Николя Леонар Сади Карно ( фр. Nicolas Léonard Sadi Carnot ; 1 июня 1796 — 24 августа 1832) — французский военный инженер и физик . Выпускник Политехнической школы , Карно служил офицером в Инженерном корпусе ( le génie ) французской армии . Он также занимался научными исследованиями и в июне 1824 года опубликовал эссе под названием «Размышления о движущей силе огня» . В этой книге, которая стала его единственной публикацией, Карно разработал первую успешную теорию максимальной эффективности тепловых двигателей .
Научная работа Карно привлекала мало внимания при его жизни, но в 1834 году она стала объектом подробного комментария и объяснения другого французского инженера, Эмиля Клапейрона . Комментарий Клапейрона, в свою очередь, привлек внимание Уильяма Томсона (позже лорда Кельвина) и Рудольфа Клаузиуса . Томсон использовал анализ Карно для разработки абсолютной термодинамической шкалы температур , в то время как Клаузиус использовал его для определения понятия энтропии , тем самым формализовав второй закон термодинамики .
Сади Карно был сыном Лазаря Карно , выдающегося математика, инженера и командующего Французской революционной армии , а позднее и наполеоновской армии . Некоторые из трудностей, с которыми Сади столкнулся в своей карьере, могли быть связаны с преследованием его семьи восстановленной монархией Бурбонов после падения Наполеона в 1815 году. Сади Карно умер в относительной безвестности в возрасте 36 лет, но сегодня его часто называют «отцом термодинамики » .
.jpg/1280px-Lazare_Nicolas_Marguerite,_comte_Carnot,_g%C3%A9n%C3%A9ral_(1753-1823).jpg)
Сади Карно родился в Париже 1 июня 1796 года в Малом Люксембургском дворце, где его отец Лазар проживал в качестве одного из пяти членов Директории , высшего руководящего органа Первой французской республики сразу после термидорианской реакции . Его мать, Софи, урожденная Дюпон (1764-1813), происходила из богатой семьи, проживавшей в Сент-Омере .
Сади был назван его отцом Лазаром в честь персидского поэта XIII века Сади из Шираза . Старший брат, также по имени Сади, родился в 1794 году, но умер в младенчестве в следующем году. «Сади» — единственное имя, которое появляется в гражданском свидетельстве о рождении второго ребенка, датированном 14 прериалем , IV годом по французскому республиканскому календарю . [1] 11 июля 1796 года ребенок был крещен в католической церкви Сен-Луи-д'Антен как «Николя-Леонар Дюпон». Главным свидетелем на этом крещении был его дед по материнской линии, Жак-Антуан-Леонар Дюпон. Отец ошибочно указан в записи о крещении как Жак-Леонар-Жозеф-Огюст Дюпон (который был, на самом деле, дядей ребенка по материнской линии). [2] После биографической заметки, опубликованной спустя много времени после его смерти его братом Ипполитом, большинство источников теперь называют его полным именем «Николя Леонар Сади», но нет никаких доказательств того, что он когда-либо использовал какое-либо другое имя, кроме «Сади». [3]
У Сади был младший брат, Ипполит Карно , родившийся в 1801 году в Сент-Омере, который впоследствии стал видным политиком. Старший сын Ипполита Мари Франсуа Сади Карно был президентом Франции с 1887 по 1894 год. Еще одним сыном Ипполита был химик, горный инженер и политик Адольф Карно . Сам Сади остался холостяком и не оставил потомков.
Молодой Сади получил образование сначала дома у своего отца, а затем в лицее Карла Великого в Париже, где он подготовился к экзаменам, необходимым для поступления в Политехническую школу , которую помог основать его отец. В 1811 году в возрасте 16 лет (минимально допустимый возраст) Сади Карно стал кадетом Политехнической школы, где среди его одноклассников был будущий математик Мишель Шаль . Среди его профессоров были Андре-Мари Ампер , Симеон Дени Пуассон , Франсуа Араго и Гаспар-Гюстав Кориолис . Таким образом, школа стала известна своим преподаванием математики и физики. [4]
Во время битвы за Париж в марте 1814 года Карно, Шасль и другие кадеты Политехнической школы участвовали в обороне Венсена . Похоже, это был единственный боевой опыт Карно. Карно окончил обучение в 1814 году и был принят в École d'application de l'artillerie et du génie («Школа прикладной артиллерии и военной инженерии») в Меце , где он закончил двухгодичный курс. Затем Сади стал офицером инженерного корпуса французской армии .
