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

Это - одно из наиболее хорошо установленных следствий опыта; мы его возьмем в основу нашего доказательства13.
Рис. 1

Если температура газа повысилась благодаря сжатию и мы хотим привести ее к первоначальному значению, не производя новых изменений объема, то надо отнять у газа теплород. Это же количество теплорода можно было бы отнять у газа во время самого сжатия так, чтобы температура газа оставалась все время постоянной.
Также, разрежая газ, можно уничтожить понижение его температуры, подводя ему определенное количество теплорода. Мы будем называть теплород, употребленный в тех случаях, когда он не производит никакого изменения температуры, теплородом от изменения объема[14]. Это выражение не значит, что теплород принадлежит объему, он принадлежит ему не более, чем принадлежит давлению; его также можно было бы назвать теплородом от изменения давления. Мы не знаем, какому закону он следует в зависимости от изменения объема: возможно, что его количество меняется с природой газа, с его плотностью, с его температурой. Опыт нам ничего не дал относительно этого; опыт дал только, что теплород развивается в более или менее значительных количествах при сжатии упругих жидкостей.
Сделав это предварительное замечание, вообразим упругую жидкость, например атмосферный воздух, заключенный в цилиндрический сосуд abcd (рис. 1), закрытый подвижной диафрагмой или поршнем cd; кроме того, предположим два тела A и B, поддерживаемые оба при постоянной температуре, причем A при более высокой, чем B; затем вообразим следующий ряд операций[15]:
  • Тело A приводится в соприкосновение с воздухом, заключенным в сосуде abcd, или со стенкой сосуда, которая, мы предполагаем, легко пропускает теплород. Благодаря этому соприкосновению, воздух находится при температуре тела A; cd - положение поршня в данный момент.
  • Поршень непрерывно подымается и принимает положение ef. Все время имеет место контакт между телом A и воздухом, который, таким, образом, поддерживается при постоянной температуре во все время разрежения. Тело A дает теплород, необходимый для поддержания постоянной температуры.
  • Тело A удалено, и воздух больше на находится в соприкосновении с телом, способным его снабжать теплородом; поршень же продолжает свое движение и переходит из положения ef в положение gh. Воздух разрежается, не получая теплорода, и его температура падает. Предположим, что она падает до тех пор, пока не достигнет температуры тела B: в этот момент поршень останавливается и занимает положение gh.
  • Воздух приведен в соприкосновение с телом B; он сжимается движением поршня, который переходит из положения gh в положение cd. Но воздух остается при постоянной температуре благодаря контакту с телом B, которому он отдает свой теплород.
  • Тело B удалено, продолжается сжатие воздуха; воздух, будучи изолирован, повышает свою температуру. Сжатие продолжается до тех пор, пока воздух не достигнет температуры тела A. Поршень при этом переходит из положения cd в положение ik.
  • Воздух приведен в соприкосновение с телом A; поршень возвращается из положения ik в положение ef; температура остается неизменной.
  • Период, описанный в п. 3, повторяется, затем следует 4, 5, 6, 3, 4, 5, 6, 3, 4, 5 и т. д.
  • В различных положениях поршень испытывает давления более или менее значительные со стороны воздуха, находящегося в цилиндре; упругая сила воздуха меняется как от изменения объема, так и от изменения температуры, но необходимо заметить, что при равных объемах, т. е. для подобных положений поршня, при разрежении температура будет более высокой, чем при сжатии. Поэтому в первом случае упругая сила воздуха будет больше, а отсюда движущая сила, произведенная движением от расширения, будет больше, чем сила, нужная для сжатия. Таким образом, получится излишек движущей силы, излишек, который можно на что-нибудь употребить. Воздух послужит нам тепловой машиной; мы употребили его даже наиболее выгодным образом, так как не происходило ни одного бесполезного восстановления равновесия теплорода.
    Все операции, здесь описанные, могут быть проведены в одном направлении или в обратном. Пусть после шестого периода, т. е. когда поршень придет в положение ef, его заставят вернуться в положение ik, и в то же время воздух поддерживается в соприкосновении с телом A: теплород, отданный этим телом за шестой период, возвращается к своему источнику, т. е. к телу A, и все тела возвращаются в то состояние, в каком они находились в конце пятого периода. Если теперь убрать тепло A и заставить поршень перейти от положения ik к cd, то температура воздуха опустится, на столько градусов, на сколько она повысилась за пятый период, и станет равной температуре тела B. Очевидно, можно продолжать ряд операций, обратных описанным выше: достаточно каждый раз становиться в прежние условия и для каждого периода выполнять движение разрежения вместо движения сжатия и наоборот.
    Результатом первых операций было получение определенного количества движущей силы и перенос теплорода от тела A к телу B; результатом обратных операций будет затрата полученной движущей силы и возвращение теплорода от тела B к телу A: обе операции уничтожают друг друга или, так сказать, друг друга нейтрализуют.
    Невозможность заставить теплород развить большее количество движущей силы, чем мы получили нашей первой серией операций, теперь легко доказать. Она будет доказана рассуждениями, совершенно подобными рассуждениям выше. Они здесь даже будут иметь большую точность: воздух, которым мы пользуемся для получения движущей силы, приводится в конце каждого цикла операций точно к прежнему состоянию, в то время как это было не совсем так для водяного пара, что и было отмечено14.
    Мы выбрали атмосферный воздух как средство для развития движущей силы тепла; очевидно, рассуждения были бы прежние для всякого другого газообразного вещества и даже для всех других тел, способных менять температуру благодаря сжатию и расширению, что охватывает все тела природы или, по крайней мере, все те, которые способны развивать движущую силу тепла. Таким образом мы пришли к следующему общему выводу:
    Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счете, производится перенос теплорода.
    Здесь предполагается, что каждый из методов получения движущей силы достигает полного совершенства, на которое он способен. Это условие, как мы заметили выше, будет выполнено, если в телах не будет происходить ни одного изменения температуры, обусловленного не изменением объема, или, что то же, только иначе выраженное, нигде не будет соприкосновения между телами о заметной разностью температур.
    Разные методы развития движущей силы тепла могут отличаться или применением разных веществ, или употреблением одного и того же вещества при двух различных состояниях, например одного и того же газа, при двух разных плотностях.
    Это, естественно, ведет нас к интересным исследованиям о газообразных жидкостях, - исследованиям, которые приведут к новым результатам относительно движущей силы тепла и дадут нам средства проверить, в некоторых частных случаях, основное положение15.
    Легко заметить, что наши рассуждения упростились бы, если положить, что температуры тел A и B мало различаются друг от друга. Тогда движения поршня в периоды 3 и 5 будут очень малы, и этими периодами можно пренебречь без заметного влияния на движущую силу. В самом деле, достаточно очень малого изменения объема, чтобы вызвать весьма малое изменение температуры, и этим малым изменением объема можно пренебречь по сравнению с изменениями объема в периодах 4 и 6, величина которых неограничена.

