Если вы хотите найти в истории физики яркий пример взаимного влияния развития науки и техники, то прочтите этот рассказ о молодом французском инженере Сади Карно и его работе "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Его жизнь и биография очень коротки.

Сади Карно родился 1 июня 1796 года в Париже. Он был сыном Лазаря Карно, математика и французского государственного деятеля, члена Конвента во время французской революции, потом Директории. В 1812 году Сади Карно поступил в Политехническую школу, созданную Конвентом. Эта школа ставила своей задачей подготовку гражданских и военных инженеров, в которых так нуждалась молодая республика. Школа помещалась в бывшем королевском дворце Бурбонов с его сорока залами и большим амфитеатром, была прекрасно обставлена, имела физический кабинет, химическую лабораторию, минералогическую коллекцию и библиотеку. Ее первыми профессорами были лучшие математики и инженеры: Лагранж, Ашет, Прони; Бертолле читал органическую химию. Из Политехнической школы вышла целая плеяда знаменитых математиков, физиков и инженеров. Имена некоторых из них, вероятно, известны вам: Ампер, Араго, Гей-Люссак, Пуассон.

В Политехнической школе с особой тщательностью было поставлено преподавание теоретических дисциплин, в частности математики. Генералы-фронтовики даже "жаловались" на "чрезмерную ученость" выпускаемых из школы военных инженеров. Впоследствии Наполеон делал попытку преобразовать и упростить программу, но он натолкнулся на сопротивление крупнейших профессоров с мировым именем и отказался от своего намерения.

В конце 1814 года Сади Карно окончил Политехническую школу и, получив назначение в инженерные войска, участвовал в защите Парижа. В 1819 году в чине поручика он перешел иа службу в Генеральный штаб.

Взгляните на его портрет! Молодой офицер, страстный любитель музыки и вообще искусства, неутомимый спортсмен, фехтовальщик, Сади Карно находил время для занятия науками, историей и политической экономией. С особым увлечением работал он над теорией теплоты. Карно написал единственное, но обессмертившее его имя произведение, которое издал на свои средства в 1824 году под названием "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу".

"Размышления" - небольшая книжка, в русском издании 1923 года около 60 страниц, но эта работа Карно вошла в сокровищницу мировой науки и поставила ее автора в ряды основоположников термодинамики.

Стимулом для развития термодинамики как науки явились потребности машинной промышленности. Изобретение паровой машины поставило черед наукой задачу - теоретически исследовать работу паровых машин для повышения КПД последних. Основу термодинамики составляют два закона, или начала. Первое начало термодинамики есть закон сохранения и превращения энергии. В термодинамике этот закон имеет следующий вид:

Это равенство следует читать так: приращение ΔU внутренней энергии тела равно сумме количества теплоты Q, переданного телу из окружающей среды, и работы A, совершенной над телом внешними силами. Если теплота передается телом в окружающую среду и работа совершается не над телом, а самим телом, то в этом случае Q и А в написанную выше формулу будут входить со знаком "минус" и ΔU будет представлять собой, очевидно не приращение, а убыль внутренней энергии тела. Заметим, что при расширении газ производит работу, связанную с перемещением поршня; обратный процесс, когда работа производится над газом, связан с сжатием газа.

Первое начало термодинамики отрицает возможность создания вечного двигателя (Perpetuum mobile 1-го рода).

Во втором начале термодинамики говорится о направлении, В каком происходят превращения энергии. Согласно второму началу, во-первых, превращение теплоты в работу возможно только при наличии нагревателя и холодильника; во-вторых, в тепловых машинах полезно используется только часть энергии, передаваемой от нагревателя к холодильнику. Математически это выражается формулой для коэффициента полезного действия идеальной тепловой машины:

где T₁ - температура нагревателя, T₂ - температура холодильника, η - коэффициент полезного действия.

Второе начало термодинамики отрицает возможность использования запасов внутренней энергии какого-нибудь источника (например, практически неограниченных запасов внутренней энергии океанов) без перевода части ее на более низкий температурный уровень, т. е. без холодильника (Perpetunm mobile 2-го рода).

Значение первого и второго начал термодинамики для развития техники колоссально. Они предупреждают инженеров и техников от нереальных, фантастических вымыслов, с одной стороны, и указывают им реальный путь усовершенствования машины - с другой.

Тепловые двигатели появились в начале XVIII столетия, в период бурного развития текстильной и металлургической промышленности. Паровая водоподъемная установка была построена англичанами Ньюкоменом и Коули в 1712 году, в России паровой двигатель был предложен Ползуновым в 1765 году, а в 1784 году в Англии Уатт получил патент на универсальный паровой двигатель, внедрение которого имело огромное влияние на развитие промышленности и транспорта.

Паровые машины имели очень низкий коэффициент полезного действия. Карно писал в "Размышлениях", что наилучшие машины имели КПД 5%. Это навело его на мысль исследовать причины столь явного несовершенства тепловых машин и найти пути их усовершенствования.

"Если когда-нибудь, - писал он в начале своей работы, - улучшения тепловой машины пойдут настолько далеко, что сделают дешевой ее установку и использование, то она соединит в себе все желательные качества и будет играть в промышленности такую роль, всю величину которой трудно предвидеть".

В своем исследовании Карно исходил из господствовавшей в то время ошибочной теории, основанной на допущении существования специального "носителя теплоты" - теплорода. Карно рассматривал работу тепловой машины как работу теплорода, производимую при его движении от тола с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Согласно той же теории количество переходящего теплорода не уменьшается. Он писал: "Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, но его переходу от горячего тела к холодному". И далее: "Недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод; без него теплота стала бы бесполезной. В самом деле, если бы вокруг нас были тела только такие же горячие, как и топка, каким же образом можно было сконденсировать пар? Куда бы его деть, раз он получен? Не следует думать, что его можно, как это практикуется в некоторых машинах, выбросить в атмосферу: атмосфера не приняла бы его. Она принимает его в обычных условиях, потому что выполняет роль большого холодильника, потому что она находится при более низкой температуре. Повсюду, где существует разность температур, повсюду, где возможно восстановление равновесия теплорода, возможно получение движущей силы". "Движущая сила падающей воды зависит от высоты падения и количества воды; движущая сила тепла также зависит от количества употребленного теплорода и зависит от того, что можно назвать и что мы на самом дело будем называть высотой его падения, т. е. от разности температур тел, между которыми происходит обмен теплорода. При падении теплорода движущая сила, без сомнения, возрастает с разностью температур между горячим и холодным телом".

Так, несмотря на ложность исходного положения о неуничтожимости теплорода, Карно приходит к правильным выводам о том, в каком направлении происходит процесс в тепловой машине и каково условие его наиболее выгодного использования.