Карно и его вклад в развитие науки

ВОПРОС 19Карно и его вклад в развитие науки

Бондаренко Екатерина Андреевна
ОГТИ (филиал) ОГУ

Николя Леонард Сади Карно1 июня 1976 – 24 августа 1823

более известен как Сади Карно — французский 
физик и математик

Карно родился в 1796 году, в разгар Великой французской революции. Сегодня сказали бы, что он родился в семье «с хорошим лифтом»: его отец, известный революционер, военачальник и математик Лазар Карно, был хорошо знаком с Наполеоном и за время его правления сумел сделать себе серьезное политическое имя. Он дал сыну тройное имя, свидетельствующее о благородном происхождении, причем имя Сади, под которым тот вошел в историю, было дано ему в честь персидского поэта-суфия Саади Ширази.
Однако «лифт» будущему ученому не понадобился. Получив отличное домашнее образование, с детства воспитанный отцом в любви к наукам и с блеском окончивший лицей Карла Великого, один из самых престижных лицеев Парижа, он, сдав экзамены с отличными оценками, поступил в парижскую Политехническую школу — лучшее в то время учебное заведение Франции. Его учителями были Ампер, Гей-Люссак, Пуассон и другие не менее именитые ученые. Через два года он окончил Школу шестым по успеваемости, был направлен в Инженерную школу в городе Мец, где два изучал военное строительство, а еще через два года, завершив таким образом свое образование, поступил в инженерный полк в чине лейтенанта.

В 1824 году вышла первая и единственная работа Сади Карно — «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance).
Эта работа считается основополагающей в термодинамике. В ней был произведён анализ существовавших в то время паровых машин, и были выведены условия, при которых КПД достигает максимального значения (в паровых машинах того времени КПД не превышал 2 %). Помимо этого там же были введены основные понятия термодинамики: идеальная тепловая машина (см. тепловая машина), идеальный цикл (см. цикл Карно), обратимость и необратимость термодинамических процессов. По сути, Карно сформулировал первое (закон сохранения энергии) и второе начала термодинамики (в формулировке «Наибольший КПД теплового двигателя не зависит от рабочего тела и определяется только температурой, в пределах которой двигатель работает», в которой вместо энтропии фигурирует тепло).

Титульная страница статьи «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» Сади Карно. Оригинальное издание 1824 года
Google Books

Впоследствии «Размышления» Карно назвали одним из удивительнейших примеров гениального научного прозрения, который еще долго оставался непонятым и недооцененым. Несмотря на благосклонный отзыв Академии наук, этот труд некоторыми был принят в штыки, а большинство попросту его не заметило.

Цикл Карно в координатах давления и объема. Фаза 1-2 - изотермическое расширение, фаза 2-3 - адиабатическое расширение, фаза 3-4 - изотермическое сжатие, фаза 4-1 - адиабатическое сжатие.

Что же именно совершил в науке Сади Карно?

Он писал: «Можно с достаточным основанием сравнить движущую силу тепла с силой падающей воды… Движущая сила падающей воды зависит от высоты падения и количества воды; движущая сила тепла также зависит от количества употребленного теплорода и зависит от того, что можно назвать, и мы на самом деле и будем называть высотой его падения, т. е. разностью температур тел, между которыми происходит обмен теплорода».

Для этого Карно придумал «идеальную тепловую машину», которая работала по циклу, позднее названному его именем. Он установил, что «повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы. Обратно, повсюду, где можно затратить эту силу, возможно образовать разность температур, возможно нарушить равновесие теплорода». То есть его машина была обратима.

Хотя эта аналогия неверна, она всё же поз­волила Карно получить правильный результат. Он поставил перед собой задачу исследовать, «ограничена или бесконечна движущая сила тепла, существует ли определенная граница, которую природа вещей мешает перешагнуть каким бы то ни было способом, или, напротив, возможны безграничные улучшения». Этот вопрос был в то время совершенно новым, и нужно было найти подход для его решения.

Кроме того, Карно установил фундаментальный факт: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счете, производится перенос теплорода». Пусть никакого теплорода нет, но вывод этот остается совершенно верным.

Что же именно совершил в науке Сади Карно?

Однако после смерти Карно его труд все-таки заинтересовал ученых. Первым, в 1834 году, работу Сади оценил его соотечественник физик Эмиль Клапейрон.
В начале 1840-х годов работа Карно с комментариями Клапейрона с подачи Джеймса Джоуля попала на глаза Уильяму Томсону. Ею также заинтересовался Рудольф Клаузиус.
В 1848 году Кельвин предложил свою знаменитую абсолютную шкалу температур, впоследствии получившую его имя. В заголовке статьи он прямо указал, что его шкала «основывается на теории Карно о движущей силе теплоты». Так идеи Карно в конце концов привели к созданию новой фундаментальной отрасли науки — термодинамики. Название этой науки принадлежит лорду Кельвину.

Спасибо за внимание