Страница:БСЭ-1 Том 64. Электрофор - Эфедрин (1934).pdf/240

сов. Закон сохранения энергии показывает невозможность построения такого двигателя, т. н. перпетуум-мобиле первого рода, к-рый отдавал бы энергию, не беря ее ниоткуда, т. е. создавал бы энергию. Оказывается также невозможным построение и такого двигателя, к-рый работал бы за счет уменьшения Э., т. н. перпетуум-мобиле второго рода. Невозможно напр. построить двигатель, к-рый работал бы за счет тепловой энергии, заключенной в океане, и который черпал бы из него энергию, охлаждая воду океана.

Основным условием построения всякого двигателя является т. о. не только постоянство количества энергии, но и наличие ее в таком состоянии, которое обусловливало бы возможность ее самопроизвольного превращения в другую форму или самопроизвольного перехода в другое состояние, напр. переход от более высокого теплового уровня к менее высокому. Тепловая машина может работать только при наличии разностей тепловых уровней — температуры котла и холодильника. Как только разности тепловых уровней выравниваются, энергия оказывается в таком состоянии, что она уже больше не способна к самопроизвольному переходу в другое состояние. Э. достигла максимума, и всякое движение прекратилось.

Конечным результатом работы тепловых машин, как и всякого процесса превращения энергии, является увеличение Э. Т. о. в основе классической термодинамики лежали следующие два положения: энергия мира остается постоянной, Э. всегда растет.

III. Основные этапы развития учения об Э. Идеалистическое истолкование Э. «Тепловая смерть» мира.

Как и вся термодинамика, учение об Э. неразрывно связано и развивалось вместе с развитием паровой машины. Развитие паровой машины сразу поставило проблему наиболее экономного использования топлива. Уатт совершенно отчетливо ставил перед собой «задачу уменьшить в огненных машинах потребление пара и тем самым трату горючего материала» (патент Уатта 1769). Договор, который Уатт вместе с Больтоном заключили с владельцем каменноугольных копей, состоял в том, что им уплачивается третья часть суммы, получаемой от сбережения расходов на топливо. Проблема технической рационализации паровой машины становится центральной проблемой. Реализация этой задачи на практике делает необходимым подробное изучение физических процессов, совершающихся в машине.

В отличие от Ньюкомена Уатт в лаборатории ун-та в Глазго подробно изучает термодинамические свойства паров и тем самым кладет начало термодинамике. Термодинамика не только получает толчок к своему развитию от паровой машины, но и фактически развивается на ее изучении. Появляется потребность не только в изучении отдельных физических процессов, происходящих в паровой машине, но и в общей теории коэффициента полезного действия (кпд) паровой машины.

В своей работе «О движущей силе огня» Сади Карно указывает на то, что необходимо дать полную теорию тепловой машины, подобно той, которая имеется для механических двигателей. Для этого нужно изучить и предвидеть результаты воздействия теплоты на любое тело. Он ставит вопрос о том, «ограничена ли или бесконечна движущая сила огня (т. е. ограничено или нет количество работы, к-рое можно получить при данных термодинамических условиях). Возможно ли безграничное усовершенствование паровой машины в смысле постоянного увеличения ее кпд или же есть граница, к-рую природа вещей мешает перешагнуть каким бы то ни было образом». Подобная постановка вопроса приводит Карно к решению проблемы кпд паровой машины, который оказывается зависящим только от температуры котла и холодильника. Таким образом Карно установил, что получение механической работы посредством паровой машины имеет своим необходимым условием переход теплоты от более нагретого тела (котел) к менее нагретому (холодильник).

Как мы уже видели, подобный переход всегда связан с необратимыми процессами; поэтому получение механической работы в тепловой машине, или, иными словами, переход тепловой формы движения в механическую, всегда связан с возрастанием Э. Подойдя почти вплотную к общей формулировке закона об Э., Карно не был в состоянии сформулировать этот закон в общем виде, т. к. рассматривал теплоту не как форму движения, а как нек-рую особую невесомую материю «теплород».

«Он добрался,— указывает Энгельс,— почти до сути дела; окончательно решить вопрос ему помешало не отсутствие фактического материала, а предвзятая ложная теория, и притом ложная теория, к-рая была навязана физикам не какой-нибудь злокозненной философией, а придумана ими самими при помощи их собственного натуралистического метода мышления, столь превосходящего метафизически философствующий метод» (Маркс и Энгельс, Соч., т. XIV, стр. 571).

Результаты исследования Карно были аналитически и математически обработаны Клапейроном, к-рый придал им форму, сохранившую свое значение и до настоящего времени (см. Цикл Карно).

В цикле Карно работа вдоль изотермы

$a_{1}=\int pdv={\frac {RT_{1}}{m}}\ln {\frac {v_{2}}{v_{1}}}$.

Работа вдоль адиабаты

$a_{2}=\int pdv=-\int C_{v}dT=C_{p}(T_{1}-T_{2})$.

То же и для второй изотермы Т₂ и второй адиабаты. Рассматривая всю работу, совершенную за весь процесс, получаем:

$A={\frac {R}{m}}(T_{1}-T_{2})\ln {\frac {v_{2}}{v_{1}}}$, т. к. ${\frac {v_{2}}{v_{1}}}={\frac {v_{3}}{v_{4}}}$.

Кпд машин равен ${\frac {A}{q_{1}}}$, где A — вся отданная машиной механическая работа, a q₁ — количество тепловой энергии, отданной котлом. Для цикла Карно с идеальным газом $A=q_{1}-q_{2}$, где q₂ — количество теплоты, отданное в холодильник, тогда кпд

$\eta ={\frac {q_{1}-q_{2}}{q_{1}}}$.

Т. к. $q_{1}={\frac {R}{m}}T_{1}\ln {\frac {v_{2}}{v_{1}}}$;   $q_{2}={\frac {R}{m}}T_{2}\ln {\frac {v_{3}}{v_{4}}}$,

то   $\eta ={\frac {{\frac {R}{m}}(T_{1}-T_{2})\ln {\frac {v_{2}}{v_{1}}}}{{\frac {R}{m}}T_{1}\ln {\frac {v_{2}}{v_{1}}}}}={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}}}$.

Т. о. оказывается, что кпд тепловой машины зависит только от температуры котла и холодильника, а не от рабочего вещества (пар воды или другого вещества). Кроме того из этого рассуждения видно, что отдача работы $\int pdv$ вовне связана с переходом тепла от котла с температурой Т₁ к холодильнику с температурой T₂ (T₁ > T₂).

Дальнейшее уточнение и математическую формулировку понятие Э. получает в рабо-