К началу XIX в. механика и учение о теплоте оставались резко разграниченными областями физики. Между тем, практика постепенно нарушила эту границу, остававшуюся непреодолимой для теории: уже несколько десятилетий в промышленности использовали тепловые машины. XIX в. начинался как «век пара», и каждый паровой двигатель демонстрировал фактическую взаимосвязь двух типов явлений, казавшихся несовместимыми. Прошло немало времени, пока появился гений, осознавший теоретическое значение этого факта. В 1824 г. французский военный инженер Николя Леонар Сади Карно опубликовал свой знаменитый труд «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» («Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur Ies machines propres à développer cette puissance»).
C постановки вопроса, давшего название эпохальному мемуару, и начинается история термодинамики{343}.
При анализе действия парового двигателя французский ученый открыл знаменитый цикл Карно, который одни современники называли великим, а большинству других он казался таинственным. Основную задачу, которую решал Карно, можно сформулировать следующим образом: универсален ли процесс получения движущей силы из теплоты?
Рассуждения французского инженера были таковы: получение движения в машинах неизбежно сопровождается «восстановлением равновесия теплорода», иначе говоря, выравниванием температур. Поэтому только там, «где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы»{344}. Согласно Карно, рабочее вещество двигателя в цикле возвращается в первоначальное состояние, а количество теплоты (в соответствии с вещественной теорией тепла) остается неизменным. Поэтому падение теплорода оказывается единственной причиной, производящей работу.
Карно ввел новые понятия — изотермический процесс, адиабатический процесс, обратимый процесс, круговой процесс, а также создал первый термодинамический метод — рассмотрение обратимого кругового процесса. Французский ученый предложил использовать универсальную функцию температуры («функция Карно»), от которой впоследствии произошло понятие абсолютной температуры.
Николя Леонар Сади Карно (1796–1832)
Цикл Карно с отчетливостью продемонстрировал, что механическая работа может быть осуществлена лишь при наличии разницы в температурах нагревателя TН и холодильника TХ паровой машины. Чем больше разность температур, тем выше коэффициент полезного действия η такого двигателя:
η = (QН - QХ )/QХ = (TН - TХ )/TХ (3.20)
Помимо всего этого Карно установил принцип, носящий его имя и составляющий содержание второго начала термодинамики: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития, ее количество определяется исключительно температурами тел, между которыми в конечном счете производится перенос теплорода»{345}.
В 1828 г. С. Карно оставил военную службу и всецело посвятил себя научным исследованиям. Вполне вероятно, что молодой ученый смог бы самостоятельно разработать фундаментальные основы термодинамики, если бы не его внезапная смерть в самом расцвете творческой карьеры. В 1832 г. С. Карно в возрасте 36 лет скончался во время эпидемии холеры. По санитарным нормам того времени все имущество ученого, в том числе и незаконченные рукописи, было сожжено. Уцелело лишь то, что было напечатано при жизни.
Книга Карно буквально наполнила науку новым содержанием. Несмотря на смелость суждений, которые у большинства современников не нашли должного понимания, термодинамический метод французского инженера смог завоевать немало талантливых последователей. Один из них, соотечественник Карно Б.П. Э. Клапейрон, придал термодинамике Карно канонический вид. Он изложил все рассуждения своего предшественника в математической форме и применил геометрический подход, представив цикл Карно на диаграмме в координатах «объем — давление».
Цикл Карно в координатах «объем — давление»
После публикации статей Клапейрона, посвященных анализу идей С. Карно, на английском языке в сборнике «Scientific Memoirs» (1837 г.) метод получил дальнейшее развитие в работах английских ученых. В первую очередь, необходимо отметить исследования У. Томсона, лорда Кельвина, а также его брата Дж. Томсона. Важнейшим итогом этих работ явилось создание абсолютной шкалы температур (см. т. 2, глава 3, п. 3.2.3).