Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общие вопросы >> Биографии физиков | Научные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Популярные статьиКонцепция естественной теологии в биологических работах Джона Рея : (1)

Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу

Сади Карно
Опубликовано в 1824 г.
Содержание

Рис. 5

Чтобы как-нибудь почувствовать a posteriori преимущество машин высокого давления, заставим пар, образованный при атмосферном давлении, входить в цилиндрический сосуд abcd (рис. 5) под поршень cd, соприкасавшийся первоначально с дном ab; пар, подняв поршень от ab до cd, будет далее выполнять свои действия каким-либо образом, нам неинтересным.
Заставим поршень, поднявшийся до cd, опуститься до ef, не позволяя пару ни выйти, ни потерять теплород. Пар будет загнан в пространство abef и одновременно повысит плотность, упругую силу и температуру.
Если бы пар образовался не при атмосферном давлении, а при тех условиях, при которых он находится, будучи сжат до объема abef, то он, продвинув при вхождении поршень от аb до ef, продвинул бы его еще от ef до cd единственно своим расширением, и движущая сила была бы больше, чем в первом случае. В самом деле, движение поршня, равное по амплитуде, имело бы место при большем давлении, хотя и переменном, хотя и непрерывно уменьшающемся.
Пар же для своего образования потребовал почти равное количество теплорода: только теплород был взят при более высокой температуре.
После рассуждении этого рода стали делать машины с двумя цилиндрами, изобретенные Горнбловером (Hornblower) и улучшенные Вульфом; они считаются наиболее выгодными в смысле экономии топлива. Эти машины состоят из небольшого цилиндра, наполняющегося при каждом такте более или менее полно паром (иногда целиком), и из второго цилиндра обычно по объему в 4 раза большего, чем первый, и получающего пар, только уже проработавший в первом цилиндре. Таким образом в конце работы пар, по крайней мере, учетверяет объем. Из второго цилиндра он непосредственно направляется в холодильник, но, понятно, его можно было бы впустить в третий цилиндр, вчетверо больший второго, где его объем стал бы в 16 раз больше первоначального. Главные препятствия, мешающие употреблению третьего цилиндра, это объем, который ему следовало бы придать, и большие отверстия, которые нужно было бы сделать для прохождения пара28.
Мы более не будем говорить на эту тему; входить в детали конструкции тепловых машин не наша цель: эти детали могут составить целую книгу, посвященную им специально, но такая книга пока не существует, по крайней мере, во Франции29.
Если расширение пара ограничивается, главным образом, размерами сосуда, где он должен разрежаться, то степень плотности, при которой его можно первоначально употреблять, ограничивается лишь прочностью сосуда, где пар образуется, т. е. прочностью котла. В этом отношении мы еще далеки от желаемого; устройство обычно употребляемых котлов весьма плохо, давление пара в них редко превышает 4 или 6 атм , все же они часто взрываются и причиняют значительные несчастья. Без сомнения, можно избежать подобных несчастий и в то же время доводить пары до давлений, значительно превышающих обычные.
Кроме машин высокого давления с двумя цилиндрами, о которых мы говорили, существуют еще машины высокого давления с одним цилиндром. Большинство этих машин было построено двумя искусными английскими инженерами: Треветиком и Вивиапом. Эти машины употребляют пар при очень высоком давлении, иногда в 8--10 атм , но они без холодильников. Пар, после введения его в цилиндр, испытывает там значительное увеличение объема, но все же сохраняет давление больше атмосферного. Выполнив свою роль, он выбрасывается в атмосферу. Этот способ равносилен, в смысле полученной движущей силы, способу, при котором конденсация паров производится при 100$^{\circ}$; очевидно, при нем теряется часть полезного действия, но указанные машины выгадывают на отсутствии холодильника и воздушного насоса. Они дешевле других, менее сложны, занимают меньше места, могут употребляться в местах, где нельзя располагать потоком холодной воды, достаточным для конденсации. В таких условиях они имеют неоцененное преимущество - их нельзя заменить другими. Эти машины употребляются главным образом, в Англии для передвижения вагонеток для перевозки угля по рельсам как внутри шахт, так и под открытым небом[37].
Нам остается рассмотреть употребление постоянных газов и паров, иных, чем водяной, для развития движущей силы тепла.
Несколько раз пытались заставить теплоту воздействовать на атмосферный воздух для развития движущей силы. Этот газ представляет по отношению к водяному пару следующие преимущества и неудобства:
  • Он представляет по отношению к водяному пару важное преимущество, так как имеет при том же объеме значительно меньшую емкость к теплу, а потому должен больше охлаждаться при одинаковых увеличениях объема (это доказывается сказанным выше). Было же доказано, как важно изменением объема достичь наибольшего изменения температуры.
  • Водяной пар может быть образован только в котле, в то время как атмосферный воздух можно нагревать непосредственным сгоранием, происходящим в нем. Этим была бы избегнута не только большая потеря в количестве тепла, но и в его термометрических градусах. Преимущество принадлежит единственно атмосферному воздуху; другие газы им не обладают; нагреть их даже труднее, чем водяной пар.
  • Чтобы дать воздуху возможность сильно расшириться и расширением вызвать большое изменение температуры, надо взять его сперва при достаточно высоком давлении: его следовало бы сжать пневматическим насосом или каким-либо другим средством раньше, чем нагревать. Это потребует особого прибора, не существующего в паровых машинах. В последних вода при подаче в котел находится в жидком состоянии, и для подачи не требуется ничего, кроме небольшого питательного насоса.
  • Охлаждение пара при прикосновении с холодным телом происходит гораздо скорее и проще, чем охлаждение воздуха. Можно было бы выпускать воздух в атмосферу; это имеет то преимущество, что тогда охлаждающее тело излишне, а его не везде можно иметь. Но в этом случае расширение нельзя вести далеко: давление воздуха должно оставаться больше атмосферного.
  • Один из наибольших недостатков пара - это невозможность брать его при высокой температуре без употребления исключительно крепких сосудов. Не так для воздуха; для последнего не существует определенного соотношения между температурой и упругой силой.
  • Воздух представляется более пригодным, чем пар, для использования движущей силы падения теплорода при высоких градусах; при низких градусах водяной пар может быть более подходящ. Одно и то же тепло может последовательно воздействовать на воздух и на водяной пар. Воздух надо оставить после его употребления при достаточно высокой температуре и вместо непосредственного выбрасывания в атмосферу заставить обойти около парового котла, как если бы он непосредственно исходил из топки.
    Употребление атмосферного воздуха для развития движущей силы тепла на практике представит огромные трудности, но, может быть, не непреодолимые; если их удастся победить, то воздух обнаружит большие преимущества перед водяным паром30.
    Что касается других постоянных газов, то они должны быть совсем отброшены: они имеют все недостатки атмосферного воздуха, не обладая ни одним из его преимуществ. То же можно сказать о парах других жидкостей по отношению к водяному пару.

