Иври под Парижем. Пока он лежал там, во Франции разразилась эпидемия холеры, и Карно стал ее жертвой. Последний взгляд на него мы бросаем, когда он, страдая от лихорадки, мечется в бреду, не понимая огромной важности своей работы. В учетном журнале лечебницы записано: “Месье Карно Лазар Сади, бывший военный инженер, поступил з августа 1832 года, страдая от помешательства. Вылечился от помешательства. Скончался от холеры 21 августа 1832 года”.
Ему было 36 лет.
Глава 3
Замысел Творца
Я не занимался ни судами, ни экипажами, ни печатными станками. Моя цель заключалась в том, чтобы сперва отыскать правильные закономерности.
Джеймс Джоуль
Двадцать четвертого мая 1842 года два брата, которым не исполнилось и тридцати, выплыли на лодке на середину озера Уиндермир, крупнейшего в английском Озерном крае. Пока старший орудовал веслами, младший, сидевший несильно, но заметно ссутулившись, заряжал порохом пистолет. Зачем? Ему хотелось изучить эхо, прислушиваясь к выстрелам, которые гулко отдавались среди холмов. Чтобы выстрел получился громким, молодой человек, которого звали Джеймс Джоуль, положил в пистолет тройную дозу пороха. Отдача оказалась такой сильной, что пистолет упал в озеро, и это служит прекрасным примером непреходящей любви Джоуля к научным экспериментам, которые на первых порах проводились без всякой оглядки на меры предосторожности. В другой раз при осечке у него сгорели брови. В третий он ударил себя самого и друзей электрическим током. Самый жестокий эксперимент он провел, когда с помощью мощной батареи подверг воздействию тока служанку, которой велел описывать свои ощущения. Джоуль повышал напряжение, пока несчастная не потеряла сознание.
Джеймс Прескотт Джоуль, второй из пятерых детей в семье пивовара, родился в 1818 году в Солфорде, в графстве Ланкашир. Примерно за сорок лет до этого Ричард Аркрайт запустил первую в мире хлопкопрядильную фабрику на паровых двигателях в соседнем Манчестере, который тогда был непримечательным рыночным городом на северо-западе Англии. В последующие годы появились десятки новых фабрик, и промышленники начали внедрять в стремительно растущем Манчестере систему массового заводского производства. В 1801–1830 годах население Манчестера фактически удвоилось и достигло примерно 140 тысяч человек: множество людей со всей страны стекалось в город, прозванный Хлопкополисом. Пивовары Джоули процветали. Рабочие хотели пить, и спрос на пиво возрос настолько, что вскоре после рождения Джоуля его отец мог позволить себе содержать большой дом с шестью слугами в хорошем районе Суинтон.
По собственному свидетельству, в детстве Джоуль был болезненным – до 20 лет он регулярно проходил лечение из-за проблем с позвоночником, которыми объяснялась его легкая сутулость. Он был стеснителен и глубоко привязан к старшему брату, поэтому, чтобы не разлучать их, родители решили дать сыновьям домашнее образование. Семья была настолько состоятельной, что, когда Джоулю исполнилось 16 лет, отец записал его на частные уроки к знаменитому химику Джону Дальтону.
Подростком Джоуль приступил к работе на семейном пивоваренном заводе и почти два десятка лет играл активную роль в управлении предприятием. На первых порах он каждый день с 9 утра до 6 вечера трудился в окружении всевозможных механизмов – насосов и резервуаров, где жидкости перемешивались и нагревались до определенной температуры, – и это определило направление его научных исследований. Изучая заводские машины, он заинтересовался идеями Сади Карно.
