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萨迪·卡诺

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) in the dress uniform of a student of the École Polytechnique.

萨迪·卡诺(Sadi Carnot)是法国青年工程师、热力学的创始人之一。兼有理论科学才能与实验科学才能,是第一个把热和动力联系起来的人,是热力学的真正的理论基础建立者。 他出色地、创造性地用“理想实验”的思维方法,提出了最简单,但有重要理论意义的热机循环——卡诺循环,并假定该循环在准静态条件下是可逆的,与工质无关,创造了一部理想的热机(卡诺热机)。

 

生平简介

 

尼古拉•莱昂纳尔•萨迪•卡诺(Nicolas Léonard Sadi Carnot,1796年-1832年),法国物理学家、工程师。在热学方面有一定贡献。他在1824年提出了卡诺热机定理,是以后建立热力学第二定律的重要基础。 1832年6月,他患了猩红热,不久后转为脑炎,他的身体受了致命的打击。后来他又染上了流行性霍乱,竟于同年8月24日被夺去了生命。

 

• 出生背景

 

出生在巴黎,萨迪卡诺的第一个儿子是著名的军事领导人和几何学家,拉扎尔尼古拉玛格丽特卡诺,哥哥的Hippolyte卡诺,和叔叔玛丽弗朗索瓦萨迪卡诺(法兰西共和国总统(1887年至1894年)的儿子Hippolyte卡诺)。他的父亲给他取名为波斯诗人萨迪的设拉子(卡诺1960年,第十一),他一直都知道这个第三的名字。

从16岁(1812年),他住在巴黎,参加巴黎高等理工学院,他和他的同时代人,克劳德路易纳维和加斯帕德-古斯塔夫科里奥利,被教导由教授约瑟夫路易斯如同性恋吕萨克,翁丹尼斯泊松分布和安德烈玛丽安培。毕业后,他成为一名军官在法国军队,然后提交自己的科学研究,成为最有名的傅里叶同时代谁感兴趣的理论热。自1814年,他在军中服役。最终失败后,拿破仑在1815年,他的父亲去流亡。他后来获得永久请假从法国军队。随后,他花时间来写他的书。

 

• 历史背景

 

它的历史背景是,卡诺工作出现了几乎没有科学的研究蒸汽发动机,但发动机实际上是很远沿其发展。它已经上升到一个普遍公认的经济和工业的重要性。纽科门发明了第一个活塞式蒸汽机超过一个世纪之前,在1712年。大约 50年后,瓦特使他的著名的改善,大大提高了效率和实用性的发动机。复合发动机(引擎与多个阶段的扩张)已经发明了。甚至有一个粗糙的形式,内燃发动机,这卡诺熟悉,而他详细地介绍了一些他的书。 (卡诺 1960年,第56页)惊人的进步,在实际方面已经取得了,所以至少有一些直观的了解引擎的运作存在。科学依据其运作,但是,几乎不存在,即使这一切的时间。

1824年的原则,节约能源仍然不成熟,有争议的,精确制定了热力学第一定律仍然超过十年了。在热功当量是尚未找到另外两个十年。在流行的理论是卡路里的热量理论,认为作为一个有点热失重,隐形液体流出时,出于平衡。 工程师在卡诺的时机已经尝试过各种机械手段,如高压蒸汽,或使用其他的一些液体比蒸汽,提高效率的引擎。在这些早期阶段的发动机开发,一个典型的效率引擎 - 它能够有益的工作时要执行特定数量的燃料,如一次性的煤燃烧 - 是一个只3%。

 

• 在火的驱动力的反射

 

Carnot周期

 

Carnot寻求回答关于热引擎的操作的二个问题:“是工作可得到从潜在地无边际的热源?”并且“可能热引擎原则上经过替换蒸汽改进用一些其他工作流体或气体?”当他只是28岁时,他在1824年试图回答这些在回忆录,被出版作为普遍的工作。它题为Réflexionssurlapuissancemotricedufeu(“在火的驱动力的反射”)。书简单地意欲报道相当宽主题范围关于热引擎的相当普遍的时尚。等式被保留了对极小值并且被要求少许更比简单的代数和算术,除了偶尔地脚注,他沉溺于介入小的微积分的一些个论据。他在他自己的有些想法谈论了相对优点空气和蒸汽当工作流体,优点蒸汽引擎设计的各种各样的方面和甚而投掷了在可能的实用改善。但是书的重要部分致力了于可能被用于了解和澄清根本原则是一般适用性到所有热引擎,特殊设计选择独立也许做出一个被理想化的引擎的相当抽象介绍。

