Раздел III. Элементы современной физики 169

Рассуждая подобным образом, Карно разделил цикл идеальной тепловой машины на четыре стадии.

1 стадия. Рабочее тело, обладающее температурой на­гревателя T_tt приводится в контакт с нагревателем и получа­ет у него количество теплоты (?/, которое целиком расходу­ется на работу по расширению рабочего тела. Для того чтобы машина совершала работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня. Такая разность давлений достигается за счет высокой температуры рабочего тела с одной стороны поршня и низкой температуры среды с другой стороны пор­шня. Совершая работу, рабочее тело расширяется, что при­водит к его охлаждению. Однако благодаря теплообмену с нагревателем оно получает количество теплоты, необходи­мое для восстановления своей температуры до прежнего зна­чения. Обратимый процесс предполагает настолько медлен­ное расширение газа, что изменения системы представляют собой последовательность равновесных состояний с одной и той же температурой. В итоге никакая часть от полученной теплоты не расходуется на увеличение внутренней энергии рабочего тела, не теряется зря вследствие равенства темпера­тур рабочего тела и нагревателя в начале цикла. Можно ска­зать, что первая стадия цикла протекает при постоянной тем­пературе 7/, изотермически.

2 стадия. Рабочее тело изолируется от источника, теп­ло не поступает и не уходит из системы. То есть количество теплоты не поглощается и не тратится. Говорят, что про­цесс на второй стадии протекает адиабатически, то есть без теплообмена. При этом рабочее тело продолжает расширять­ся, и работа по его расширению происходит за счет резер­вов внутренней энергии рабочего тела. Внутренняя энер­гия рабочего тела при его расширении уменьшается, и ра­бочее тело охлаждается. Такое адиабатическое расширение рабочего тела продолжается до тех пор, пока температура его не станет равной температуре холодильника.

^{:> :} 3 стадия. И вот тут-то рабочее тело с температурой Ту Йёдается в холодильник с такой же температурой 7^. Опять

170 Концепции современного естествознания

достигается экономия: теплота не растрачивается зря. Те­перь вследствие разности давлений по обе стороны поршня рабочее тело сжимается, что приводит к увеличению его температуры. За счет теплообмена с холодильником рабо­чее тело отдает некоторое количество теплоты холодильни­ку, вследствие чего благодаря равновесности процесса его температура все время выравнивается и остается практичес­ки равной Т₂. Таким образом, третья стадия также проте­кает изотермически. Процесс сжатия рабочего тела необхо­дим для обеспечения цикличности работы машины, ибо при этом уменьшается объем рабочего тела. Вспомним, что в нагреватель на 1 стадии рабочее тело поступало с меньшим объемом и только потом расширялось, совершая работу.

4 стадия. И, наконец, на четвертой стадии рабочее тело адиабатически сжимается до первоначального объема. При этом внутренняя энергия его увеличивается. Процесс этот продолжается до тех пор, пока температура рабочего тела не становится равной температуре нагревателя 7/.

Итак, цикл оказывается обратимым. Две изотермичес­кие стадии (первая и третья) при постоянных температурах (соответственно, Т] — на первой стадии и Т₂ — на третьей стадии) связаны между собой двумя адиабатическими ста­диями.

И хотя Сади Карно не определил величину КПД иде­альной обратимой машины, и сама его книга "О движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу" содер­жит в себе всего 45 страниц, основные принципы, выдви­нутые автором в этом труде, оказались фундаментальным вкладом в генезис и развитие термодинамики. Карно при­шел к совершенно верному выводу о том, что КПД идеаль­ной машины зависит только от температур нагревателя и холодильника, а КПД любой другой машины всегда мень­ше КПД идеальной тепловой машины.

Уже после смерти Сади Карно, в 1850 году, Клаузиус дал новое строго математическое описание цикла Карно с точки зрения сохранения энергии. Согласно I началу тер-