    28Выгоду двух цилиндров перед одним легко заметить. В одном цилиндре импульс поршня был бы весьма различен в начале и в конце движения. Пришлось бы все части, предназначенные для передачи движения, сделать достаточно прочными, чтобы выдержать начальный импульс, и хорошо пригнать их друг к другу, чтобы они противостояли резким движениям; которым будут подвергнуты; иначе они скоро разрушатся. Именно, коромысла, подшипники, кривошип, шатун и первые зубчатые колеса наиболее будут чувствовать неодинаковость импульса. Кроме того, цилиндр должен быть достаточно крепким, чтобы выдержать наиболее высокое давление, и достаточно большого объема, чтобы умещать пар после его расширения. Употребляя же два последующих цилиндра, первый необходимо сделать крепким при малых размерах, что легко, а второй - больших размеров без особой прочности.
    Машины с двумя цилиндрами, хотя и основаны на довольно хороших принципах, часто не дают ожидаемых от них результатов: причина заключается, главным образом, в трудности хорошо подобрать размеры отдельных частей машины, и поэтому они редко находятся в хорошем соотношении. Нет хороших моделей для постройки машин с двумя цилиндрами, в то время как существуют отличные модели для постройки машин системы Уатта. Отсюда проистекает разница в полезном действии машин одного рода и почти полная одинаковость в действии машин другого рода[36]
    29В труде Heron de Villefosse под заглавием "De la Richesse minerale" (v. 3, p. 50 ff) можно найти хорошее описание паровых машин, ныне употребляемых при разработке копей. В Англии паровые машины довольно полно описаны в Британской энциклопедии. Некоторые из данных, которыми мы здесь пользуемся, взяты из этой книги.
    30Среди попыток развивать движущую силу огня посредством атмосферного воздуха следует отметить попытку Ниепсов, сделанную ими несколько лет назад во Франции; изобретатели назвали свой аппарат "pyreolophore". Вот, примерно, его устройство: атмосферный воздух наполнял при обычной плотности цилиндр с поршнем. Кроме того, туда вводился очень горючий материал в виде мелкого порошка, который несколько времени оставался в воздухе взвешенным; наконец туда вводился огонь. Воспламенение производит почти такой же эффект, как если бы внутри цилиндра находилась смесь воздуха и горючего газа, например воздуха и углеводорода; происходит род взрыва, внезапное расширение упругой жидкости; это расширение используется, его заставляют целиком действовать на поршень. Последний получает движение некоторой амплитуды, и, таким образом, развивается движущая сила. После этого ничто не препятствует переменить воздух и возобновить операцию, подобную первой.
    Эта машина, весьма замечательная и интересная, особенно новизной принципа, грешит в одном основном пункте. Вещество, употреблявшееся в качестве топлива (порошок ликоподия, употребляемый для получения пламени в театрах), так дорого, что этим уничтожается вся выгода. К несчастью, трудно найти топливо, более подходящее по цене, так как оно должно быть в виде тонкого порошка, вспышка которого происходила бы легко, быстро распространялась и оставляла бы после себя мало или совсем бы не оставляла золы.
    Нам казалось бы более выгодным действовать не как Ниепсы, а сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления, легко осуществимого; затем заставить воздух выполнить работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде и, наконец, выбросить его в атмосферу или заставить пойти к паровому котлу для использования оставшейся температуры[38].
    Главные трудности, встречаемые в этого рода операциях: заключить топку в помещение достаточной крепости и поддерживать при этом горение в должном состоянии, поддерживать различные части аппарата при умеренной температуре и мешать быстрой порче цилиндра и поршня; мы не думаем, чтобы эти трудности были непреодолимы.
    Говорят, недавно в Англии были сделаны удачные попытки развить движущую силу воздействием тепла на атмосферный воздух. Мы совершенно не знаем, в чем заключались эти попытки, и были ли они произведены на самом деле.

    Назад | Вперед


    Написать комментарий
     Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования