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薩迪·卡諾

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尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾(Nicolas Léonard Sadi Carnot,1796年6月1日 ~ 1832年8月24日),是法國青年工程師、熱力學的創始人之一。
他兼有理論科學才能與實驗科學才能,是第一個把熱和動力聯繫起來的人,是熱力學的真正的理論基礎建立者。他出色地、創造性地用“理想實驗”的思維方法,提出了最簡單,但有重要理論意義的熱機循環——卡諾循環,並假定該循環在準靜態條件下是可逆的,與工質無關,創造了一部理想的熱機(卡諾熱機)。
中文名
尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾
外文名
Nicolas Léonard Sadi Carnot
別    名
薩迪·卡諾
國    籍
法國
出生日期
1796年6月1日
逝世日期
1832年8月24日
畢業院校
巴黎理工科大學
職    業
工程師數學家
主要成就
提出卡諾循環和卡諾熱機
提出卡諾定律,建立熱力學基礎
出生地
法國巴黎
代表作品
《談談火的動力和能發動這種動力的機器》

薩迪·卡諾科學世家

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1796年6月1日,薩迪·卡諾在巴黎小盧森堡宮降生,時值法國資產階級大革命之後和拿破崙奪取法國政權之前的動亂年月。 [1] 
Lazare Carnot Lazare Carnot
卡諾的父親拉扎爾·卡諾(Lazare Carnot)在法國大革命和拿破崙第一帝國時代擔任要職。他先後是羅伯斯庇爾(Robe-Spierre)的十二人公安委員會的成員之一、拿破崙第一執政手下的戰爭部長及滑鐵盧戰爭前百日政權的內政部長。當拿破崙帝國在1815年被傾覆後,拉扎爾被流放國外,直至1832年病死於馬格德堡。拉扎爾的民主共和的思想給卡諾打上了深刻的烙印,他後來遭受的厄運給卡諾造成了巨大的精神創傷,並導致了社會對卡諾的歧視。
拉扎爾不僅是一位政治家,而且也是一位科學家。他於1782年、1787年和1803年先後發表過《通用機器》《拉扎爾·卡諾數學全休》《運動和平衡的基本原理》;在熱學能量守恆與轉化定律的發現上,均有所貢獻。1807年,他辭去戰爭部長職務,專事對卡諾和卡諾的弟弟伊波利特·卡諾(Hippolyte Carnot)進行科學教育。
1812年,薩迪·卡諾考入巴黎綜合理工大學 [1]  ,在那裏受教於泊松、蓋-呂薩克、安培和阿拉果(D. F. Arago)這樣一批卓有成就的老師。他主要攻讀了分析數學、分析力學、畫法幾何和化學。
1819年,他考上了巴黎總參謀軍團。該軍團處於初創期,組織還十分鬆散,卡諾藉此機會一邊進行科學研究,一邊在法蘭西學院聽一些新課程。這時他對工業經濟產生了濃厚興趣,他走訪了許多工廠,研究了政治經濟學的最新理論。他發現,熱機效率低是當時工業的一個難題。這個問題引導他走上了熱機理論研究的道路。

薩迪·卡諾破土而出

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由於蒸汽機的發明,工業革命在歐洲逐步興盛起來了。蒸汽機正在使法國和蒸汽機的故鄉——英國日益工業化,為它們增加了國力和財力。作為法國人的卡諾親身經歷了這場蒸汽機革命的衝擊,親眼看到了蒸汽機是怎樣促進人類文明向前發展的。然而,他也看到:人們知道怎樣製造和使用蒸汽機,而對蒸汽機的理論卻瞭解不夠。
當時的熱機工程界對這樣兩個問題進行着熱烈的討論:(1)熱機效率是否有一極限?(2)什麼樣的熱機工作物質是最理想的?
在對熱機效率缺乏理論認識的情況下,工程師只能就事論事,從熱機的適用性、安全性和燃料的經濟性幾個方面來改進熱機。他們曾盲目採用空氣、二氧化碳,甚至採用酒精來代替蒸汽,試圖找到一種最佳的工作物質。這種研究只具有針對性,而不具備普遍性;從某一熱機上獲得的最佳數據不能套用於另一熱機。這就是當時熱機理論研究的狀況。卡諾採用了截然不同的途徑,他不是研究個別熱機,而是要尋一種可以作為一般熱機的比較標準的理想熱機。
當拉扎爾在1823年8月病故後,卡諾的弟弟回到巴黎,協助卡諾完成了《關於火的動力》一書的寫作,使它在1824年6月12日發表。卡諾在這部著作中提出了“卡諾熱機”和“卡諾循環”的概念及“卡諾原理”(稱為“卡諾定理”)。
百科x混知:圖解卡諾循環 百科x混知:圖解卡諾循環
根據卡諾熱機理論,“卡諾熱機”是一切工作於相同高温熱源和低温熱源之間的熱機中效率最高的熱機,是一種理想熱機;“卡諾循環”是一種可逆循環,按照現代的術語來説,是熵保持不變的循環。“卡諾原理”説:“熱動力與用來產生它的工作物質無關,它的量唯一地由在它們之間產生效力的物體(熱源)的温度來確定,最後還與熱質的輸運量有關”。
值得注意的是,卡諾在1824年論著中借用了“熱質”的概念,這是他的理論在當時受到懷疑的一個重要原因。卡諾之所以要藉助於“熱質”,是為了便於通過蒸汽機和水輪機的形象類比來發現熱機的規律。在卡諾看來,“熱質”正如水從高水位流下推動水輪機一樣,它從高温熱源流出以推動活塞,然後進入低温熱源。在整個過程中,推動水輪機的水沒有量的損失;同樣,推動活塞的“熱質”也沒有損失。為了避免混亂,卡諾在談到熱量、或熱與機械功的關係時,就不用“熱質”一詞,而改用“熱”;況且在他後來的研究記錄中,他就徹底拋棄了“熱質”一詞。在一個很長的時間內,不少人説卡諾是“熱質”論者,其實是沒有根據的。

