Теперь уже примерно ясно, как, в принципе, должен работать тепловой двигатель. Самая незатейливая конструкция — металлический стержень, поднимающий груз за счет подвода и отвода теплоты. Когда стержень охлажден, на него ставят груз. После этого нагреваемый стержень расширяется и, совершая работу, поднимает груз на некоторую высоту. Сняв груз, мы охлаждаем стержень и возвращаем его в исходное состояние. В этом примитивном устройстве есть все особенности настоящего теплового двигателя. Оно работает по тепловому циклу, то есть совершает последовательность операций, в результате которых стержень возвращается в исходное состояние и готов снова претерпеть все изменения и поднять на высоту новую порцию груза.
Операций четыре: сжатие (ставим груз), подвод тепла, сопровождающийся расширением и подъемом груза, расширение (снимаем груз), отвод тепла. Если произвести очень точные измерения, можно обнаружить, что на нагревание сжатого стержня понадобилось теплоты немного больше, чем передано в холодильник при охлаждении несжатого. И эта разница в точности равна механической работе, затраченной на подъем груза.
Конечно, металл не очень-то удачное рабочее тело. Гораздо выгоднее — газ, объем которого сильно меняется при сжатии и нагревании. Но в принципе и газ должен совершать, как и металл, цикл операций: сжатие, подвод тепла, расширение, отвод тепла. Правда, каждый из этих процессов можно проводить разными способами. Скажем, охлаждать и нагревать его можно в замкнутом сосуде, объем которого постоянен. Такой процесс называют изохорным. Если же тепло подводится к газу, находящемуся в цилиндре с подвижным поршнем, — газ увеличивает объем, но давление его не меняется; это — изобарный процесс. Сжимать или расширять газ можно при постоянной температуре — он должен обмениваться теплотой с телом, температура которого не меняется — только тогда можно осуществить изотермический процесс. Если цилиндр с газом теплоизолировать, то, сжимая его поршнем, мы будем повышать его температуру. Если же он будет расширяться сам, температура его будет понижаться. Этот процесс, в котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой, называется адиабатическим.
По-разному комбинируя эти процессы, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают современные тепловые двигатели. Скажем, комбинация из двух адиабатических и двух изохорных процессов образует цикл бензинового двигателя. Если заменить в этом цикле изохорный процесс, по которому идет нагрев газа, изобарным, можно получить цикл Дизеля. Два адиабатических и два изобарных процесса дадут теоретический цикл газовой турбины. Кстати, по этому же циклу работает и металлический стержень, поднимающий груз. Два изотермических и два изобарных процесса складываются в цикл Эриксона, а два изотермических и два изохорных — в цикл Стирлинга. Из всех возможных циклов Карно считал наиболее простым для анализа цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат…
Он исходил из того, что в его распоряжении есть огромный источник тепла — нагреватель и столь же огромный приемник тепла — холодильник. Мы не случайно подчеркиваем, что нагреватель и холодильник огромны: благодаря этому их температура остается постоянной независимо от количества отдаваемого и получаемого тепла. Между таким изотермическим источником и приемником можно расположить тепловые машины, работающие по всевозможным циклам. Каждый из них будет превращать теплоту в работу. Но с одинаковым ли успехом? Есть ли среди этих циклов наилучший? И если есть, то какой именно?
Объединив свои усилия, попеременно на все лады сжимая, нагревая, расширяя и охлаждая газ в цилиндре под поршнем, Силач и Огнепоклонник легко получили основные типы тепловых двигателей.
А — идеальный цикл Карно: 1–2 — адиабатическое сжатие, 2–3 — изотермическое расширение, 3–4 — адиабатическое расширение, 4–1 — изотермическое сжатие. Площадь 6-2-3-5 — подведенная в цикле теплота, площадь 6-1-4-5 — отведенная теплота. Площадь 1-2-3-4 — полезная работа двигателя. КПД = пл.1-2-3-4/пл.6-2-3-5.
Б — идеальные циклы Стирлинга и Эриксона.
ЦИКЛ СТИРЛИНГА (6-1-2-3-5): 1–2 — изохорное нагревание, 2–3 — изотермическое расширение, 3–4 — изохорное охлаждение, 4–1 — изотермическое сжатие. Площадь 6-1-2-3-5 — подведенная теплота, площадь 6-1-4-3-5 — отведенная теплота. Площадь 1-2-3-4 — полезная работа. КПД = пл.1-2-3-4/пл.6-1-2-3-5.
ЦИКЛ ЭРИКСОНА (6-1-2'-3'-5'): 1–2' — изобарное нагревание, 2'-3' — изотермическое расширение, 3'-4 — изобарное охлаждение, 4–1 — изотермическое сжатие. Площадь 6-1-2'-3'-5' — подведенная теплота, площадь 6-1-4-3'-5' — отведенная теплота. Площадь 1–2'-3'-4 — полезная механическая работа. КПД = пл.1–2'-3'-4/пл.6-1-2'-3'-5'.
В — идеальные циклы Отто и Брайтона.
