Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Впоследствии Клаузиус возвел этот принцип, установленный Карно, в ранг Второго начала или Второго закона термодинамики. Второго потому, что после смерти Карно другие ученые установили Первое начало термодинамики — закон сохранения энергии, существование которого Карно считал само собой разумеющимся в форме постулата о невозможности создания вечного двигателя.
Установив свой принцип, Карно ответил и на вопрос, поставленный им в начале исследования об эффективности паровой машины: что нужно сделать, чтобы машина стала более экономичной?
Ответ таков: паровая машина, как всякая циклическая тепловая машина, не работает, если температуры нагревателя и холодильника одинаковы, но работает
Так был найден принципиальный путь совершенствования тепловых машин.
Следует подчеркнуть особенность мысленного эксперимента Карно — он был осуществлен в области, в которой до него все решалось только руками. Это была область чистой эмпирики — метод проб и ошибок. Все удачные усовершенствования связаны с заменой узлов или вводом дополнительных деталей. Карно первым сделал эту область техники объектом мысленного эксперимента. Он сумел до-биться принципиально важного результата и возвел проблему паровой машины на уровень важнейшей науки о теплоте впоследствии развившейся в термодинамику. Мысленный опыт послужил мостом между техникой и наукой.
Инженеры, вооруженные указаниями Карно, принялись создавать новые котлы с улучшенными топками и все более совершенными условиями теплообмена между пламенем и водяным паром. Температура пара в новых котлах стала выше. Соответственно увеличилось и давление пара, что потребовало применения более прочных материалов для изготовления котлов, трубопроводов и паровых цилиндров.
Следующим этапом был переход к паровым турбинам, вращающиеся лопасти которых заменили цилиндр с поршнем, сделав ненужным золотник и шатунно-кривошипный механизм. Но это особая история.
Для нас существенно, что, следуя Карно, инженеры подняли температуру пара до сотен градусов, а его давление до сотен атмосфер, значительно улучшив коэффициент полезного действия паровых машин. Важным шагом стал переход к двигателям внутреннего сгорания, в которых температура газов над поршнем превосходит тысячу градусов. Затем появились газовые турбины, в начале названные турбинами внутреннего сгорания. Это привело к дальнейшему возрастанию КПД. Предел при этом определяется тепловой стойкостью турбинных лопаток, омываемых раскаленными газами.
В новейших магнитогидродинамических генераторах энергия еще более горячей газовой струи непосредственно преобразуется в электрическую энергию без участия каких-либо движущихся механизмов. Но законы термодинамики и здесь определяют эффективность процесса, так же как эффективность непосредственного преобразования энергии солнечного света в электроэнергию при помощи полупроводниковых солнечных батарей и всех прочих устройств и процессов, предназначенных для преобразования тепловой энергии в другие ее формы.
Клаузиус еще в прошлом веке смог получить очень простую формулу для вычисления предельной эффективности тепловой машины, по современной терминологии — предельного коэффициента полезного действия. Он равен отношению разности температур нагревателя и холодильника (конденсатора) к температуре нагревателя. При этом, конечно, температуру нужно измерять от абсолютного нуля (по шкале Кельвина).
Все это еще оставалось неизвестным при жизни Карно. Но принцип, установленный Карно на основе рассмотрения работы идеальной циклической тепловой машины, уже при его жизни Начал работать на будущее. Карно исследовал идеал, несуществующую машину, потому что при своем рассмотрении отвлекался от всех потерь, от трения, от утечек пара и тепла, а также считал, что машина действовала обратимо, то есть ее можно было заставить описывать цикл в обратном направлении, превращая работу внешнего двигателя в тепло. Такой машины не может быть, но, рассматривая ее работу, Карно пришел к пониманию принципа превращения тепла в механическую работу. Этот принцип оказался универсальным. Ему подчиняются превращения тепловой энергии в любые другие виды энергии. Он остается справедливым и при работе холодильных машин, способных охлаждать нагретые тела ниже окружающей температуры, расходуя механическую работу, электрическую или другие формы энергии. Существенно, что принцип Карно, как и вся термодинамика, справедлив не только для циклических, но для любых тепловых процессов.
Идеальная циклическая машина выполнила свою работу. И она навсегда останется в истории науки. Пусть читателей, знакомых с идеальной машиной Карно по другим книгам не смущает новое упоминание о ней. Еще не раз в этой книге мы вернемся к уже знакомым нам предметам, чтобы взглянуть на них под новым углом зрения, в новом освещении.
Истины, добытые наукой, подобны бриллиантам — при благоприятных условиях они способны засиять новыми гранями. И ученые постоянно возвращаются к твердо установленным фактам, чтобы опереться на них и шагнуть дальше и выше.
ДЬЯВОЛ МАКСВЕЛЛА
В этой книге мы поставили себе целью проследить, как складывалась современная система научного мышления. Ведь только способность к познанию помогла человеку подняться из пропасти невежества на уровень сегодняшней цивилизации. Читатель может возразить — стремление к познанию не есть привилегия человека. Это стремление мы унаследовали от животных. Да, высшие животные способны упорядочивать свои впечатления о внешнем мире и, по мере накопления опыта, видоизменять свое поведение, первоначально основанное на инстинктах и безусловных рефлексах. Условный рефлекс — первая стадия познания. Человек прошел длинный путь через постепенное удлинение и усложнение цепочек условных рефлексов к мышлению. Членораздельная речь и труд, несомненно, сыграли решающую роль в этом процессе. Знакомясь с внешним миром и соизмеряя с ним свои возможности, осмысливая окружающее и самого себя, человек благодаря речи мог передавать свое знание потомкам, делиться им с окружающими. Именно поэтому человечество сумело так быстро, относительно быстро, обогнать в своем развитии животных, занять особое место в подлунном мире.
Не будучи в состоянии понять причины явлений природы, особенности поведения животных, а зачастую и мотивы поступков других людей, даже близких, человек относил все это за счет действия высших сил. Так возникли многочисленные духи и боги, добрые и злые. Обычно это были похожие на людей существа. В этом проявлялся конкретный характер мышления людей, еще не научившихся мыслить абстрактно. Об этом свидетельствуют многочисленные источники, начиная от наскальных изображений, разбросанных в различных местах Европы и Азии, Африки и Америки.
Начальные этапы развития всех человеческих племен протекали, по-видимому, сходными путями. Но скорости продвижения были различными. Здесь сказались, прежде всего, условия жизни, трудности в добывании пищи, темп увеличения численности племени. Для малых племен неблагоприятные условия, ведущие к смерти отдельных людей, зачастую переходили границу, за которой начиналась гибель всего племени с утратой знаний, приобретенных многими поколениями. Малые племена или племена, территориально раздробленные и лишенные обмена опытом, отставали в своем развитии от тех, где каждое достижение отдельного индивидуума быстро становилось достоянием многих.