薩迪·卡諾新星隕落

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在《關於火的動力》發表後,卡諾繼續研究熱機理論。由於巴黎總參謀軍團的改組,他被調回部隊。他在部隊的時間不到一年,就永遠辭去了職務,回到巴黎在他父親遺留下來的私寓里長期定居下來。卡諾性格孤僻而清高,他一生只有可數的幾位好友。在學派林立的巴黎學界,卡諾的厭世情緒越來越嚴重。
他父親的革命思想對他的影響至深,以致使他不滿時局而與時代格格不入,這就更加惡化了他與社會的關係。七月革命爆發後,他一度表現積極,但很快又失望了。由於他父親的名氣,七月革命黨人提名他為巴黎內閣成員。他厭惡這種官銜世襲的作法,而毅然拒絕了。最後他仍回到自己的書桌前從事科學研究。
1831年,卡諾開始研究氣體和蒸汽的物理性質。
1832年6月,他患了猩紅熱,不久後轉為腦炎,他的身體遭受了致命的打擊。後來他又染上了流行性霍亂,竟於同年8月24日被奪去了生命。
卡諾去世時年僅36歲,按照當年的防疫條例,霍亂病者的遺物應一律付之一炬。卡諾生前所寫的大量手稿被燒燬,幸得他的弟弟將他的小部分手稿保留了下來。這部分手稿中有一篇是僅有21頁紙的論文——《關於適合於表示水蒸汽的動力的公式的研究》;其餘內容是卡諾在1824~1826年間寫下的23篇論文,它們的論題主要集中在這樣三個方面:(1)關於絕熱過程的研究;(2)關於用磨擦產生熱源;(3)關於拋棄“熱質”學説。卡諾這些遺作直到1878年才由他的弟弟整理發表出來。
卡諾拋棄“熱質”學説的原因,首先是受菲涅耳(A. J. Fresnel,1788~1827年)的影響。菲涅耳認為光和熱是一組相似的現象,既然光是物質粒子振動的結果,那麼熱也應當是物質粒子振動的結果,是物質的一種運動形式,而不是什麼虛無縹緲沒有質量的東西。卡諾接受了菲涅耳的設想,他一方面運用熱的動力學新概念重新審視他在1824年提出的熱機理論,發現只要用“熱量”一詞代替“熱質”,他的理論仍然成立。另一方面,他又深入研究倫福德伯爵(C. Rrmford)和戴維(H. Davy)的磨擦生熱的實驗,並計劃用實驗來揭示在液體或氣體中的磨擦熱效應的定量關係,他計算出熱功當量為3.7J/cal(焦耳/卡),比焦耳(J. P. Joule)的工作超前將近20年。
在卡諾去世兩年後,《關於火的動力》才獲得了第一個認真的讀者——克拉珀龍(Emile Claperon)。他是巴黎理工學院的畢業生,只比卡諾低幾個年級。1834年,他在學院出版的雜誌上發表了題為《論熱的動力》的論文,用p-V曲線翻譯了卡諾循環,但未引起學術界的注意。10年後,英國青年物理學家開爾文在法國學習時,偶爾讀到克拉珀龍的文章,才知道有卡諾的熱機理論。然而,他找遍了各圖書館和書店,都無法找到卡諾1824年的論著。實際上,他在1848年發表的《建立在卡諾熱動力理論基礎上的絕對温標》一文,主要根據克拉珀龍介紹的卡諾理論來寫的。1849年,開爾文終於弄到一本他盼望已久的卡諾著作。十餘年後,德國物理學家克勞修斯(R. Clausius)也遇到了同樣的困難,他一直沒弄到卡諾原著,只是通過克拉珀龍和開爾文的論文熟悉了卡諾理論。
這些事實表明,在1824年至1878年間,卡諾的熱機理論一直沒有得到廣泛傳播。卡諾生前的好友羅貝林(Robelin)在法國《百科評論》雜誌上曾經這樣寫道:卡諾孤獨地生活、淒涼地死去,他的著作無人閲讀,無人承認。
很難説清學術界是什麼時候開始公認卡諾熱機理論的,因為在他去世後,沒有任何學術團體或學校授予卡諾任何稱號。可以這樣説,卡諾的學術地位是隨着熱功當量的發現,熱力學第一定律、能量守恆與轉化定律及熱力學第二定律相繼被揭示出來的過程慢慢地形成的;卡諾的理論除了對克拉珀龍、開爾文和克勞修斯等少數幾位物理學家產生過影響外,它在整個物理學界未曾引起過反響。直到1878年他的《關於火的動力》第二版和他生前遺稿發表後,物理學界才普遍知道了卡諾和他的理論。不過,那時熱力學已經有了迅速發展,他的著作就成了歷史遺物,除少數科學史家和教科書編纂者偶爾翻翻外,沒有更多人去認真讀它。
卡諾的理論不僅是熱機的理論,它還涉及到熱量和功的轉化問題,因此也就涉及到熱功當量、熱力學第一定律及能量守恆與轉化的問題。可以設想,如果卡諾的理論在1824年就開始得到公認或推廣的話,這些定律的發現可能會提前許多年。這種估計不算過分,根據前面的分析,卡諾至遲在1824~1826年間就計算過熱功當量,這比焦耳的工作要早17~19年。雖然他的計算不夠精確,但他的理論見解是正確的。我們有理由相信,在他那些被燒燬的手稿中可能還有關於熱功當量的更精確的計算。

