(Продолжение статьи об истории современных представлений о теплоте)

Между тем, развитие учения о взаимных превращениях теплоты и механической энергии продолжалось. В 1847 году немецкий ученый Герман Гельмгольц (1821-1894, также как и Р.Майер, он был по профессии врачом), проанализировав большое количество известных к этому времени работ по физике и математике, обосновал закон сохранения энергии. Он показал его всеобщий характер, ввел основные понятия термодинамики, такие как свободная и связанная энергия. Формулирование закона сохранения энергии было особенно важным, так как этот закон устанавливал связь нового учения о теплоте с более старым учением механики, и позволял заложить основы молекулярно-кинетической теории теплоты, которая сохранила свое значение до наших дней.

Позднее англичанин Уильям Томсон (1824-1907) обобщил труды Гельмгольца и, изучив изданную еще в 1824 году работу Сади Карно «Размышление о движущей силе огня», написал статью под названием «Доклад о теории Карно», которую опубликовал в 1849 году. В этой и последующих своих работах он пришел к выводу, что существуют условия, при которых превращение тепла в работу вообще невозможно (при абсолютном нуле). Он также установил, что в природе существует тенденция к рассеянию энергии, и предложил абсолютную шкалу измерения температур. За этот выдающийся вклад в науку английская королева в 1892 году пожаловала ему почетное звание лорда Кельвина, а термодинамическая шкала температур с тех пор стала называться шкалой Кельвина.

Важный вклад в обоснование молекулярно-кинетической теории теплоты, а также в формулирование второго закона термодинамики, внес немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888). В основе молекулярно-кинетической теории теплоты лежат представления о том, что все тела - твердые, жидкие и газообразные - состоят из молекул, находящихся в непрерывном движении.

Но прежде чем создать эту теорию, Клаузиус также тщательно изучил все работы Сади Карно. Многие из работ Карно были опубликованы лишь после его смерти, так как он умер очень рано, совсем молодым, в 1832 году во время эпидемии холеры. Исследуя расход топлива в паровой машине, Карно разработал представления о круговом процессе, о периодичности работы тепловых двигателей, впервые ввел понятие коэффициента полезного действия тепловой машины (КПД.). Он предложил использовать такой круговой процесс, при котором можно получить максимум работы и наиболее высокий к.п.д. При этом он установил, что теплота будет превращаться в работу только при наличии разности температур, что следует из простейшей по внешнему виду и глубокой по смыслу формулы, описывающей к.п.д. тепловой машины  :

И, действительно, анализируя эту формулу, можно сделать следующие весьма важные выводы:

1. КПД  теплового двигателя не зависит от рода рабочего тела (газа)

2. КПД  не может быть равен единице или 100%, так как в этом случае отношение  должно было бы равняться нулю. А это возможно только, если  или . Но ни то, ни другое в действительности не достижимо.

3.Механическая работа может быть получена только при наличии перепада температур, так как при равенстве температур  КПД обращается в нуль .

4. КПД будет тем больше, чем выше температура горячего источника  и ниже температура холодного источника  .

Приведенная выше формула позволяет вычислить термический КПД для любой тепловой машины, например, для двигателя внутреннего сгорания, если бы он работал по циклу Карно. Допуская, что температура горения газовой смеси в камере сгорания двигателя  , а температура выхлопных газов , нетрудно подсчитать, что КПД такого двигателя был бы равен около 74,5%. Однако, в действительности двигатели не работают по циклу Карно, так как из-за конструктивных трудностей невозможно в полной мере осуществить подвод и отвод тепла только при постоянной температуре, как это предусматривается в цикле Карно. Кроме того, из-за неизбежных потерь доля тепла, превращаемого в механическую энергию на валу двигателя, будет всегда меньше. Поэтому к.п.д. будет также значительно меньше приведенной выше цифры. На практике он составляет не более 42%.

Тем не менее, цикл Карно изучается во всех учебниках по термодинамике, так как он указывает на пути совершенствования тепловых двигателей и показывает предельные значения к.п.д. тепловых машин, к достижению которых следует стремиться. Таким образом, теоретические работы Сади Карно были положены в основу второго закона термодинамики, сформулированного Клаузиусом в 1850 году. Сущность этого закона заключается в том, что теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому без затраты работы. Этот закон лежит в основе работы не только тепловых двигателей, но и холодильных машин и компрессоров. Клаузиус впервые вывел и математически обосновал параметр состояния вещества, называемый энтропией, составляющий важнейшее понятие второго закона термодинамики и играющий важную роль в различных областях техники: химии, металлургии, материаловедении, энергетике, двигателестроении и других.

Таким образом, в середине XIX века были сделаны важнейшие научные открытия, доказывающие, что как механическая, так и тепловая энергия, являются двумя формами существования материи, и что кроме этих видов энергии существуют еще и другие.

Статья поступила в редакцию 24 ноября 2006 года