Рефераты. Фундаментальные исследования и научно-технический прогресс (на примере исследований Н.Л.С. Карно)

Фундаментальные исследования и научно-технический прогресс (на примере исследований Н.Л.С. Карно)

Реферат на тему:

"Фундаментальные исследования и научно-технический прогресс (на примере исследований Н.Л.С. Карно)"

СПбГПУ

Свинарев Ф.Б.

группа 1103/1

Оглавление

1. Биография

2. Вклад в развитие науки
3. Практическая польза и применение его достижений в жизни человека
4. Значение фундаментальных исследований в жизни человека
Литература

1. Биография
КАРНО, Никола Леонар Сади (Carnot, Nicolas-Lйonard Sadi) (01.06.1796, Париж, - 24.08.1832, там же), французский физик и инженер, один из основателей термодинамики. Родился 1 июня 1796 в Париже в семье известного политического деятеля и ученого Л.Н. Карно. Получил прекрасное домашнее воспитание и образование, затем учился в лицее Карла Великого и в Политехнической школе в Париже. По ее окончании в 1814 был направлен в Инженерную школу в Метце. В 1816 получил назначение в инженерные войска и в течение нескольких лет выполнял обязанности военного инженера. Принял участие в конкурсе на замещение вакантной должности в штабе корпуса в Париже. Выиграв конкурс, переехал в столицу. Продолжал учиться, посещал лекции в Сорбонне, Коллеж де Франс, Консерватории искусств и ремесел. В Консерватории Карно познакомился с физиком Н. Клеманом, который занимался исследованием свойств газов. Общение с Клеманом пробудило у Карно интерес к проблемам совершенствования паровых машин. В 1824 он опубликовал сочинение "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу (Rйflexiones sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres а dйveloppe cette puissance)". В ней он ввел в научный обиход множество понятий, использующихся в термодинамике и сейчас: идеальной тепловой машины, идеального цикла, обратимости процесса и т.д. Однако главной заслугой ученого стало выдвижение идей о необходимости перепада температур для создания цикличности действующей тепловой машины и о том, что величина работы определяется только разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы рабочего тела, т.е. вещества, работающего в тепловой машине (теорема Карно). Пришел к понятию механического эквивалента теплоты и сформулировал в общем виде закон сохранения энергии. В своих рассуждениях Карно придерживался теории теплорода, однако в дальнейшем, как явствует из его записок, изданных посмертно, он от неё отказался, признав взаимопревращаемость теплоты и механической работы. В 1828 году оставил военную службу. В июне 1832 г. Карно заболел скарлатиной, осложнившейся воспалением мозга, но довольно быстро поправился. В августе того же года он заболел снова, на сей раз холерой, свирепствовавшей в Париже. Некрепкий от природы организм, ослабленный к тому же недавно перенесенным недугом, не выдержал.24 августа 1832 г. в возрасте 36 лет Карно скончался. Болезнь была заразной, и все его вещи и бумаги, которые находились дома, пришлось, по действовавшим тогда предписаниям, сжечь. К счастью, сохранились кое-какие записи, которые вместе с "Размышлениями" и составляют научное наследие выдающегося ученого. С. Карно разделил печальную участь многих исследователей: его работа не была по достоинству оценена при жизни. Достаточно сказать, что видный ученый и популяризатор науки Д.Ф. Араго (1786-1853), перечисляя в своей статье "О старой Политехнический школе" десятки имен известных инженеров, окончивших это заведение, ни словом не обмолвился об авторе "Размышлений". Единственная опубликованная работа Карно была оценена лишь десять лет спустя, когда Б. Клапейрон, повторив рассуждения Карно, изложил ее в математическом виде и ввел графический метод описания цикла Карно. Благодаря этому представления Карно стали известны другим ученым и послужили основой развития классической термодинамики в трудах У. Томсона (Кельвина), Р. Клаузиуса и др.

2. Вклад в развитие науки
12 июня 1824 г. в Париже вышла в свет первая и единственная работа 28-летнего военного инженера Сади Карно "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу (Rйflexiones sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres а dйveloppe cette puissance)" - небольшой трактат, объемом всего около четырех печатных листов. Идеи, изложенные в этом сочинении, переросли впоследствии в один из важнейших разделов современной физики и оказали огромное влияние на развитие не только науки и техники, но в определенной мере и философии. В литературе имя С. Карно упоминается столь же часто, как и И. Ньютона, с основами его теории знакомятся еще на школьной скамье. В своем трактате он ввел в научный обиход множество понятий, использующихся в термодинамике и сейчас: идеальной тепловой машины, идеального цикла, обратимости процесса и т.д. Однако главной заслугой ученого стало выдвижение идей о необходимости перепада температур для создания цикличности действующей тепловой машины и о том, что величина работы определяется только разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы рабочего тела, т.е. вещества, работающего в тепловой машине (теорема Карно). Пришел к понятию механического эквивалента теплоты и сформулировал в общем виде закон сохранения энергии. В своих рассуждениях Карно придерживался теории теплорода, однако в дальнейшем, как явствует из его записок, изданных посмертно, он от неё отказался, признав взаимопревращаемость теплоты и механической работы. Единственная опубликованная работа Карно была оценена лишь десять лет спустя, когда Б. Клапейрон, повторив рассуждения Карно, изложил ее в математическом виде и ввел графический метод описания цикла Карно. Благодаря этому представления Карно стали известны другим ученым и послужили основой развития классической термодинамики в трудах У. Томсона (Кельвина), Р. Клаузиуса и др.

