|
|
|
|
|
|
||
Как уже говорилось, к началу XIX века в физике господствовала механика, и различные формы движения стремились сводить к механическим. Тепловые процессы или перенос (движение) тепла в этом мире уподобляли движению гипотетической жидкости - теплорода.
С древних времен в технике применялись различные способы преобразования тепловой энергии в механическую с помощью различных тепловых машин. Однако достаточно четкие научные взгляды на этот процесс отсутствовали, техника опережала науку. Для понимания процессов, происходящих в тепловой машине, широко использовалась аналогия с гидравлической машиной.
Рассматривалась плотина, в которой с высоты h падала вода на лопасти колеса и приводила в движение вал, вращающийся со скоростью V. Потенциальная энергия воды mgh превращалась в кинетическую энергию вала 
. Если пренебрегать потерями на трение, то вся потенциальная энергия переходила в кинетическую энергию, т. е.
В тепловой машине всегда существует два узла: нагреватель с температурой рабочего тела T1 и холодильник с температурой T2. За счет протекания тепла от нагревателя к холодильнику может производиться работа. Здесь можно провести аналогию с плотиной и мельничным колесом и хорошо подходят представления о теплороде*, протекающем от нагревателя к холодильнику. Однако было замечено, что такая аналогия не работает.
Первые серьезные исследования этого процесса провел молодой французский инженер Сади Карно (1796 - 1932). Он был сыном военного министра при Наполеоне, в 1814 году сражался в предместье Парижа с войсками союзников, после разгрома Наполеона окончил Политехническую школу.
С. Карно больно переживал поражение Франции в войне и стремился быть полезным своей Родине. Он обратил внимание на то, что паровым машинам, которые в то время широко применялись в промышленности Англии, уготовано большое будущее. Карно полагал, что та страна, в которой эти машины будут наиболее совершенными, станет сильной державой. Это стало стимулом для молодого инженера, и он приступил к работе над паровой машиной с высоким коэффициентом полезного действия (КПД, 
). Его исследования были опубликованы в 1824 году, в небольшой книге "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу".
Вначале Карно, исходя из казалось бы очевидной аналогии с водяной мельницей, полагал, что, при переносе тепла от нагревателя к холодильнику, количество теплоты в тепловой машине сохраняется. Однако это оказалось не так.
Карно показал, что процессу преобразования теплоты в работу присуща некая "внутренняя неэффективность", т. е. не все количество тепла переходит от нагревателя к холодильнику, а часть его обязательно теряется; было найдено выражение для предельного значения КПД тепловой машины. Более подробно об этом можно прочитать в параграфе Цикл Карно. В книге Карно содержится также формулировка двух принципов, получивших позднее наименование первого и второго начал термодинамики: первое начало - закон сохранения энергии, второе - количественная оценка упоминавшейся выше "внутренней неэффективности" при преобразовании теплоты в работу. В дальнейшем последнее положение будет рассмотрено достаточно подробно.