khimie.ru

КАРНО (1796-1832), французский физик, сын Лазара Карно (математика, крупного государственного и военного деятеля эпохи французской революции и времен Наполеона I). Шестнадцати лет Карно поступил в Политехническую школу, кончил ее через два года и получил назначение в инженерные войска. С большим рвением занимался он делами, далекими от военного: математикой, физикой, химией, биологией, политэкономией, музыкой. Видимо, поэтому в 1828 году Карно оставил военную службу. За всю свою жизнь (недолгую, правда) опубликовал лишь одно, но гениальное произведение: «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824). Это был, по существу, пролог новой важной науки — термодинамики (хотя Карно ошибочно рассматривал теплоту как некую невесомую жидкость — теплород). Можно только гадать, как много мог бы дать науке гений Карно, ибо ученый скончался в возрасте 36 лет во время эпидемии холеры.

И на Солнце, говорят, есть пятна…

Первые паровые машины были крайне несовершенны. Во время Карно их коэффициент полезного действия (кпд — та часть энергии, выделяющейся при сжигании топлива, которая реально могла пойти в дело, на совершение полезной работы,— составлял от 5 до 7 процентов. Это значило, что от 93 до 95 процентов энергии тратилось впустую.

Отчего так мал кпд тепловой машины? Можно ли его повысить? Где лежат пределы максимальной производительности железных помощников человека?

Все эти вопросы волновали военного инженера, сотрудника генерального штаба Франции Никола Леонарда Сади Карно. И он в своей книге дал на них точный и однозначный ответ.

Суть единственной работы Карно его потомки ухитрились ужать, уложить в одну-единcтвенную формулу. Вот она:

η_t = 1 – (T₂/T₁)

где η_t — максимальный коэффициент полезного действия (теоретический, идеальный, выше этой величины уже невозможно подняться) паровой, тепловой машины, а T₁ и T₂ — максимальная и минимальная температура в ней — температура самой горячей ее точки (пар, нагретый газ) и самой холодной, соответственно на входе в машину и на выходе из нее.

Карно, несомненно, был одним из первых физиков-теоретиков. Он ставил вопрос в самой общей форме: «О получении движения из тепла». При анализе работы паровой машины он не учитывал никаких специфических свойств рабочего тела (пара) и самой паровой машины. Поэтому и выводы его универсальны: их можно распространить на любой тип тепловой машины — дизельного двигателя, турбины…

Любой агрегат, где тепловая энергия превращается в механическую (к примеру, в движение поршня при расширении нагретых газов), должен подчиняться ограничениям Карно.

А теперь поиграем с цифрами. Взглянем на формулу Карно. В ней температуры T₁ и T₂ должны быть взяты в градусах Кельвина. (Напомним, что температура таяния льда — ноль градусов по Цельсию — есть плюс 273 градуса по Кельвину, а абсолютный ноль по Кельвину есть минус 273 градуса по Цельсию).

Итак, глядя на формулу, мы видим, что все тепло удалось бы превратить в работу, если бы можно было получать на выходе из машины продукты, охлажденные до абсолютного нуля, то есть иметь Т₂ = 0.

Но это невозможно. Минимум температуры задается окружающей нас средой: это, скажем, 20 градусов по Цельсию, или 293 по Кельвину. И получается непререкаемый вывод: принципиально нельзя построить тепловую машину, в которой все тепло превращалось бы в работу.

Что же остается? Формула Карно говорит: ради увеличения кпд следует по возможности поднимать значение Т₁. Ведь при неограниченном увеличении Т₁ кпд машин, очевидно, будет стремиться к 100 процентам! Но и тут нас ждет разочарование.

В современных паротурбинных блоках тепловых и атомных электростанций температура водяного пара не превышает 540 градусов Цельсия, или 813 градусов Кельвина. Так что идеальный кпд для этих установок есть (813—293)/813 = 0,64 (64 процента).

Но 64 процента — это оценка сверху! Реальные цифры оказываются значительно меньшими. Их можно получить уже не по циклу Карно, а из цикла Ранкина.

Для современных поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания реальный кпд в среднем не превышает 30 процентов, а для более совершенных устройств − паровых и газовых турбин — 40 процентов.

Куда теряется 60-70 процентов первоначально извлеченных (скрытых в топливе) запасов энергии? О, тут масса лазеек! Практически невозможно добиться полного сгорания топлива, достичь полного охлаждения горячих газов, а значит, избежать потерь тепла через трубу электростанции. Часть энергии уходит на трение и необратимый переход тепла. И так далее.

Следует подчеркнуть, что цифры эти вряд ли изменятся в будущем. За два века изобретатели и инженеры «выжали» из тепловых машин все — их кпд достиг предела.

Вот почему с таким энтузиазмом были, например, приняты работы по созданию МГД-генераторов. Ведь в них поток горячей плазмы нагрет до 2500-3000 градусов Цельсия. Температура Т₁ в формуле Карно резко возрастает. Но опять неувязка! Одновременно в этих устройствах растет и температура Т₂: плазма на выходе из магнитогидродинамического генератора все еще остается очень горячей (те же тысячи градусов). Поэтому МГД-генераторы могут эффективно работать лишь в сочетании с обычной паротурбинной установкой. И суммарный выигрыш в кпд оказывается не таким уж великим. Удается достичь лишь 50 процентов. (Со временем исследователи, работающие над усовершенствованием МГД-установок, надеются получить показатели повыше: до 60 процентов.)

Однако будем справедливы: и этот вроде бы небольшой привесок в 10 процентов (от 40 до 50) в масштабе, скажем, такой страны, как наша, даст колоссальный прирост энергии. Если бы все ГРЭС СССР удалось перевести на МГД-метод, была бы достигнута громадная экономия топлива.