或许最重要的贡献Carnot被做对热力学是他的蒸汽引擎的本质特征的抽象,因为在他的天知道入一台更加一般,被理想化的热引擎。这导致确切的演算可能做的一个式样热力学系统,并且避免了许多介绍的复杂化当代蒸汽引擎的粗暴特点。通过理想化引擎,他可能到达清楚,无可争辩的答复到他原始的二个问题。

他表示,这个被理想化的引擎效率是仅作用的之间它经营水库的二个温度在。他,然而,没有给作用的确切的形式,更晚被证明是(T1−T2)⁄T1,T1是更热的水库的绝对温度。(笔记:这个等式大概来自凯尔文。)操作其他周期的热量引擎不可以是更加高效率的给出同样操作温度。

他非常清楚看见了,直觉地,他可能给非常明确答复在读者之前被设置的二个问题。不仅由于(琐细的)缺乏摩擦和其他偶然发生的大手大脚的过程,Carnot周期是最高效率的可能的引擎,;主要原因是它不假设热的传导在引擎之间的零件的在不同的温度。他知道热的传导在身体之间的在不同的温度是大手大脚的,不可逆过程,并且必须消灭,如果热引擎是有最大效率。

关于第二点,他也相当肯定可达到最大的效率没有取决于工作流体的确切的本质。他陈述了此重点的作为一个一般提议:“热的驱动力是被使用的代理的独立体会它;它的数量由之间调动热量发生身体的温度单独地固定在”。为他的热的“驱动力”,我们今天会说“一台可逆热引擎的效率”,和而不是“调动热量”我们会说“热可逆调动”。他知道直觉地他的引擎将有最大效率,但是无法陈述什么那效率是。

 

第二法律

 

在他理想的模型,热热量被转换成工作能通过扭转周期,叫作热力学反演性后来的概念的行动复原。然而Carnot进一步假设某一热量丢失,不被转换成机械功。因此真正的热引擎不能体会Carnot周期的反演性和被谴责是较不高效率的。虽则公式化根据热量,而不是熵,这是早期的洞察入第二个热力学定律。

 

• 往后的生活

 

卡诺的书似乎很少受到关注,从他的同时代人在第一。只有在几年内引用后,他的出版物是审查它在期刊“杂志 Encyclopédique“,这是一本杂志,涵盖范围广泛的专题文献。这项工作才开始有真正的影响时,由埃米尔克拉珀龙的现代化,然后在1834年进一步阐述了克劳修斯和开尔文,一起源于它的概念的熵和第二定律thermodynam

 

• 死亡

 

卡诺死于霍乱疫情时,他在1832年只有36。 (阿西莫夫1982年,第332页)由于霍乱的关注,他的许多物品和著作和他一起被埋葬在他死后。因此,只有少数幸存下来的他的科学著作,除了他的书。 之后,他的书出版于1824年,它很快就绝版,在一段时间内是很难获得的。例如,开尔文有很大的困难,得到一个副本卡诺的书。它的英文译本铑瑟斯顿在1890年已重印近数十年来的多佛尔和彼得史密斯,最近由多佛在2005年。他死后的一些手稿也被翻译成英文。

卡诺出版他的书在未来的日子蒸汽机。他的理论解释了为什么使用蒸汽发动机过热蒸汽较好,因为温度较高的热水库参与。卡诺的理论无助于提高效率的蒸汽机在开始时,他的理论有助于解释为什么只有一个现有的做法较好。这只是到了最后,在十九世纪,卡诺的想法 -热机可以更有效的,如果其热储温度的增加- 被付诸实施,例如,鲁道夫柴油机(1858年至1913年),谁是着迷[引文需要]由卡诺的理论和设计的发动机(柴油发动机),其中温度的热储层远远高于一个蒸汽发动机,造成发动机更重要的是效率比蒸汽机。因此,虽然需要时间,卡诺的书终于有了一个真正的影响发动机的设计实践。

他的名字是其中的72名登记在埃菲尔铁塔。

Lazare Nicolas Marguerite, Comte Carnot (13 May 1753 – 2 August 1823). Father of Sadi Carnot.

