Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Теплоизолированный цилиндр с поршнем, наполненный идеальным газом (Л), оказался чрезвычайно интересным и поучительным устройством. Когда Силач стал силой вытаскивать поршень из теплоизолированного цилиндра (Б), он с удивлением обнаружил, что при таком — адиабатическом — расширении уменьшается не только давление, но и температура Тут на помощь Силачу поспешил Огнепоклонник: он удалил теплоизоляцию и стал подогревать газ в цилиндре так, чтобы при его расширении температура оставалась постоянной (В). При таком — изотермическом — расширении Силач мог тянуть поршень уже с меньшей затратой работы. Тогда Огнепоклонник стал греть расширяющийся газ еще сильнее, так, чтобы оставалось постоянным его давление (Г). При этом — изобарном — процессе работа Силача стала еще меньше Наконец, поршень уперся в крышку цилиндра и объем газа стал постоянным В этом — изохорном — процессе вся теплота идет только на увеличение температуры и давления, а Силачу уже делать совсем нечего.

Таким образом, взглянув на процессы в цилиндре глазами Силача, мы увидим их изображенными в механических параметрах — давлении (Р) и удельном объеме (V) На рисунке внизу диаграмма P — V изображена черным цветом. А взглянув на те же самые процессы глазами Огнепоклонника, мы увидим их изображения в термических параметрах — температуре (Т) и энтропии (S). На рисунке внизу диаграмма T — S изображена красным цветом.

Изучая эти диаграммы, Силач и Огнепоклонник обнаружили их интересные особенности Площадь под линией, изображающей тот или иной процесс в диаграмме P — V, равна механической работе, совершаемой в этом процессе А площадь под линией в диаграмме Т — S И30’ бражает теплоту, подведенную или отведенную в процессе Действительно, в изохорном процессе механическая работа не совершается и площадь под изохорой в диаграмме Р — V равна нулю. А в диаграмме T — S равна нулю площадь под адиабатой — и это как раз тот случай, когда газ не обменивается теплотой с другими телами.

Но мало, оказывается, иметь только перепад температур. «…Теплота может быть причиной движения только тогда, когда она заставляет тела изменять объем или форму; эти изменения происходят не от постоянства температуры, но именно вследствие переменного действия тепла и холода…»

Какие же тела можно использовать для теплового двигателя? В принципе любые — «…все тела природы могут быть применены для этого; все тела способны к изменению объема, к сжатию и расширению при действии тепла и холода; все способны при изменении своего объема побеждать некоторые сопротивления и, таким образом, развивать движущую силу. Твердое тело, например, железный стержень, попеременно нагреваемый и охлаждаемый, увеличивается и уменьшается в длине и может двигать тела, прикрепленные к его концам. Жидкость, попеременно нагреваемая и охлаждаемая, увеличивается и уменьшается в объеме и может побеждать более или менее значительные препятствия, мешающие ее расширению. Газообразная жидкость способна к большим изменениям объема при изменении температуры: если она находится… в цилиндре с поршнем, то она производит значительные движения…»

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.