Отец Карно, Лазар, служил министром внутренних дел Наполеона во время « Ста дней », и после окончательного поражения Наполеона в 1815 году Лазар был вынужден отправиться в изгнание в немецкий город Магдебург . Положение Сади в армии при восстановленной монархии Бурбонов короля Людовика XVIII становилось все более трудным. [5] Лазар так и не вернулся во Францию, умерев в Магдебурге в 1823 году.
Сади стал капитаном в Génie и был направлен в различные места, где он инспектировал укрепления , отслеживал планы и писал множество отчетов. Однако, казалось, что его рекомендации были проигнорированы, и что его карьера застопорилась. [6] 15 сентября 1818 года, в возрасте 22 лет, он взял шестимесячный отпуск, чтобы подготовиться к вступительным экзаменам в недавно сформированный Генеральный штаб в Париже. Карно сдал экзамен и присоединился к Генеральному штабу в январе 1819 года, в нижнем звании лейтенанта . [7] Он оставался на военной службе, но с тех пор он уделял большую часть своего внимания частным интеллектуальным занятиям и получал только две трети жалованья. [8]
В Париже Карно подружился с Николя Клеманом и Шарлем-Бернаром Дезормом и посещал лекции по физике и химии в Сорбонне и Коллеж де Франс . Он также посещал Национальную консерваторию искусств и ремесел , где слушал лекции по химии Клемана и лекции по экономике Жана-Батиста Сэя . [9] Карно заинтересовался пониманием пределов улучшения производительности паровых двигателей , что привело его к исследованиям, которые стали его «Размышлениями о движущей силе огня» , опубликованными за его счет в июне 1824 года.
Карно был наконец повышен до своего прежнего звания капитана в сентябре 1827 года, но в апреле следующего года он покинул армию, прослужив всего пятнадцать месяцев и не имея права на пенсию. [10] В справочнике выпускников Политехнической школы, опубликованном Амбруазом Фурси в 1828 году, Карно указан как «изготовитель паровых двигателей». Это и некоторые другие указания предполагают, что Карно мог быть вовлечен в практическую схему усовершенствования паровых двигателей, но никаких патентов или других конкретных свидетельств этой работы не обнаружено. [11]
Карно интересовался политической экономией . Его политическая ориентация была либеральной , но он, по-видимому, предпочитал более интервенционистские доктрины Жана де Сисмонди политике невмешательства , пропагандируемой классическими либеральными экономистами, такими как Сэй и Давид Рикардо . [12] Из личных сочинений Карно по экономике сохранились лишь некоторые отрывочные заметки. [13]
Карно изначально приветствовал Июльскую революцию 1830 года, которая положила конец режиму Бурбонов при Карле X и установила новую конституционную монархию при «короле-гражданине» Луи-Филиппе . [14] По словам его брата Ипполита, среди лидеров нового режима велись дискуссии о включении Сади в Палату пэров , поскольку он мог считаться унаследовавшим императорский титул «графа Карно», который Наполеон даровал его отцу Лазару в 1815 году. Однако из этого ничего не вышло, возможно, потому, что республиканские убеждения Сади не позволили ему принять наследственное отличие. [15]
Согласно воспоминаниям, опубликованным после смерти Сади его братом Ипполитом, Сади был заядлым читателем Блеза Паскаля , Мольера и Жана де Лафонтена . [16] Ипполит вспоминал, что Сади был философским теистом , который верил в божественную причинность, но не в божественное наказание. Карно писал в своих личных бумагах, что «то, что для невежественного человека является случаем, не может быть случаем для более просвещенного». Он критиковал установленную религию, но выступал в пользу «веры во всемогущее Существо, которое любит нас и следит за нами». [17]
Ипполит также описывал своего брата как талантливого скрипача , интересовавшегося в основном музыкой Жана-Батиста Люлли и Джованни Баттисты Виотти , который также занимался гимнастикой, фехтованием, плаванием, танцами и катанием на коньках. [18] По словам историка науки Джеймса Ф. Чэлли, «хотя Карно был чувствительным и восприимчивым», он «казался крайне замкнутым, даже отчужденным, всем, кроме нескольких близких друзей». [19] Это может помочь объяснить, почему работа Карно не произвела значительного впечатления ни в научном, ни в инженерном сообществе при его жизни.