 

科学世家

 

1796年6月1日,萨迪.卡诺在巴黎小卢森堡宫降生,时值法国资产阶级大革命之后和拿破仑夺取法国政权之前的动乱年月。

卡诺的父亲拉扎尔.卡诺(Lazare Carnot)在法国大革命和拿破仑第一帝国时代担任要职。他先后是罗伯斯庇尔(Robe-spierre)的十二人公安委员会的成员之一、拿破仑第一执政手下的战争部长及滑铁卢战争前百日政权的内政部长。当拿破仑帝国在1815年被倾覆后,拉扎尔被流放国外,直至1823年病死于马格德堡。拉扎尔的民主共和的思想给卡诺打上了深刻的烙印,他后来遭受的厄运给卡诺造成了巨大的精神创伤,并导致了社会对卡诺的歧视。

拉扎尔不仅是一位政治家,而且也是一位科学家。他于1782年、1787年和1803年先后发表过《通用机器》、《拉扎尔.卡诺数学全休》、《运动和平衡的基本原理》;在热学及能量守恒与转化定律的发现上,均有所贡献。1807年,他辞去战争部长的职务,专事对卡诺和卡诺的弟弟伊波利特.卡诺(Hippolyte Carnot)进行科学教育。

1812年,萨迪.卡诺考入巴黎理工学院,在那里受教于泊松.盖-吕萨克、安培和阿拉果(D.F.Arago)这样一批卓有成就的老师。他主要攻读了分析数学、分析力学、画法几何和化学。

1819年,他考上了巴黎总参谋军团。该军团处于初创期,组织还十分松散,卡诺借此机会一边进行科学研究,一边在法兰西学院听一些新课程。这时他对工业经济产生了浓厚兴趣,他走访了许多工厂,研究了政治经济学的最新理论。他发现,热机效率低是当时工业的一个难题。这个问题此导他走上了热机理论研究的道路。

 

破土而出

 

由于蒸汽机的发明,工业革命在欧洲逐步兴起来了。蒸汽机正在使法国和蒸汽机的故乡——英国日益工业化,为它们增加了国力和财力。作为法国人的卡诺亲身经历了这场蒸汽机革命的冲击,亲眼看到了蒸汽机是怎样促进人类文明向前发展的。然而,他也看到:人们是知道怎样制造和使用蒸汽机,而对蒸汽机的理论却了解不够。

当时的热机工程界对这样两个问题进行着热烈的讨论:(1)热机效率是否有一极限?(2)什么样的热机工作物质是最理想的?

在对热机效应缺乏理论认识的情况下,工程师只能就事论事,从热机的适用性、安全性和燃料的经济性几个方面来改进热机。他们曾盲目采用空气、二氧化碳,甚至采用酒精来代替蒸汽,试图找到一种最佳的工作物质。这种研究只具有针对性,而不具备普遍性;从某一热机上获得的最佳数据不能套用于另一热机。这就是当时热机理论研究的状况。卡诺采用了截然不同的途径,他不是研究个别热机,而是要寻一种可以作为一般热机的比较标准的理想热机。

当拉扎尔在1823年8月病故后,卡诺的弟弟回到巴黎,协助卡诺完成了《关于火的动力》一书的写作,使它在1824年6月12日发表出来。卡诺在这部著作中提出了“卡诺热机”和“卡诺循环”的概念及“卡诺原理”(现在称为“卡诺定理”)。

 !E 理论,“卡诺热机”是一切工作于相同高温热源和低温热源之间的热机中效率最高的热机,是一种理想热机;“卡诺循环”是一种可逆循环,按照现在的术语来说,是熵保持不变的循环。“卡诺原理”是说:“热动力与用来产生它的工作物质无关,它的量唯一地由在它们之间产生效力的物体(热源)的温度来确定,最后还与热质的输运量有关”。