Идеальных машин в реальной жизни не существует, это всего лишь мысленный конструкт. Каждая из таких гипотетических машин, среди которых двигатель Карно занимает немаловажное место, иллюстрирует какое-нибудь важное теоретическое заключение. Двигатель Карно, лежащий в основе работы идеального теплового двигателя, был придуман французским инженером Сади Карно за двадцать лет до того, как были сформулированы основы термодинамики, однако он иллюстрирует важное следствие из второго начала термодинамики.

Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно - машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Поршень может свободно перемещаться между двумя тепловыми резервуарами - с высокой температурой и с низкой температурой. (Для удобства представим, что горячий тепловой резервуар нагревается посредством сжигания смеси бензина с воздухом, а холодный - остужается водой или воздухом комнатной температуры) В этой тепловой машине происходит следующий идеальный четырехфазный цикл:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.

2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.

3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.

4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

Двигатель Карно имеет много общего с реальными двигателями: он работает по замкнутому циклу (который называется, соответственно, циклом Карно); он получает энергию извне благодаря высокотемпературному процессу (например, при сжигании топлива); часть энергии рассеивается в окружающую среду. При этом производится определенная работа (в случае двигателя Карно - за счет поступательного движения поршня). КПД, или эффективность двигателя Карно определяется как отношение работы, которую он производит, к энергии (в форме тепла), отнятой у горячего резервуара. Нетрудно доказать, что эффективность (E) выражается формулой:

E = 1 - (Tc/Th),

где Тc и Тh - соответственно температура холодного и горячего резервуаров (в кельвинах). Очевидно, что эффективность двигателя Карно меньше 1 (или 100%).

Интересно заметить, что в своей работе Карно основывался на умозрительных (более того, неправильных) заключениях по аналогии. С. Карно воспользовался относящимися к анализу работы машин выводами своего отца Л. Карно, исследуя работу тепловых машин по аналогии с работой водяного двигателя. Л. Карно в сочинении "Опыт о машинах вообще" (1783 г) и в более поздней работе "Основные принципы равновесия и движения" (1803 г), введя понятие работы, исследовал вопрос о том, каково должно быть устройство машины, чтобы при передаче энергии ее частями потеря этой энергии была бы наименьшей. Он установил, что потеря энергии (мы употребляем современную терминологию) при работе машины происходит либо от трения, либо от удара. Для последнего случая Л. Карно доказал теорему о потере живой силы при неупругом ударе, известную в механике под названием теоремы Карно 5. Из этой теоремы следовало, что при конструировании машин нужно добиваться такого положения, чтобы передача движения от одной детали машины к другой происходила "плавно" при равенстве скоростей касаемых частей деталей, т.е. чтобы передача движений осуществлялась без скачка в скоростях.

В водяном двигателе вода, падая с более высокого уровня на более низкий, производит работу. В тепловых машинах, рассуждал Карно по аналогии, теплород "падает" от температуры нагревателя до температуры холодильника, также производя работу. Таким образом, Карно проводил аналогию между массой воды и количеством тепла, с одной стороны, и высотой падения воды и разностью температур - с другой. "Можно с достаточным основанием сравнить движущую силу тепла, - писал Карно, - с силой падающей воды... 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 мы на самом деле и будем называть высотой его падения, т.е. разностью температур тел, между которыми происходит обмен теплорода". В обычной машине, чтобы получить от нее максимум полезной работы, нужно по возможности исключить трение. Аналогией этому условию в тепловой машине является, очевидно, условие, чтобы все процессы протекали обратимым путем. Рассматривая теперь любую другую тепловую машину с другим рабочим веществом, по также работающую по обратимому циклу, Карно мог легко доказать, что ее "движущая сила" должна быть равна "движущей силе" машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Для этого ему нужно было соединить эти две обратимых машины и заставить одну работать в прямом направлении, а другую в обратном. В результате одного цикла мы получили бы, что рабочее вещество пришло в первоначальное состояние, теплород, взятый у нагревателя и переданный холодильнику, вернулся бы обратно к нагревателю. И если держаться мнения о невозможности вечного двигателя, то нужно принять, что никакой внешней работы не могло быть произведено, т.е. что "движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития', ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете производится перенос теплорода"

3. Практическая польза и применение его достижений в жизни человека

Страницы: 1, 2