100 знаменитых ученых
Шрифт:
В 1827 году в Генеральном штабе была проведена реформа, и Карно остался без работы. Около года он проработал военным инженером в Лионе и Оксоне, а затем вышел в отставку и поселился в Париже. Здесь он продолжил исследования в области теории теплоты.
После прихода к власти Луи Филиппа Сади даже получил предложение войти в состав правительства, но, будучи убежденным республиканцем и противником монархии, отказался. А в июне 1832 года он серьезно заболел. В августе, когда Сади еще не окончательно оправился, в Париже вспыхнула эпидемия холеры. Среди ее жертв оказался и Карно. Ученый умер 24 августа. По правилам того времени, все имущество умершего от холеры, включая бумаги, было сожжено. Только случайно уцелевшая записная книжка позволила впоследствии установить, какую огромную утрату понесла наука.
«Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» так и остались единственным трудом Сади Карно, увидевшим свет при жизни автора. В период, предшествующий его написанию, началось активное использование паровых машин. Тем не менее, теоретических исследований работы этих новых механизмов еще не существовало.
Цикл Карно состоит из двух изотермических [69] и двух адиабатических [70] процессов. Рабочее тело (например, пар) находится в цилиндре, закрытом поршнем. В ходе первого изотермического процесса стенки цилиндра приводятся в контакт с нагревателем, имеющим постоянную температуру. Пар при этом расширяется и производит работу. Далее следует первый адиабатный процесс, в ходе которого пар охлаждается за счет продолжающегося расширения. В начале второго изотермического процесса цилиндр приводится в контакт с холодильником, имеющим постоянную температуру. При этом происходит сжатие пара. Наконец, в ходе последнего адиабатического процесса система возвращается в первоначальное состояние. Изучая этот цикл, Карно вывел и доказал теорему, названную позже его именем. Согласно теореме Карно, максимально теоретически возможный КПД тепловой машины не зависит от ее конструкции и природы рабочего вещества и определяется только температурой нагревателя и холодильника. Также Карно пришел к закону сохранения энергии и фактически ко второму началу термодинамики.
69
Изотермический процесс – процесс, протекающий при постоянной температуре.
70
Адиабатический (адиабатный) процесс – процесс, при котором система не получает тепла извне и не отдает его.
14 июня 1824 года, через два дня после опубликования, «Размышления» были официально представлены Академии наук и вскоре получили благоприятную рецензию. Тем не менее, при жизни Карно этот труд не привлек особого внимания, а важность его не была понята современниками. Это, по всей видимости, связано с тем, что идеи, изложенные в «Размышлениях», были слишком новы и оригинальны, а никому не известный автор не вызывал у более именитых физиков доверия и желания подробно разобраться в его работе. Сыграло свою роль и то обстоятельство, что в своих рассуждениях Карно опирался на гипотезу теплорода, в те времена уже устаревшую и неверную по мнению большинства ученых. Только благодаря уцелевшей записной книжке ученого стало известно, что позже он отказался от этой гипотезы или даже вовсе не придерживался ее, используя теплород в качестве модели, облегчающей рассуждения и расчеты.
В 1834 году Клапейрон частично восстановил историческую справедливость, обратив внимание научного мира на «Размышления» Карно. Еще через 15 лет Уильям Томсон приложил усилия для того, чтобы вернуть из небытия имя безвременно ушедшего из жизни французского ученого, опубликовав обширный «Доклад о теории Карно – о движущей силе теплоты счисленными результатами, полученными из опытов Реньо [71] над парами». И все равно долгое время научный мир не мог по достоинству оценить результаты Карно. Ученые не находили особой доблести в том, чтобы сформулировать второе начало термодинамики умозрительно, не выведя первого. То, что на самом деле Сади Карно пришел к первому началу, стало широко известно в 1927 году, когда была опубликована его записная книжка. Наконец, в 1966 году была обнаружена рукопись, написанная Карно в 1822–1823 годах. Она представляла собой большую статью, в которой содержались основные положения термодинамики. По всей видимости, Карно из осторожности не спешил публиковать эту статью. Эта осторожность и скоропостижная смерть ученого лишили его заслуженной славы и сильно замедлили темпы развития новой области физики…
71
Реньо Анри Виктор (1810–1878) – французский физик и химик, определил физические константы многих газов, паров, жидкостей и твердых тел.
КЛАПЕЙРОН БЕНУА ПОЛЬ ЭМИЛЬ
(1799 г. – 1864 г.)
Эмиль Клапейрон родился 26 января 1799 года в Париже. Сведений о его родителях история практически не сохранила. Известно только, что, согласно записи в архиве, они «недвижимой собственностью не владели». Также мало известно и о детстве известного физика. В 1816 году Эмиль окончил один из парижских лицеев и поступил в Политехническую школу. Через два года Клапейрон получил диплом военного инженера. Он занял должность инженера-ученика во Французском
В 1819 году Эмиль и его друг Габриель Ламе [72] отправились в исследовательскую поездку по Гарцу. В те времена этот район был одним из центров добычи металлов (меди, серебра, цинка, свинца). Молодые инженеры особенно интересовались различными техническими приспособлениями. Результатом поездки стали две первые научные работы Клапейрона, которые были посвящены зубчатым колесам и описанию парохода.