值得注意的是,卡诺在1824年论著中借用了“热质”的概念,这是他的理论在当时受到怀疑的一个重要原因。卡诺之所以要借助于“热质”,是为了便于通过蒸汽机和水轮机的形象类比来发现热机的规律。在卡诺看来,“热质”正如水从高水位流下推动水轮机一样,它从高温热源流出以推动活塞,然后进入低温热源。在整个过程中,推动水轮机的水没有量的损失;同样,推动活塞的“热质”也没有损失。为了避免混乱,卡诺在谈到热量、或热与机械功的关系时,就不用“热质”一词,而改用“热”;况且在他后来的研究记录中,他就彻底抛弃了“热质”一词。在一个很长的时间内,不少人说卡诺是“热质”论者,其实是没有根据的。

萨迪.卡诺

 

新星陨落

 

在《关于火的动力》发表后,卡诺继续研究热机理论。由于巴黎总参谋军团的改组,他被调回部队。他在部队的时间不到一年,就永远辞去了职务,加在到巴黎在他父亲遗留下来的私寓里长期定居下来。卡诺性格孤僻而清高,他一生只有可数的几位好友。在学派林立的巴黎学界,卡诺的厌世情绪越来越严重。

他父亲的革命思想对他的影响至深,以致使他不满时局而与时代格格不入,这就更加恶化了他与社会的关系。七月革命爆发了,他一度表现积极,但很快又失望了。由于他父亲的名气,七月革命党人提名他为巴黎内阁成员。他厌恶这种官衔世袭的作法,而毅然拒绝了。最后他仍回到自己的书桌前从事科学研究。1831年,卡诺开始研究气体和蒸汽的物理性质。4832年6月,他患了猩红热,不久后转为脑炎,他的身体受了致命的打击。后来他又染上了流行性霍乱,竟于同年8月24日被夺去了生命。

卡诺去世时年仅36岁,按照当明的防疫条例,霍乱病者的遗物应一律付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁,幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来。这部分手稿中有一篇是仅有21页纸的论文----《关于适合于表示水蒸汽的动力的公式的研究》;其余内容是卡诺在1824-1826年间写下的23篇论文,它们的论题主要集中在这样三个方面:(1)关于绝热过程的研究;(2)关于用磨擦产生热源;(3)关于抛弃“热质”学说。卡诺这些遗作直到1878年才由他的弟弟整理发表出来。

卡诺抛弃“热质”学说的原因,首先是受菲涅耳(A.J.Fresnel,1788-1827)的影响。菲涅耳认为光和热是一组相似的现象,既然光是物质粒子振动的结果,那么热也应当是物质粒子振动的结果,是物质的一种运动形式,而不是什么虚无缥缈没有质量的东西。卡诺接受了菲涅耳的设想,他一方面运用热的动力学新概念重新审度他在1824年提出的热机理论,发现只要用“热量”一词代替“热质”,他的理论仍然成立。另一方面,他又深入研究伦福德伯爵(C.Rrmford)和戴维(H.Davy)的磨擦生热的实验,并计划用实验来揭示在液体或气体中的磨擦热效应的定量关系,他计算出热功当量为3.7焦耳/卡,比焦耳(J P Joule)的工作超前将近20年。

在卡诺去世两年后,《关于火的动力》才获得了第一个认真的读者----克拉珀龙(Emile Claperon)。他是巴黎理工学院的毕业生,只比卡诺低几个年级。1834年,他在学院出版的杂志上发表了题为《论热的动力》的论文,用P-V曲线翻译了卡诺循环,但未引起学术界的注意。10年后,英国青年物理学家开耳芬在法国学习时,偶尔读到克拉派隆的文章,才知道有卡诺的热机理论。然而,他找遍了各图书馆和书店,都无法找到卡诺的1824年论著。实际上,他在1848年发表的《建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标》一文,主要根据克拉珀龙介绍的卡诺理论来写的。1849年,开耳芬终于弄到一本他盼望已久的卡诺著作。十余年后,德国物理学家克劳修斯(R.Clausius)也遇到了同样的困难,他一直没弄到卡诺原著,只是通过克拉珀龙和开尔文的论文熟悉了卡诺理论。

