Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Все это не умаляет заслуг Карно. Он первый понял, как надо исследовать тепловые машины: он правильно указал пути развития тепловых двигателей; он указал на несостоятельность ряда направлений. Пусть попытки осуществить его двигатель на практике не удались. Но в результате таких попыток появился двигатель Дизеля. Одного этого было бы достаточно, чтобы считать весомым вклад Карно в термодинамику. Но Карно сделал не только это…

На первых порах тепловые двигатели дали термодинамике гораздо больше, чем она им. Паровые машины появились и распространились по всему свету задолго до того, как появилась наука, объясняющая их работу. Вот почему, даже и в более поздние времена, среди создателей тепловых двигателей практически нет ученых. Это главным образом изобретатели и инженеры: горный мастер Ползунов, университетский механик Уатт, кораблестроитель Эриксон, священник Стирлинг, инженеры и предприниматели Отто и Дизель.

Холодильная техника родилась иначе. Термодинамика здесь взяла реванш, а ученые вернули долг инженерам. Среди людей, прокладывающих путь к низким температурам, мы видим немало профессоров: лорд Кельвин, профессора Линде, Пикте, Дьюар, Вроблевский, Каммерлинг-Оннес, Капица…

Однако и здесь, как и в теории теплового двигателя, Сади Карно ухитрился опередить всех. Мимоходом, как бы между прочим, он в своем трактате упомянул о том; что идеальный двигатель можно использовать для создания разности температур. Он даже не счел интересным более подробно разобрать этот вопрос. Впрочем, едва ли тогда кто-нибудь, даже он, мог догадываться, что именно создание разностей температур и есть единственная и главная задача тепловых машин в обратимом мире, где энергию топлива в механическую работу можно преобразовать не с помощью теплового двигателя, а с помощью искусственной мышцы. Топливный элемент дает возможность преобразовать энергию топлива в работу электрических сил. Но в таком мире в принципе невозможно обойтись без тепловых машин, если надо нагреть или охладить какое-либо тело.

В реальном мире вопрос с нагревом решается просто: повышенную температуру можно поддерживать за счет теплообмена с раскаленными газами, получающимися при сжигании топлива. А вот поддерживать температуру тела ниже температуры окружающей среды — это гораздо сложнее, здесь без холодильной машины не обойтись. Нам могут возразить: при растворении солей в воде, например селитры — нитрата калия, температура раствора заметно понижается. Разве за счет этого процесса нельзя охлаждать тело ниже температуры окружающей среды без всяких машин?

Как ни парадоксально, такое растворение лишь подтверждает нашу правоту: оно есть часть цикла своеобразной холодильной машины. Действительно, чтобы такая установка работала непрерывно, соль из раствора надо выпаривать, конденсировать и охлаждать воду и, снова смешивая их, получать пониженную температуру. Вся эта последовательность процессов образует своеобразный холодильный цикл, далекий, кстати, от идеального. Но главный принцип получения низких температур остается одним и тем же для любых циклов: когда теплоизолированное рабочее тело совершает работу, температура его понижается. Охлаждается сжатый газ при расширении в теплоизолированном цилиндре, охлаждается раствор при растворении селитры, охлаждается парамагнитная соль при размагничивании. Но чтобы охлаждение происходило непрерывно, мы должны получать все новые и новые порции сжатого газа, воды и селитры, намагниченной парамагнитной соли.

Наиболее мощные холодильные машины, как и тепловые двигатели, получаются тогда, когда рабочим телом служит газ или пар. Какие операции нужно проделать с газом, чтобы получить пониженную температуру? Сначала нужно повысить его температуру, сжав в теплоизолированном сосуде. Потом отвести тепло, охладив до температуры окружающей среды. Если теперь этот сжатый охлажденный газ заставить расширяться в цилиндре, совершая работу, температура его понизится. Отнимая тепло от охлаждаемого тела, газ нагреется до первоначальной температуры. И он снова готов к повторению цикла.

Так же как и для тепловых двигателей, возможны разные комбинации процессов, дающие разные холодильные циклы. В принципе любому тепловому двигателю — дизелю, паровой машине, газовой турбине соответствует свой «антипод» — холодильная машина, работающая по такому же циклу, но в противоположном направлении. Если тепловой двигатель приводит в движение электрогенератор, то холодильную машину надо приводить в движение электромотором. Если важнейшая характеристика двигателя — мощность, то для холодильной машины важна «холодопроизводительность» — количество теплоты, которое она может отвести за час. Если в топках и камерах сгорания развиваются возможно более высокие температуры, то важнейшим параметром холодильной машины оказывается «мороз», который она создает в холодильной камере. И если энергетики в погоне за экономичностью осваивают все более высокие температуры и мощности, то холодильщики разрабатывают машины, которые в промышленном масштабе позволяли бы получать все более низкие температуры.