Карно Сади

* * *

КАРНО́ (Carnot) Сади (полное имя Сади Никола Леонар) (1 июня 1796, Париж — 24 августа 1832, там же), французский физик и инженер, один из основоположников термодинамики.

Старший сын Лазара Карно, крупного ученого, политического деятеля и военачальника, избранного после революции 1796 в Парижскую академию наук, депутата Законодательного собрания, на момент рождения сына — члена Директории. В духе традиций того времени получил пышное имя Сади Никола Леонар. Лазар уделял воспитанию сыновей большое внимание, и его домашние занятия многое дали для их умственного, духовного и физического развития. Когда Сади стал посещать лицей Карла Великого, то учиться там ему было легко. Особенно охотно и успешно он изучал математику и физику.

После блестящего окончания лицея по совету отца было решено продолжать обучение Сади в Политехнической школе, лучшем тогдашнем учебном заведении Франции, в котором в разные годы учились многие прославленные люди науки.

Шестнадцатилетний Сади успешно сдал вступительные экзамены и приступил к учебе. В 1816, окончив шестым по успеваемости Политехническую школу, он тут же был направлен в г. Мец для продолжения образования. За два года пребывания в Меце Сади написал несколько статей, ныне утерянных, но, как пишут его биографы, получивших высокую оценку.

После Меца начался самый безрадостный период в жизни Сади. Лейтенанта Карно послали в инженерный полк, и он должен был обследовать гарнизоны, составлять планы, сметы и отчеты. Застой и скука гарнизонной службы приводили 23-летнего лейтенанта в отчаяние, и, как только представилась возможность, он, выдержав конкурсные экзамены, был зачислен в Главный штаб корпуса, переехал в Париж и поселился в доме отца. Это событие произошло в 1819 г. и было сопряжено со значительными сложностями из-за антироялистской позиции Лазара Карно.

Живя и работая в Париже, Сади получил возможность следить за появлявшимися в печати наиболее важными научными работами, посещать интересовавшие его лекции, библиотеки и музеи.

Именно это время — период его наиболее активного научного творчества. 12 июня 1824 выходит из печати первая и единственная работа двадцативосьмилетнего офицера Сади Карно — обессмертившие его имя «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Он много трудился, продолжая эти исследования, несмотря на захватывавшие его события революции 1830 г., но завершить этот труд ему было не суждено.

В 1832 тридцатишестилетний Сади Карно стал жертвой холеры. По существовавшим тогда правилам, все его имущество, в том числе, и все бумаги были сожжены. Единственная случайно уцелевшая записная книжка позволяет понять, сколь велика эта потеря. В этой книжке — одно из самых важных положений термодинамики («первое начало»), т. е. закон сохранения энергии.

Труд Карно был, по существу, первым серьезным теоретическим исследованием принципов работы тепловых машин. Хотя он пользовался уже в его время отвергавшимся многими физиками представлением о теплороде, приток которого вызывает нагревание, а отток — охлаждение вещества, ему удалось открыть целый ряд положений, играющих определяющую роль в работе этих машин:

- в любой тепловой машине должен быть нагреватель и холодильник, должны осуществляться повторяющиеся циклы: за расширением рабочего вещества в машине, сопровождающимся произведением работы, должно следовать сжатие; (Один из важнейших примеров — цикл Карно (теперь его чаще приводят в формулировке Клапейрона: изотермическое (при постоянной температуре нагревателя), затем адиабатическое (без теплообмена) расширение, потом вновь изотермическое (при температуре холодильника) и, наконец, адиабатическое сжатие, в результате чего система возвращается в исходное состояние) полезная работа, производимая за один цикл, тем больше, чем больше разность температур нагревателя и холодильника;

- эта работа тем больше, чем медленнее происходит расширение и сжатие, чем ближе процесс к квазиравновесному, когда система в каждый момент бесконечно близка к равновесной. Действительно, если поршень, под которым находится газ, поднимается быстро, то давление непосредственно под ним оказывается пониженным по сравнению с равновесным, а чем меньше это давление, тем меньше та работа, которая может быть произведена.

Попытки Карно напрямую связать коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины (это — тоже его термин) с температурой нагревателя и холодильника не увенчалась успехом только потому, что в то время еще не была известна абсолютная шкала температур.

Но он понял очень многое. Так, он дал глубокий анализ того, водяной пар или воздух выгоднее использовать в качестве рабочего вещества в тепловой машине, доказал, что максимальный теоретически возможный КПД не зависит от конструкции тепловой машины, а определяется только температурой нагревателя и холодильника, и установил много других важнейших положений.

Вряд ли нужно говорить, как важно было появление теории Карно в то время, когда паровые (да и все другие) тепловые машины заняли колоссальное место во всей мировой промышленности.

Однако, «Размышления...» Карно — один из удивительнейших примеров гениального научного прозрения, еще долго остававшегося не понятым и не оцененным. Пожалуй, всеобщее признание труды Карно получили лишь после того, как Уильям Томсон (лорд Кельвин), углубленно изучив их, в 1849 опубликовал в «Трудах Лондонского Королевского общества» пространный «Доклад о теории Карно — о движущей силе теплоты с численными результатами, полученными из опытов Реньо над парами». Несомненно, эта деятельность Томсона явилась одним из источников тех умозаключений, которые привели его к важнейшему выводу об абсолютной шкале температур.

Автор: В.И. Григорьев