    13Опыты, доказывающие наилучшим образом изменение температуры газа с сжатием или расширением, суть следующие:
  • Падение термометра, помещенного в колокол воздушного насоса, в котором производится разрежение. Это понижение очень заметно на термометре Бреге ( Breguet), оно может превысить 40 или 50$^{\circ}$. Туман, получающийся в этом случае, кажется, происходит от сгущения пара, благодаря охлаждению воздуха.
  • Воспламенение трута в так называемых пневматических огнивах, представляющих собой, как известно, маленькие цилиндры с поршнем, где воздух подвергается быстрому сжатию.
  • Падение термометра, помещенного в сосуд, из которого первоначально сжатый воздух выпускается через кран.
  • Результаты опытов над скоростью звука. Лаплас ( De Laplace) показал, что для точного согласования его результатов с теорией и вычислениями следует допустить нагревание воздуха при внезапном сжатии.

  • Единственный опыт, который может быть противопоставлен этим опытам это - опыт Гей-Люссака ( Gay-Lussac) и Вельтера ( Welter), описанный в "Annales de phisique et de chimie".
    В большом сосуде с сжатым воздухом было сделано маленькое отверстие и шарик термометра помещен в поток воздуха, выходящего в это отверстие, при этом не наблюдалось заметного понижения температуры, показываемой термометром.
    Этому опыту можно дать два объяснения: 1) трение воздуха о стенки отверстия, через которые он выходит, развивает, возможно, теплоту в требуемом количестве; 2) воздух, приходящий в непосредственное соприкосновение с шариком термометра, может быть, принимает, благодаря удару о шарик или, вернее, возвращению назад, которое ему приходится делать, плотность, равную той, которая была в сосуде, примерно так, как вода потока поднимается около твердой преграды выше своего уровня.
    Изменение температуры, происходящее в газах вследствие изменения объема, можно рассматривать как один из наиболее важных фактов физики, благодаря большому числу следствий, вытекающих из него, и, в то же время, как один из фактов, наиболее трудных для объяснения и для измерения точными опытами. Кажется, он представляет в нескольких отношениях странные аномалии.
    Не охлаждению ли воздуха при разрежении надо приписать холод верхних слоев атмосферы? Доводы, до сих пор приводимые, совершенно недостаточны для объяснения этого холода: говорят, что воздух высоких областей, получая мало отраженной от земли теплоты и сам излучая в звездное пространство, должен потерять теплород, и в этом заключается причина его охлаждения; но это объяснение отпадает, если заметить, что на равных высотах холод царит в той же мере и даже с большей интенсивностью на плоскогорьях, как на горных вершинах и в областях атмосферы, удаленных от поверхности земли[13].
    14В наших доказательствах мы полагали, что если тело, испытав любые изменения и ряд превращений, возвращается в прежнее положение относительно плотности, температуры и агрегатного состояния, то оно будет обладать тем же количеством теплоты, какое имело первоначально, т. е., другими словами, что поглощаемые и развиваемые при различных превращениях количества тепла взаимно компенсируются. Это положение никогда не подвергалось сомнению; оно было сперва принято без рассуждений и, затем, подтверждено многочисленными калориметрическими измерениями.
    Отрицать его - значит разрушить всю теорию тепла, основывающуюся на этом положении. Впрочем, заметим мимоходом, основные положения, на которые опирается теория тепла, требуют внимательного исследования. Некоторые данные опыта представляются необъяснимыми при современном состоянии теории[16].
    15В последующем мы будем предполагать, что читатель в курсе последних успехов современной физики, касающихся газообразных жидкостей и теплоты.

    Назад | Вперед


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