Оценивая заслуги Уатта, Маркс писал: «Великий гений Уатта обнаруживается в том, что патент, взятый в апреле 1784 года, давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности».
Паровые машины не только способствовали превращению мануфактур в настоящие промышленные предприятия, но привели к изобретению пароходов и паровозов. Все это и составило основу промышленной революции. Человечество вступило в новую эру.
В техническом отношении революция ознаменовалась стремительным увеличением производства разнообразных станков, количества и мощности паровых машин. Однако, несмотря на то, что эти машины были существенно экономичнее машин Ньюкомена, они сжигали огромные количества топлива — дров и каменного угля. Катастрофическое исчезновение лесов беспокоило передовых людей начала XIX века не меньше, чем призрак экологической катастрофы тревожит наших современников.
Развлечения молодого инженера
Может быть, настойчивее других об этом думал Никола Леонар Сади Карно, молодой военный инженер, окончивший Политехническую школу в Париже и тяготившийся рутиной бесперспективной армейской службы. Он хорошо знал, что многочисленные попытки сделать паровую машину более экономичной приводили к мизерным результатам. Конечно, устранение утечек пара и уменьшение трения, достигаемые путем все более точного изготовления деталей машины, давало экономию, но она была совершенно недостаточной.
Казалось, над машиной тяготеет какое-то заклятие. Карно интуитивно чувствовал, в чем дело. После Уатта никто, по существу, не углубил понимания принципов работы паровой машины. К сведениям о свойствах пара и процесса испарения воды не прибавилось почти ничего, хотя после исследований Уатта прошло более полувека. Совершенствуя машину, инженеры исходили из чисто интуитивных соображений, действуя методом проб, не направляемых единой руководящей идеей. Никто не знал, возможно ли вообще радикальное улучшение машины, или ее экономичность достигла предела.
Размышления Карно постоянно возвращались к, казалось бы, очевидной особенности паровой машины; на которую совершенно не обращали внимания авторы, пишущие о ней, и инженеры, занятые ее усовершенствованием. Источником работы, получаемой паровой машиной, является топливо, сгорающее под ее котлом. Сгорание топлива и испарение воды в котле должны происходить непрерывно, пока работает машина. Результатом работы машины является непрерывное вращение ее маховика, от которого приводятся в движение различные станки и другие устройства. Это было совершенно очевидно. Но то, что находится между паровым котлом и маховиком — поршень внутри цилиндра кривошипно-кривошипно-шатунныймеханизм вне его — совершает сложное движение.
Нужно рассмотреть все это в совокупности, не пропуская ни одной мелочи!
Инженеры привыкли к этой сложной кинематике и не видели ничего особенного в том, что поршень совершает возвратно-поступательное движение, повторяя его раз за разом. Карно подумал: не в этом ли повторяющемся движении причина неэффективности паровой машины? Он снова и снова мысленно следит за работой машины: вот открывается золотник, и пар из котла устремляется в цилиндр и, поднимая поршень, совершает работу. Затем золотник переключается, и пар устремляется из цилиндра в конденсатор. Он бесполезно уносит с собой запас тепла, да и маховик затрачивает часть работы на опускание поршня и выталкивание пара. Впрочем, здесь пропущена одна подробность. Еще Уатт понял, что золотник должен работать несколько сложнее. Он заставил золотник прекращать подачу пара в цилиндр до того, как поршень прошел весь рабочий путь. Это называется отсечкой пара. Остаток пути поршень проходит и совершает работу под действием расширяющегося пара. Новые порции пара уже не поступают в цилиндр, но сжатый пар, попавший из котла в цилиндр в первой части цикла, расширяется, толкая поршень. При этом работа совершается за счет давления пара и запасенного в нем тепла и, одновременно, уменьшаются его давление и температура. Уатт увидел в этом способ повышения эффективности машины. Часть работы получается без расхода пара из котла, а в конденсатор выбрасывается более холодный пар.