Летом 1832 года Карно, по-видимому, страдал от тяжелого приступа скарлатины . 3 августа он был интернирован в частный санаторий, которым управлял психиатр Жан-Этьен Эскироль и который находился в Иври , к югу от Парижа. [20] Согласно больничной записи, он был излечен от « мании », но затем умер от холеры 24 августа. [21] Карно был похоронен на старом кладбище Иври, недалеко от того места, где сейчас находится станция Мэрии д'Иври . [22]
Вклад Сади Карно в развитие термодинамики содержится в его единственной опубликованной работе, короткой книге под названием Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance («Размышления о движущей силе огня и о машинах, приспособленных для развития этой силы»), опубликованной в Париже в июне 1824 года издательством Башелье, причем сам Карно оплатил печать 600 экземпляров. [23] Работа привлекла мало внимания при его жизни и практически исчезла из книготорговцев и библиотек. [24] Статья, опубликованная в 1834 году (спустя два года после смерти Карно и через десять лет после публикации его книги) инженером и коллегой- политехником Эмилем Клапейроном, наконец привлекла внимание к работе Карно, которая несколько лет спустя была использована лордом Кельвином и Рудольфом Клаузиусом для определения понятий абсолютной температуры , энтропии и второго закона термодинамики . [25]
Томас Ньюкомен изобрел первую практичную поршневую паровую машину в 1712 году. Примерно через 50 лет после этого Джеймс Уатт внес свои знаменитые усовершенствования, которые значительно увеличили полезность паровых машин. Когда Карно заинтересовался этим предметом в 1820-х годах, паровые машины все более широко применялись в промышленности, и их экономическое значение было широко признано. Компаундные двигатели (двигатели с более чем одной стадией расширения) уже были изобретены, и даже существовал грубый двигатель внутреннего сгорания , известный как пиреолофор и построенный братьями Клодом и Нисефором Ньепсами , с которым Карно был знаком и который он подробно описал в своей книге.
Однако эта практическая работа над паровыми машинами и интуитивное понимание инженерами некоторых принципов, лежащих в основе их работы, сосуществовали с почти полным отсутствием научного понимания физических явлений, связанных с теплом . Принцип сохранения энергии еще не был четко сформулирован, а окружающие его идеи были фрагментарными и противоречивыми. Сам Карно придерживался точки зрения, распространенной во Франции и связанной с работами Антуана Лавуазье , что тепло — это невесомая и невидимая жидкость , называемая « теплородом », которая может выделяться в ходе химических реакций и которая течет от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.
В своей книге Карно стремился ответить на основные вопросы: существует ли предел работы, которая может быть произведена из данного источника тепла? и можно ли улучшить производительность двигателя, заменив пар другим рабочим телом ? Инженеры во времена Карно пытались, используя пар под высоким давлением и другие жидкости, повысить эффективность двигателей . На этих ранних стадиях развития двигателей эффективность типичного двигателя — полезная работа, которую он мог выполнить при сжигании заданного количества топлива — составляла всего около 5–7%. [26]
Книга Карно была всего 118 страниц и охватывала широкий спектр тем о тепловых двигателях в том виде, в котором Карно, должно быть, намеревался сделать ее доступной широкой публике. Он минимально использовал математику, которую он ограничил элементарной алгеброй и арифметикой, за исключением некоторых сносок. Карно обсуждал относительные достоинства воздуха и пара как рабочих тел, достоинства различных аспектов конструкции паровой машины и даже включил некоторые собственные идеи относительно возможных практических улучшений. Однако центральная часть книги представляла собой абстрактное рассмотрение идеализированной машины (цикла Карно ), с помощью которого автор стремился прояснить фундаментальные принципы, управляющие всеми тепловыми машинами, независимо от деталей их конструкции или работы. Это привело к идеализированной термодинамической системе , на основе которой можно было производить точные расчеты, и избежало осложнений, вносимых многими грубыми особенностями современных паровых машин.
Карно рассматривал идеализированный процесс, в котором тепло из термического резервуара при высокой температуре очень медленно (и, следовательно, обратимо ) течет в газ, содержащийся в цилиндре, закрытом подвижным поршнем. Это дает изотермическое расширение газа, который выталкивает поршень и может быть использован для выполнения полезной работы. Это еще не является двигателем, поскольку поршень должен быть возвращен в исходное положение для того, чтобы машина работала циклически.
Затем Карно предложил снизить температуру газа путем адиабатического расширения , во время которого цилиндр термически изолирован, чтобы предотвратить поступление или отток тепла из газа. Как только температура газа достигает того же значения, что и температура более холодного резервуара, цилиндр приводится в тепловой контакт с этим резервуаром, и газ подвергается изотермическому сжатию, во время которого он очень медленно (и, следовательно, обратимо) отдает тепло в резервуар.