薩迪·卡諾深刻啓示

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英國著名物理學家麥克斯韋(J. C. Maxwell,1831~1879),對卡諾理論作過高度評價。他説:“卡諾的理論是“一門具有可靠的基礎、清楚的概念和明確的邊界的科學”。可是,這個理論的創立者不論在法國學術界還是在法國社會里都未曾獲得多數人的支持。通過對卡諾的歷史分析,我們讓為卡諾理論的蒙難有如下幾個原因:(1)社會的政治壓抑;(2)卡諾的早逝;(3)卡諾生前未能進入某一學派。
卡諾是法國18世紀著名科學家,不論在科學家傳記上還是在各種大百科全書中,都有關於他的生平和貢獻的記載。按理説,這對於薩迪·卡諾躋身於法國學術界是一個極為有利的條件。但是,正如前面所説,拉扎爾晚年的不幸以致客死異鄉,在政治上給卡諾以巨大的壓抑,加上社會對卡諾的歧視,迫使卡諾迴避社會而遠離了他應當加入的社會或科學團體,使他變成一位不歸附任何門派的遊離分子。孤獨地生活、勤奮地工作又摧毀了他的身心。致使他過早去世。他去世後,也沒有一位法國學術權威對他的工作作過任何評價,而克拉珀龍在當時只不過是一個“無名小卒”,他對卡諾理論的翻譯和解釋在法國沒有產生反響。
19世紀初,法國物理學界中頗具影響的人物一般集中在巴黎理工學院和法蘭西學院,他們中威望最高的要數拉普拉斯(P. S. Laplace,1749~1827);以拉普拉斯為首的物理學派左右了法國物理學的方向,凡是比較成功的理論幾乎都經過拉普拉斯的評閲和推薦。最明顯的例子是畢奧(J. B. Biot)-薩伐爾(F. Savart)定律,這個定律是在拉普拉斯指導下,由他的學生畢奧和薩伐爾通過幾個實驗發現的,一經公佈就得到推廣,很快就在教科書裏出現了。另一個例子是菲涅耳的光波動理論。雖然菲涅耳也死得早,但他在生前已與法國物理學界取得聯繫,得到像阿拉果這樣一些權威人士的贊助,因此菲涅耳理論能夠產生及時的影響。
卡諾理論的蒙難歷史告訴我們,為了科學技術的迅速發展,我們不僅要加倍注意人才的開發,而且要給與那些還沒有一定社會地位的已經展露研究才能的人才以熱情的支持和鼓勵。社會還要切實注意中、青年科學家的身體狀況。各學術團體、各位有聲望的科學家要克服門户之見,推薦和提拔卓有貢獻的青年科學家,對他們的成果作出及時的鑑定、宣傳和推廣,以促進科學事業的不斷繁榮。
參考資料
  • 1.    梁宗巨.數學家傳略詞典:山東教育出版社,1989:278