ЦИКЛ ОТТО (6-2-3-5): 1–2 — адиабатическое сжатие, 2–3 — изохорный нагрев, 3–4 — адиабатическое расширение, 4–1 — изохорное охлаждение. Площадь 6-2-3-5 — подведенная теплота, площадь 6-1-4-5 — отведенная теплота. Площадь 1-2-3-4 — полезная механическая работа. КПД = пл.1-2-3-4/пл.6-2-3-5.
ЦИКЛ БРАЙТОНА (6-2-3'-5'): 1–2 — адиабатическое сжатие, 2–3' — изобарный нагрев, 3'-4' — адиабатическое расширение, 4'-1 — изобарное охлаждение. Площадь 6-2-3'-5' — подведенная теплота, площадь 6-1-4'-5' — отведенная теплота. Площадь 1-2-3'-4' — полезная механическая работа. КПД = пл.1-2-3'-4'/пл.6–2—3'—5'.
Карно считал, как уже говорилось раньше: «в телах, употребляемых для развития движущей силы тепла, не должно быть ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема». Это значит, что в цикле не должно быть ни одного процесса, в котором рабочее тело изменяло бы свою температуру за счет подвода или отвода теплоты.
Изменять температуру можно лишь за счет адиабатических, чисто механических процессов. А подвод или отвод тепла в изотермических процессах не сопровождается изменением температуры. Вот почему цикл, составленный из двух адиабатических и двух изотермических процессов, будет самым эффективным из всех, могущих быть встроенными между изотермическим нагревателем и холодильником.
Чтобы сравнить двигатели, работающие по разным циклам, их экономичность оценивается с помощью числового коэффициента — коэффициента полезного действия, который для тепловых двигателей представляет собой отношение работы, полученной на выходе, к теплоте, подведенной на входе. Этот коэффициент — КПД — для идеального цикла Карно выражается очень простой формулой: КПД = Т1 - Т2/Т1.
Здесь Т1 — абсолютная температура нагревателя, а Т2 — абсолютная температура холодильника. (Абсолютная температура получается прибавлением 273,16° к температуре по шкале Цельсия.)
Из этой формулы видно: для повышения КПД надо и увеличивать температуру нагревателя, и уменьшать температуру холодильника. Но температура холодильника — это температура окружающего воздуха на Земле, которая выше абсолютного нуля примерно на 300°. Поэтому сколь бы высоко мы ни поднимали температуру Т1, нам все равно не получить КПД даже идеального теплового двигателя, равным точно 100 %. И еще один неожиданный вывод вытекает из формулы: экономичность теплового двигателя не зависит от свойств рабочего тела.
Трактат Карно оказал огромное влияние на развитие тепловых двигателей. Он внес ясность в запутанный и сложный вопрос, показал, чего можно и чего нельзя ожидать от тепловых машин. Во времена, когда паровой двигатель господствовал в промышленности, когда все попытки изобретателей заменить пар воздухом терпели провал за провалом, Карно прозорливо указывал: «…употребление атмосферного воздуха для развития движущей силы тепла на практике представит огромные трудности, но, может быть, не непреодолимые; если их удастся победить, то воздух обнаружит большие преимущества перед водяным паром». Наконец, Карно объяснил, почему выгодно с точки зрения экономичности повышать температуру, а следовательно, и давление пара. И именно он указал на заблуждения многих практиков, пытавшихся добиться улучшения экономичности за счет замены воды ртутью, алкоголем, серой… «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития».
Для науки это утверждение сыграло даже большую роль, чем для техники. Раз КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела, мы можем применять в этом качестве мыльную пленку, стальную пластину, лед, наэлектризованный кристалл и т. д. Мысленно заставляя эти тела совершать цикл Карно, мы легко и быстро можем определить зависимость поверхностного натяжения от температуры, зависимость точки плавления льда от давления, модуля упругости от температуры и т. д. Вот как получилось, что чисто технический, казалось бы, вывод стал основой для одного из самых мощных и общих методов термодинамического анализа.
К сожалению, простота формулы Карно породила потом немало недоразумений. Последователи Карно не всегда ясно проводили различие между идеальными и реальными циклами. Порой встречалось даже такое утверждение, будто только цикл Карно может быть идеальным, а все остальные — реальные. Это неверно: все циклы могут быть как идеальными, так и реальными. Единственное различие между ними в том, что в идеальных циклах нет потерь от трения и необратимого теплообмена при конечной разности температур. Поэтому циклы Дизеля, Отто, Стирлинга, Эриксона могут быть идеальными, так же как и цикл Карно. Но для того чтобы был возможен идеальный цикл, к примеру Отто, необходимо, чтобы температуры нагревателя и холодильника были не постоянными, как для цикла Карно, а менялись точно так же, как меняется температура рабочего тела в процессе изохорного нагрева и охлаждения. Для источников с такими характеристиками цикл Отто будет единственно возможным идеальным двигателем. Для таких источников цикл Карно просто утрачивает смысл, становится невозможным, как невозможны идеальные циклы Отто и Дизеля для источников и приемников с постоянной температурой.