ється тільки різницею температур нагрівача і холодильника і не залежить від природи робочого тіла, тобто речовини, що працює в тепловій машині (теорема Карно). Прийшов до поняття механічного еквівалента теплоти і сформулював у загальному вигляді закон збереження енергії. У своїх міркуваннях Карно дотримувався теорії теплорода, проте надалі, як виявляється з його записок, виданих посмертно, він від неї відмовився, визнавши взаімопревращаемость теплоти і механічної роботи. Єдина опублікована робота Карно була оцінена лише десять років опісля, коли Б.Клапейрон, повторивши міркування Карно, виклав її в математичному вигляді і ввів графічний метод опису циклу Карно. Завдяки цьому подання Карно стали відомі іншим ученим і послужили основою розвитку класичної термодинаміки в працях У. Томсона (Кельвіна), Р.Клаузиуса та ін
Ідеальних машин в реальному житті не існує, це всього лише уявний конструкт. Кожна з таких гіпотетичних машин, серед яких двигун Карно займає важливе місце, ілюструє якесь важливе теоретичне висновок. Двигун Карно, що лежить в основі роботи ідеального теплового двигуна, був придуманий французьким інженером Саді Карно за двадцять років до того, як були сформульовані основи термодинаміки, однак він ілюструє важливе наслідок з другого початку термодинаміки.
Робочу частину двигуна Карно можна уявити собі у вигляді поршня в заповненому газом циліндрі. Оскільки двигун Карно - машина чисто теоретична, тобто ідеальна, сили тертя між поршнем і циліндром і теплові втрати вважаються рівними нулю. Поршень може вільно переміщатися між двома тепловими резервуарами - з високої температурою і з низькою температурою. (Для зручності подамо, що гарячий тепловий резервуар нагрівається за допомогою спалювання суміші бензину з повітрям, а холодний - остуджується водою або повітрям кімнатної температури) У цій теплової машині відбувається наступний ідеальний чотирьохфазним цикл:
1. Спочатку циліндр набирає контакт з гарячим резервуаром, і ідеальний газ розширюється при постійній температурі. На цій фазі газ отримує від гарячого резервуара якесь кількість тепла.
2. Потім циліндр оточується ідеальної теплоізоляцією, за рахунок чого кількість тепла, наявне у газу, зберігається, і газ продовжує розширюватися, поки його температура не впаде до температури холодного теплового резервуара.
3. На третій фазі теплоізоляція знімається, і газ в циліндрі, будучи в контакті з холодним резервуаром, стискається, віддаючи при цьому частина тепла холодного резервуару.
4. Коли стиск досягає певної точки, циліндр знову оточується теплоізоляцією, і газ стискається за рахунок підняття поршня до тих пір, поки його температура не зрівняється з температурою гарячого резервуара. Після цього теплоізоляція віддаляється і цикл повторюється знову з першої фази.
Двигун Карно має багато спільного з реальними двигунами: він працює по замкнутому циклу (який називається, відповідно, циклом Карно); він отримує енергію ззовні завдяки високотемпературного процесу (наприклад, при спалюванні палива); частина енергії розсіюється в навколишнє середовище. При цьому проводиться певна робота (у випадку двигуна Карно - за рахунок поступального руху поршня). ККД, або ефективність двигуна Карно визначається як відношення роботи, яку він виробляє, до енергії (у формі тепла), відібраної у гарячого резервуара. Неважко довести, що ефективність (E) виражається формулою:
E = 1 - (T c /T h ),
де Т c і Т h - Відповідно температура холодного і гарячого резервуарів (у кельвінах). Очевидно, що ефективність двигуна Карно менше 1 (або 100%).
Цікаво зауважити, що у своїй роботі Карно грунтувався на умоглядних (більше того, неправильних) висновках за аналогією. С. Карно скористався відносяться до аналізу роботи машин висновками свого батька Л. Карно, досліджуючи роботу теплових машин за аналогією з роботою водяного двигуна. Л. Карно у творі "Досвід про машини взагалі" (1783 р) і в більш пізній роботі "Основні принципи рівноваги і руху" (1803 г), ввівши поняття роботи, досліджував питання про те, яким має бути пристрій машини, щоб при передачі енергії її частинами втрата цієї енергії була б найменшою. Він встановив, що втрата енергії (ми вживаємо сучасну термінологію) при роботі машини відбувається або від тертя, або від удару. Для останнього випадку Л. Карно довів теорему про втрату живої сили при непружного ударі, відому в механіці під назвою теореми Карно 5 . З цієї теореми випливало, що при конструюванні машин потрібно домагатися такого положення, щоб передача руху від однієї деталі машини до іншої відбувалась "плавно" при рівності швидкостей стосується частини деталей, тобто щоб передача рухів здійснювалася без стрибка в швидкостях.
У водяному двигуні вода, падаючи з більш високого рівня на більш низький, виробляє роботу. У теплових машинах, міркував Карно за аналогією, теплород "п...