这些事实表明,在1824年至1878年间,卡诺的热机理论一直没有得到广泛传播。卡诺生前的好友罗贝林(Robelin)在法国《百科评论》杂志上曾经这样写道:卡诺孤独地生活、凄凉地死去,他的著作无人阅读,无人承认。

现在很难说清学术界是什么时候开始公认卡诺热机理论的,因为在他去世后,没有任何学术团体或学校授予卡诺任何称号。可以这样说,卡诺的学术地位是随着热功当量的发现,热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被揭示出来的过程慢慢地形成的;卡诺的理论除了对克拉珀龙、开尔文和克劳修斯等少数几位物理学家产生过影响外,它在整个物理学界未曾引起过反响。直到1878年他的《关于火的动力》第二版和他生前遗稿发表后,物理学界才普遍知道了卡诺和他的理论。不过,那时热力学已经有了迅速发展,他的著作就成了历史遗物,除少数科学史家和教科书编纂者偶尔翻翻外,没有更多人去认真读它。

卡诺的理论不仅是热机的理论,它还涉及到热量和功的转化问题,因此也就涉及到热功当量、热力学第一定律及能量守恒与转化的问题。可以设想,如果卡诺的理论在1824年就开始得到公认或推广的话,这些定律的发现可能会提前许多年。这种估计不算过分,根据前面的分析,卡诺至迟在1824-1826年间就计算过热功当量,这比焦耳的工作要早17~19年。虽然他的计算不够精确,但他的理论见解是正确的。我们有理由相信,在他那些被烧毁的手稿中可能还有关于热功当量的更精确的计算。

 

深刻的启示

 

英国著名物理学家麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831-1879),对卡诺理论作过高度评价。他说:卡诺的理论是“一门具有可靠的基础、清楚的概念和明确的边界的科学”。可是,这个理论的创立者不论在法国学术界还是在法国社会里都未曾获得多数人的支持。通过对卡诺的历史分析,我们让为卡诺理论的蒙难有如下几个原因:(1)社会的政治压抑;(2)卡诺的早逝;(3)卡诺生前未能进入某一学派。

拉扎尔.卡诺是法国18世纪著名科学家,不论在科学家传记上还是在各种大百科全书中,现在都有关于他的生平和贡献的记载。按理说,这对于萨迪.卡诺跻身于法国学术界是一个极为有利的条件。但是,正如前面所说,拉扎尔晚年的不幸以致客死异乡,在政治上给卡诺以巨大的压抑,加上社会对卡诺的歧视,迫使卡诺加避社会而远离了他应当加入的社会或科学团体,使他变成一位不归附任何名门的游离分子。孤独地生活、勤奋地工作又摧毁了他的身心。致使他过早去世。去世后,也没有一位法国学术权威对他的工作作过任何评价,而克拉珀龙在当时只不过是一个“无名小卒”,他对卡诺理论的翻译和解释在法国没有产生反响。19世纪初,法国物理学界中颇具影响的人物一般集中在巴黎理工学院和法兰西学院,他们之中威望最高的要数拉普拉斯(P.S.Laplace,1749-1827);以拉普拉斯为首的物理学派左右了法国物理学的方向,凡是比较成功的理论几乎都经过拉普拉斯的评阅和推荐。最明显的例子是毕奥(J.B.Biot)??萨伐尔(F Savart)定律,这个定律是在拉普拉斯指导下,由他的学生毕奥和萨伐尔通过几个实验发现的,一经公布就得到推广,很快就在教科书里出现了。另一个例子是菲涅耳的光波动理论。虽然菲涅耳也死得过早,但他在生前已与法国物理学界取得联系,得到像阿拉果这样一些权威人士的赞助,因此菲涅耳理论能够产生及时的影响。

卡诺理论的蒙难历史告诉我们,为了科学技术的迅速发展,我们不仅要加倍注意人才的开发,而且要给与那些还没有确定社会地位的已经开发现来的人才以热情的支持和鼓励。社会还要切实注意中、青年科学家的身体状况。各学术团体、各位有声望的科学家,要克服门户之见,推荐和提拔卓有贡献的青年科学家,对他们的成果作出及时的鉴定、宣传和推广,以促进科学事业的不断繁荣。

 

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