Не здесь ли скрыта возможность улучшения машины? Как определить оптимальный режим ее работы, в какой момент золотник должен осуществлять отсечку пара? Ведь это определено чисто эмпирически! Каждый делает это по-своему.
Обдумывая все это, Карно учитывал, что при сжатии газы нагреваются, а при расширении охлаждаются.
Знал Карно и о скрытой теплоте, приводящей к тому, что температура воды при кипении не изменяется, хотя к ней и подводится тепло, в то время как для конденсации пара нужно отводить выделяющееся при этом тепло.
Сопоставив все, что ему было известно, Карно понял, что для решения загадки паровой машины следует сосредоточить внимание на ее цилиндре, в котором пар совершает работу, перемещая поршень. Нужно отвлечься на время от котла с топкой и конденсатора, от маховика и шатунно-кривошипного механизма, от золотника и тяг, от центробежного регулятора и от всех других деталей машины.
Достаточно мысленно рассмотреть цилиндр с поршнем, шаг за шагом представить себе, как поршень циклически поднимается силой пара, совершает работу и опускается под действием внешней силы, которая при этом работает против сжимаемого пара. Вместо источника горячего пара — котла и приемника холодного пара — конденсатора следует вообразить некоторые условные нагреватель и холодильник…
Подвиг мысли
Карно не вычислял. Он рассуждал. Он спросил себя, можно ли создать идеальную циклическую машину, которая будет работать эффективнее реальных, забирая при этом от нагревателя и передавая конденсатору столько же тепла, но совершая больше работы? Если да, если более эффективная тепловая машина может существовать, хотя бы в принципе, как некая идеальная машина, то можно мысленно соединить ее с реальной машиной, и тогда произойдет чудо: идеальная машина, затратив только часть даваемой ею работы, равную работе, производимой реальной машиной, заставит реальную машину совершить свой цикл в обратном направлении, отбирая тепло от холодильника и возвращая его нагревателю.
Как только спаренные таким образом машины завершат вой циклы (идеальная в прямом направлении, а реальная — в обратном), поршни обеих машин, нагреватель и холодильник окажутся в исходном состоянии, а в распоряжении экспериментатора останется избыток работы, произведенной идеальной машиной. Ведь, по предположению, она способна получить из данного количества тепла больше работы, чем реальная, а совершив цикл, она через реальную машину вернет из холодильника в нагреватель полученное ею тепло, затратив на это только часть произведенной ею работы. Остальную часть, полученную без затраты тепла — даровую работу, можно было бы применить для других нужд!
Карно понял, что рассмотренная им комбинация из двух циклических машин, работающих от общего нагревателя и с общим холодильником, не может давать избытка работы, иначе эта комбинация была бы вечным двигателем, создающим работу «из ничего», без затраты тепла. Карно, как и Стевин, считал вечный двигатель невозможным и поэтому заключил, что любые машины, свободные от трения и потерь тепла, работающие от общего нагревателя с общим холодильником, должны быть равноценны по эффективности.
Заметим: если Стевин самостоятельно пришел к признанию невозможности вечного двигателя, то Карно уже мог опираться на мнение предшественников, в частности, на книгу «Опыт о машинах вообще». Автором этой книги был его отец, Лазар Карно, крупный ученый и популярный деятель французской революции. Лазар Карно уверенно пишет о том, что всякая машина остановится под действием трения, если она не связана с каким-либо двигателем.
Но это еще не все. Главный вывод Карно-младшего, полученный им из мысленного эксперимента со спаренными циклическими машинами, состоял в том, что циклическая машина превращает тепло в работу потому, что работа, выделяемая при расширении горячего пара больше, чем работа, затрачиваемая на его сжатие при более низкой температуре. Значит, циклическая машина становится неработоспособной, если температура холодильника и температура нагревателя одинаковы. Работа совершается только при переходе тепла от горячего тела к холодному.