Чтобы замкнуть цикл, температура газа в цилиндре может быть повышена путем адиабатического сжатия, пока она не достигнет значения, равного температуре более горячего резервуара. Эта последовательность изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия и адиабатического сжатия может затем повторяться столько раз, сколько необходимо, генерируя каждый раз чистое количество работы за счет передачи тепла от более горячего резервуара к более холодному.
Как объяснил Карно, такой цикл представляет собой наиболее эффективный тепловой двигатель из возможных (учитывая температуры двух резервуаров), не только из-за (тривиального) отсутствия трения, утечки тепла или других случайных расточительных процессов: Основная причина в том, что он не предполагает проведения тепла между частями двигателя при разных температурах. Карно понимал, что проведение тепла между телами при разных температурах является расточительным и необратимым процессом , который необходимо свести к минимуму, если тепловой двигатель хочет достичь своей максимальной эффективности.
Поскольку цикл Карно обратим, его также можно использовать в качестве холодильника : если внешний агент обеспечивает необходимую механическую работу для перемещения поршня, последовательность преобразований газа будет поглощать тепло из более холодного резервуара и отбрасывать его в более горячий резервуар. Карно утверждал, что ни один двигатель, работающий между резервуарами при двух заданных температурах, не может производить больше работы, чем его обратимый цикл. В противном случае более эффективный двигатель мог бы запустить цикл Карно в обратном порядке как холодильник, таким образом возвращая всю «теплородную» энергию из более холодного обратно в более горячий резервуар, с некоторым положительным количеством работы, оставшимся для выполнения дальнейшей полезной задачи. Карно предположил, что такой процесс, в котором не потребляется чистая «теплородная энергия», а положительная работа может выполняться вечно, будет вечным движением и, следовательно, запрещен законами физики.
Этот аргумент привел Карно к выводу, что
Движущая сила тепла не зависит от агентов, используемых для его создания; ее количество определяется исключительно температурами тел, между которыми в конечном итоге осуществляется передача теплоты. [28]
Карно понимал, что его идеализированный двигатель будет иметь максимально возможный тепловой КПД с учетом температур двух резервуаров, но он не рассчитал значение этого КПД из-за неоднозначностей, связанных с различными температурными шкалами, используемыми учеными в то время:
При падении теплорода движущая сила, несомненно, увеличивается с разницей температур между теплыми и холодными телами, но мы не знаем, пропорциональна ли она этой разнице. [29]
Позже в своей книге Карно рассмотрел тепловой двигатель, работающий очень близко к точке кипения воды, спирта или какой-либо другой рабочей жидкости. Переход между жидкой и паровой фазами включает в себя внезапное изменение плотности (и, следовательно, объема, занимаемого жидкостью), в то время как скрытая теплота необходима для преобразования некоторого количества жидкости из одной фазы в другую. Требуя, чтобы изменение объема, связанное с таким переходом, не было доступно для построения того, что он охарактеризовал как устройство вечного движения, Карно пришел к тому, что позже будет математически формализовано как « соотношение Клаузиуса–Клапейрона ». В « Лекциях Фейнмана по физике» физик-теоретик Ричард Фейнман подчеркивает, что этот результат принадлежит Карно, и дает модернизированную версию первоначального аргумента Карно. [30]
В 1849 году Джеймс Томсон (старший брат лорда Кельвина ) применил рассуждения Карно к замерзанию воды (то есть фазовому переходу между жидкой водой и льдом) и пришел к выводу, что они предсказывают, что температура плавления льда должна уменьшаться, если к нему приложено внешнее давление, эффект, который никто никогда не предполагал и не изучал ранее. Предсказание Джеймса Томсона было позже экспериментально подтверждено его братом (будущим лордом Кельвином), который обнаружил, что данные полностью согласуются с анализом Карно. [31] Позже Кельвин сказал об аргументе Карно, что «ничто во всем диапазоне натуральной философии не является более замечательным, чем установление общих законов с помощью такого процесса рассуждения». [32]
Карно опубликовал свою книгу в июне 1824 года, и в то время она была представлена Французской академии наук Пьером -Симоном Жираром . Жирар также опубликовал хвалебный, но довольно широкий обзор книги в Revue encyclopédique , но после этого книга, похоже, канула в Лету. Только после публикации Эмилем Клапейроном обширного комментария и объяснения работы Карно в 1834 году инженеры и ученые начали проявлять интерес к вкладу Карно. Статья Клапейрона была переведена на английский язык в 1837 году и на немецкий в 1843 году. [33]
Кельвин прочитал статью Клапейрона в 1845 году, посетив парижскую лабораторию Анри Реньо , но только в конце 1848 года Кельвин смог прочитать оригинальную работу Карно в копии, предоставленной ему Льюисом Гордоном . Независимо от Кельвина, немецкий физик Рудольф Клаузиус также основывал свое изучение термодинамики на работе Карно. Клаузиус модифицировал аргументы Карно, чтобы сделать их совместимыми с механической эквивалентностью тепла . Это затем привело Клаузиуса к определению понятия энтропии и формулировке второго закона термодинамики .