После возвращения друзей в Париж произошло событие, сыгравшее важную роль в жизни обоих. Клапейрон и Ламе были представлены Пьеру Доминику Базену. В свое время Базен вошел в группу ученых, откомандированных по просьбе Александра I Наполеоном в Россию. Их задачей было создание новой для Российской империи специальности – инженеров путей сообщения. В результате появился Петербургский институт инженеров путей сообщения. Базен проработал в России достаточно долго, он даже стал именоваться Петром Петровичем и дослужился до генерала. Во Франции он, в частности, подбирал преподавателей для Института инженеров путей сообщения, который все еще нуждался в заграничных кадрах. Молодые исследователи произвели на Базена хорошее впечатление, и он предложил им отправиться в Россию.
72
Габриель Ламе – французский математик и инженер. Автор трудов по математической физике и теории упругости. Разработал общую теорию криволинейных координат, ввел специальный класс функций, названных его именем.
20 июня 1821 года появился указ о назначении Клапейрона и Ламе преподавателями института. Эмиль был назначен заведующим кафедрами механики и химии. Он взялся за работу основательно: прежде чем приступить к чтению порученных ему курсов, внимательно изучил и пересмотрел их программы. Клапейрон разделил курсы химии и механики на прикладную и теоретическую часть, добавил новые разделы (о паровых машинах, о ветряных мельницах и др.). Преподавательскую деятельность он успешно совмещал с научной и инженерной: молодой ученый много времени уделял вопросам строительства мостов, гидротехническим работам, выполнял чисто прикладные задачи. Так, ему было поручено исследование месторождений известняка и анализ свойств известей, получаемых из них. В результате тщательных и обширных работ Клапейрон установил, что русские извести не уступают импортируемым из-за границы. Он руководил первыми в России испытаниями бетона и первым применением этого материала при строительстве мостов, входил в различные комиссии по изучению проектов, рецензировал изобретения, сам активно занимался проектированием. В 1825 году Клапейрону было поручено провести испытания прочности российского железа, которое шло на строительство цепных мостов. За время пребывания в России Эмиль опубликовал более десятка инженерных и научных работ. В 1830 году он был избран членом-корреспондентом Петербургской академии наук.
Но не следует думать, что пребывание Клапейрона и Ламе в Российской империи было безоблачным, скорее, дело обстояло совсем наоборот. Уже в 1824 году они подавали прошение об отставке и возвращении во Францию. Предпринимались такие попытки и в дальнейшем, но всякий раз ученые получали отказ. Причины, по которым Клапейрон и Ламе все-таки смогли покинуть Россию, до конца не известны. Возможно, большое значение сыграло то, что они с воодушевлением восприняли известие об Июльской революции во Франции. Это событие сыграло важную роль и в политической жизни России, в частности, послужило толчком к Польскому восстанию 1830–1831 годов. Власти предупреждали ученых о недопустимости тех слишком либеральных политических высказываний, но французы должной сдержанности не проявляли. В конце 1830 года Клапейрон, практически наверняка в качестве наказания, был отправлен в полугодичную командировку в Вытегру. В начале 1831/32 учебного года он приступил к выполнению своих преподавательских обязанностей, но вскоре подал вместе с Ламе прошение об отставке, мотивируя его состоянием здоровья. На этот раз прошение было без всяких проволочек удовлетворено, и неугодные российским властям молодые французские ученые смогли вернуться на родину.
Вернувшись во Францию, Клапейрон в основном посвятил себя развитию железнодорожного транспорта. Вскоре после приезда он и Ламе вместе составили проект строительства одних из первых железнодорожных линий Париж – Сен-Жермен. Деньги на строительство удалось получить не сразу, и Клапейрон некоторое время преподавал в Минной школе.
Увлечение железной дорогой определяло и научные интересы Эмиля Клапейрона. Он не только изучал проекты паровых машин, но и следил за теоретическими исследованиями в этой области. В 1834 году произошло знаменательное событие: Клапейрон познакомился с трудом Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Эмиль стал фактически первым ученым, который внимательно изучил эту работу, написанную десятью годами ранее, и, пожалуй, первым же, кто понял основные идеи покойного Карно. Так же, как и Карно в своих неопубликованных записях, Клапейрон вплотную подошел к пониманию закона сохранения энергии, впрочем, так и не сформулировав его. Он писал: «Количество работы, совершаемое газом, и количество теплоты, перешедшее от теплого тела к холодному, – величины одинакового типа, которые могут переходить друг в друга, взаимопревращаться. Здесь дело обстоит так же, как и в механике, где тело, которое может падать с определенной высоты, и тело, обладающее определенной скоростью, характеризуются величинами одного вида, которые могут благодаря определенным устройствам превращаться друг в друга». Надо заметить, что вслед за Карно Клапейрон в своих рассуждениях и расчетах использовал гипотетический теплород, в общем-то, понимая теоретическую слабость этой концепции.