Результаты дальнейших научных исследований

Очень грустную историю, главным действующим лицом которой был Сади Карно, рассказал его соотечественник, крупный французский физик Л. Бриллюэн. Многие известные ученые, сообщает он, высказывают свое неудовольствие тем, что Карно установил второе начало термодинамики до того, как было установлено первое. Заблуждение этих ученых вполне объяснимо: они не были знакомы со второй публикацией Карно, появившейся более чем через 100 лет после первой, в 1927 г.

Как уже отмечалось в биографии ученого, после смерти все его личные вещи, включая и бумаги, были уничтожены в соответствии с положением того времени. Случайно избежала этой участи записная книжка, которая после смерти ее владельца была передана брату ученого, который хранил ее как дорогую реликвию в своей библиотеке. Но слава, которой ученый был лишен при жизни, росла по мере развития и становления термодинамики. Все, что касалось научного исследования С. Карно, вызывало живейший интерес у ученых, работавших в созданной им области. И вот через 46 лет после смерти ученого его брат вспомнил о записной книжке и в 1878 г. передал ее Французской Академии наук. В этом же году основная работа Карно была переиздана с добавлением биографических сведений об ученом, сообщенных его братом, и отдельных выдержек из записной книжки ученого. Только в 1927 г., когда с большим опозданием отмечалось столетие со дня выхода "Размышлений..." из печати, было издано наиболее полное научное наследие ученого. Новое издание включало в себя "Размышления...", биографические сведения об ученом и полное изложение содержания записной книжки с приложением фотокопии оригинала.

Однако и эта публикация не произвела должного впечатления в ученом мире. Да и что значили научные сведения столетней давности! Если бы эта книга была выпущена своевременно, то высказывавшие недовольство физики, о которых шла речь выше, были бы полностью удовлетворены: в записных книжках Карно содержалась формулировка и первого начала термодинамики. В записях, четких и недвусмысленных, изложены его воззрения на природу теплоты и ни слова не сказано о теплороде. В противовес прежним воззрениям здесь утверждается, причем не голословно, что теплота представляет собой не что иное, как движение молекул; работа, полученная с использованием тепловой машины, эквивалентна затраченному количеству теплоты; приведено значение механического эквивалента теплоты. Рассмотрим кратко содержание этой запоздалой публикации.

Записи своих мыслей и наблюдений Карно вел, по-видимому, сразу же после издания "Размышлений..." и до последних дней. Их содержание относится только к одной области знаний - к термодинамике, т. е. касается взаимоотношений и взаимопревращений теплоты и работы. Французский комментатор Раво, разбирая эти записи, установил некоторую систему в них, рассортировав все записанное по девяти разделам.

Первый раздел включает заметки Карно по вопросу природы теплоты. Здесь дано описание опытов Румфорда и Дэви и ряд других менее известных фактов. Любопытно, что уже в это время Карно описывал опыты по расширению газов в атмосферу, что, по мнению ученого, должно приводить к понижению температуры газа. Эти опыты были позже осуществлены английским ученым Дж. Джоулем и его соотечественником У. Томсоном, причем результаты их совпали с теми, которые предсказывал Карно. Описание этих опытов Карно заканчивает утверждением: "Таким образом, теплота создана движением. Если она вещество, то надо допустить, что вещество создано движением. А так как с этим согласиться невозможно, то представление о теплоте как об особом веществе нужно отбросить. Если гипотеза недостаточна для объяснения явления, она должна быть оставлена. В таком положении находится гипотеза, по которой теплород рассматривается как вещество, как неуловимая жидкость".

В заключение этого раздела Карно приводит собственные предположения о природе теплоты. Исходя из работ по лучистой теплоте, он приходит к выводу, что теплота является результатом колебательного движения молекул. "Тепло может представлять собой колебательное движение молекул. Если это так, - развивает свою мысль автор, - то количество тепла - это не что иное, как та механическая энергия, которая необходима, чтобы привести молекулы в колебательное движение. Тепло является движением..."

Во втором разделе Карно формулирует ряд вопросов, которые могут быть объяснены с позиции новой теории. Здесь и вопрос о переходе вещества" из одного агрегатного состояния в другое, и вопрос о причине выделения теплоты при сжатии газов, и др. Третий раздел включает в себя рассуждения автора о взаимопревращении теплоты и работы. Результаты, к которым пришел Карно в эти годы, были установлены только спустя 15 лет после его смерти. Он отчетливо представлял закон сохранения и превращения энергии, что чувствуется по тому, как он формулирует свои мысли: "Всюду, где имеется разрушение движущей силы в частицах тела, - пишет Карно, - имеется в то же время производство теплоты в количестве, точно пропорциональном количеству уничтоженной движущей силы; взаимно, повсюду, где имеется уничтожение теплоты, имеется производство движущей силы... Можно взять как общий тезис, что, по правде говоря, она никогда не производится и не разрушается. В действительности она изменяет форму, то есть производит то один вид движения, то другой, но никогда не уничтожается". Приведенная цитата вряд ли требует пояснений. Все, кто изучает физику, без труда догадаются, что в этом отрывке вполне корректно и четко дана формулировка одного из основных положений физики, известного под названием закона сохранения и превращения энергии, или, в приложении к термодинамике, ее первого начала.

В этих же заметках Карно приводит значение механического эквивалента теплоты. По его расчетам, это значение в современных единицах равно 370 ^кГм/_ккал, что в общем-то незначительно отличается от числа, принятого в настоящее время (427 ^кГм/_ккал≈4189 ^Дж/_ккал). Как удалось ученому определить ее, остается загадкой. В заметках нет никаких указаний по этому поводу. Возможно, эти расчеты основывались на данных об отношении удельных теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме. Бриллюэн утверждает, что расчеты Карно по установлению числового значения механического эквивалента теплоты основаны на опытах по диффузии газов. Но так или иначе Карно первым из ученых в своих заметках сформулировал один из фундаментальных законов природы - закон сохранения и превращения энергии, который в термодинамике получил название ее первого начала. Он был известен ученому за 15 лет до того, как появились работы Майера, Джоуля и других исследователей.

В остальных шести разделах Карно намечает опыты, которые он планирует осуществить для подтверждения механической теории теплоты и определения механического эквивалента теплоты. Ряд опытов, намечаемых им, представляет собой повторение опытов Румфорда, но при осуществлении их Карно предполагал измерить не только полученную теплоту, но и совершаемую при этом работу. Эти результаты дали бы возможность экспериментально установить значение механического эквивалента теплоты. Некоторые из описанных опытов совпадают с проделанными Джоулем: опыты по взбалтыванию воды в сосуде с одновременным измерением полученной теплоты и затраченной механической энергии. Поразительные способности С. Карно являются предметом восхищения современников и потомков. Завидная удача выпала на его долю. Он не только основал новую отрасль знаний, не только заложил фундамент, но и почти полностью построил здание термодинамики, предоставив другим ученым только его отделку.