Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

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 Т 1, 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.

Но если это так, то почему не попытаться построить двигатель Карно, работающий по реальному циклу, пускай даже с некоторыми потерями? Ведь уже при 2000 °C КПД цикла Карно вдвое превышает КПД самых лучших современных тепловых двигателей.

Сади Карно прекрасно понимал, почему нет смысла гнаться за этими выгодами. «Нельзя надеяться, — писал он, — хотя бы когда-либо практически использовать всю движущую силу топлива. Попытки, сделанные для приближения к этому результату, будут скорее вредными, чем полезными, если они заставят забыть другие важные обстоятельства. Экономия топлива — это лишь одно из условий, которое должны выполнять тепловые машины; при многих обстоятельствах оно второстепенно, оно часто должно уступать первенство надежности, прочности, долговечности машины, малому занимаемому месту, дешевизне ее установки и т. д.».

Потому-то и не построен до сих пор двигатель Карно, что при сравнительно небольшой мощности он должен иметь огромные размеры, прочность и вес. Действительность властно вторгается в теоретические построения, и то, что кажется сверхвыгодным на бумаге, на практике уступает место иным, теоретически не столь выгодным решениям. Мы знаем, что чем выше нагрето рабочее тело, тем экономичнее тепловой двигатель. Современные виды топлива при сгорании дают температуру около 2000 °C. Ни один из ныне существующих конструкционных материалов не в состоянии длительно выдерживать такую температуру. Поэтому приходится искусственно понижать температуру рабочего тела, подавая в камеры сгорания больше воздуха, чем требуется для горения топлива. А это — прямое снижение КПД. Нередко конструктивные особенности машины, позволяющие работать при более высокой температуре рабочего тела, оказываются важнее теоретических преимуществ цикла. Так, КПД современных газовых турбин меньше, чем у дизелей, хотя теоретически такие турбины должны быть выгоднее дизелей. Это объясняется тем, что в дизеле периодичность работы облегчает охлаждение поршней, в результате температура рабочего тела может достигать 1500–1800 °C, в то время как лопатки газовых турбин, находящиеся под непрерывным воздействием потока раскаленных газов, ограничивают температуру рабочего тела 900—1000 °C. Действительность накладывает и другие ограничения. Например, при одинаковых степенях сжатия цикл Отто, по которому работают бензиновые моторы, экономичнее, чем цикл Дизеля. Но в цилиндрах бензиновых моторов сжимается горючая смесь, которая при высоких степенях сжатия самовоспламеняется. В цилиндрах же дизеля сжимается чистый воздух, в который потом впрыскивается топливо. Здесь нет опасности самовоспламенения, допустимы более высокие степени сжатия. В результате дизель оказывается едва ли не самым экономичным тепловым двигателем в современной технике.