Текст Карно был перепечатан в 1871 году в Annales Scientifiques Высшей нормальной школы , а затем Готье-Вилларсом в 1878 году при содействии Ипполита Карно. В 1890 году английский перевод книги был опубликован Р. Х. Терстоном . [34] Эта версия была переиздана в последние десятилетия издательством Dover . В 1892 году лорд Кельвин назвал эссе Карно «эпохальным подарком науке».
Карно опубликовал свою книгу в расцвет паровых двигателей. Его теория объясняла преимущество двигателей, использующих перегретый пар, поскольку они поглощают тепло из резервуара при более высокой температуре. Однако работа Карно не привела к каким-либо немедленным практическим улучшениям паровых технологий. Только к концу девятнадцатого века инженеры сознательно реализовали ключевые концепции Карно: эффективность тепла повышается за счет повышения температуры, при которой тепло извлекается, и минимизации потока тепла между телами при разных температурах. В частности, Рудольф Дизель использовал анализ Карно в своей конструкции дизельного двигателя , в котором тепло впрыскивается при гораздо более высокой температуре, чем в старых паровых двигателях, и в котором тепло от сгорания топлива идет в первую очередь на расширение воздуха в цилиндре (а не на повышение его температуры). [35]
_-_2021-01-30_-_1.jpg/1280px-Tombeau_L%C3%A9onard_Sadi_Carnot_Cimeti%C3%A8re_Ancien_-_Ivry-sur-Seine_(FR94)_-_2021-01-30_-_1.jpg)
Младший брат Сади Ипполит скрыл подробности смерти Сади и уничтожил большую часть его личных документов. [36] Гораздо позже, в 1878 году, когда эссе Карно стало широко признано основополагающим документом новой науки термодинамики, Ипполит спонсировал публикацию нового издания, включавшего «Биографическую заметку о Сади Карно», написанную Ипполитом, а также некоторые «Отрывки из неопубликованных заметок Сади по математике, физике и другим предметам». Это единственные источники информации о многих аспектах жизни и мыслей Сади. По мнению историка науки Артура Бирембо, «дымовая завеса», которую Ипполит набросал на жизнь своего брата, делает невозможным сейчас восстановить подробности карьеры Сади, его отношения с другими физиками и инженерами и обстоятельства его смерти. [37]
Среди частных заметок, опубликованных Ипполитом в 1878 году, есть материалы, указывающие на то, что Сади Карно к весне 1832 года отверг теорию теплорода и принял эквивалентность теплоты и работы . [38] В своих заметках Карно писал, что
Тепло — это просто движущая сила, или, скорее, движение, изменившее форму. Это движение среди частиц тел. Везде, где есть разрушение движущей силы, в то же время происходит производство тепла в количестве, точно пропорциональном количеству разрушенной движущей силы. Обратно, везде, где есть разрушение тепла, происходит производство движущей силы. [39] [40]
В тех же заметках Карно подсчитал, что 1 килокалория эквивалентна 370 кг·м, тогда как в настоящее время принятое значение составляет 427 кг·м. [41] Однако Карно не опубликовал ни одной из своих работ, и вполне возможно, что его неуверенность в последствиях для обоснованности его предыдущего анализа в « Размышлениях» из-за отказа от теории теплорода может объяснить, почему он не продолжил свою работу 1824 года до своей безвременной смерти.
После работ Кельвина и Клаузиуса Карно стал широко признан «отцом термодинамики». [42] В 1970 году Международный астрономический союз назвал лунный кратер Карно в его честь. В 1991 году малая планета 12289 также была названа в честь Карно.
СМИ, связанные с Николя Леонаром Сади Карно, на Викискладе?
Тексты на Викиресурсе: