Карно, Сади

Mary Stone | 18 февраля, 2023

Post Views: 8

Суммури

Николя Леонард Сади Карно был французским физиком и инженером, родился 1 июня 1796 года в Париже и умер 24 августа 1832 года в Иври-сюр-Сен или Париже.

За свою короткую карьеру (он умер от холеры в возрасте 36 лет) Сади Карно опубликовал только одну книгу (как и Коперник): Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, в 1824 году, в которой он в возрасте 27 лет изложил то, что стало работой всей его жизни и важной книгой в истории физики.

В этой работе он заложил основы совершенно новой дисциплины — термодинамики. В то время этого термина не существовало; его изобрел Уильям Томсон в середине XIX века. Однако именно Сади Карно, несмотря на неточность некоторых своих концепций (принятие теории тепла и аксиомы сохранения тепла), открыл эту науку, которая была столь же фундаментальной с теоретической точки зрения, сколь и плодотворной с точки зрения практического применения.

Сади Карно сформулировал аргументированное описание теплового двигателя и основные принципы, в соответствии с которыми сегодня проектируется любая электростанция, взрывной или реактивный двигатель. Примечательно, что этот генезис произошел тогда, когда ни один предшественник еще не определил природу и сферу применения этого предмета. Основанный на чисто технических проблемах, таких как улучшение характеристик парового двигателя, интеллектуальный путь Сади Карно является оригинальным и предвещает важные события, произошедшие в этот переломный для современной науки период.

Старший сын Лазаря Карно (1753-1823), известного как «Великий Карно» или «организатор победы», Сади Карно родился в Париже, во дворце Пти-Люксембург, где его отец, один из пяти исполнительных директоров Республики, имел свои служебные апартаменты. Его первое имя происходит от имени персидского поэта Саади из Шираза, которым восхищался его отец.

К моменту рождения Сади Лазарь Карно находился на пике своей карьеры. Математик и инженер, ученик Гаспара Монжа, автор сочинения о машинах вообще (1783), Лазар Карно был также солдатом, вождем людей и революционером. Он был избран в Учредительное собрание 1789 года, а затем в Конвент и голосовал за смерть короля Людовика XVI. Во время войн Французской революции, в Комитете общественной безопасности, он получил прозвище «организатор победы». После членства в Директории он был военным министром Наполеона Бонапарта в течение шести месяцев в 1800 году, а затем министром внутренних дел во время «Ста дней» в 1815 году. В октябре того же года, после поражения Наполеона, он был сослан как цареубийца. Он жил в Бельгии, затем в Польше и Германии, где и умер, так и не вернувшись во Францию.

Его мать, Софи Дюпон (1764-1813), происходила из богатой семьи в Сент-Омере.

У Сади Карно был младший брат, Ипполит Карно (1801-1888), который сделал политическую карьеру: депутат с 1839 по 1848 год, министр образования в 1848 году, он отказался поддержать Вторую империю и снова стал депутатом при Третьей республике, затем был избран в Сенат в 1875 году и членом Академии моральных и политических наук в 1887 году. Сади Карно был дядей Мари Франсуа Сади Карно (также широко известного как Сади Карно), избранного президентом Французской Республики в 1887 году и убитого в 1894 году анархистом Санте Джеронимо Казерио.

Он никогда не женился и не имел потомков.

Ранние годы

После государственного переворота 4 сентября 1797 года Лазар Карно был вынужден покинуть Францию, что продолжалось до января 1800 года, когда он был помилован Бонапартом; в этот период Сади Карно жил со своей матерью в семейном доме в Сент-Омере. В августе 1807 года Лазар Карно, возвращенный к частной жизни в результате подавления Трибуната, решает заняться образованием своих двух сыновей, обучая их математике, естественным наукам, языкам и музыке.

В 1811 году Сади Карно поступил в лицей Шарлемань, в подготовительный класс Пьера-Луи Мари Бурдона, чтобы подготовиться к конкурсным экзаменам в Политехническую школу. Достигнув 1 июня 1812 года минимального возраста 16 лет, Сади Карно смог сдать конкурсные экзамены в августе следующего года, где он был принят 24-м из 179 и зачислен во второе отделение 2 ноября.

Политехник

В 1812-1813 годах курсы функционировали нормально, несмотря на неудачи, постигшие имперские армии. Его учителями были Рейно по анализу, Пуассон по механике, Ашетт по начертательной геометрии, Луи Жак Тенар по общей и прикладной химии, Жан-Анри Хассенфрац по физике и Франсуа Араго по исчислению бесконечно малых и теории машин. В течение этого первого года его также обучали такие люди, как Алексис Пети по физике и Пьер Луи Дюлонг по химии, чьи работы он впоследствии использовал. Кажется, что в октябре 1813 года его даже думали сразу перевести в артиллерийское отделение школы Меца, но в итоге сочли его слишком молодым.

Второй год оказался менее плодотворным в плане обучения. В конце января 1814 года включение студентов в состав трех рот артиллерийского корпуса Национальной гвардии постепенно прервало ход обучения. 29 и 30 марта 1814 года Сади Карно, который был одним из шести капралов в роте, сражался с политехническим батальоном и попал под обстрел в безобидной стычке при обороне форта в Венсенне от союзников; вероятно, это был его единственный боевой опыт. Занятия возобновились 18 апреля, но Сади вернулся только 12 мая. 12 октября 1814 года он был признан годным к государственной службе, заняв 10-е место в общем списке из 65 учеников, оставшихся в его классе. Он занял 5-е место в специальном списке десяти студентов, принятых на военно-инженерное дело в качестве вторых лейтенантов в Школу прикладной артиллерии и военного дела в Меце. Это ознаменовало конец ключевого периода его обучения, на который он сослался при публикации своих «Рефлексий», подписав свою работу «Сади Карно, бывший студент Политехнической школы».

Читайте также, цивилизации — Антанта

Школа Мец

Сади Карно получил звание кадета-инженера 1 октября 1814 года и поступил в Школу Меца в последние дни 1814 года после периода отдыха. В этой престижной прикладной школе, наследнице Королевской инженерной школы Мезьера, он изучал прикладную математику и физику Франсуа-Мари Дюбуа и Жака Фредерика Франса, химию, применяемую к военному искусству, и пиротехнику Шеврёза. Его звание второго лейтенанта 2-го полка саперов, ознаменовавшее окончание школы и фактическое вступление в военную карьеру, датировано 2 апреля 1817 года. Согласно традиции, ему сразу же был предоставлен трехмесячный отпуск, который он продлил до 15 октября 1817 года, большую часть которого он, вероятно, провел в семейном доме в Ноле со своим дядей, генерал-лейтенантом Карно де Фоленсом.

Первые задания

С наступлением мира в 1815 году он был вынужден вести рутинное существование в гарнизоне с небольшими перспективами. Как сын изгнанного республиканского лидера, он считался небезопасным, поэтому было решено, что его место службы будет находиться далеко от Парижа.

Сади Карно регулярно переводили в другое место, он инспектировал укрепления, составлял планы и писал многочисленные отчеты. Но его рекомендации, очевидно, игнорировались; его карьера застопорилась.

Приказом от 6 мая 1818 года был создан королевский штабной корпус и школа подготовки генерального штаба армии. 15 сентября 1818 года Сади Карно был предоставлен шестимесячный отпуск для подготовки к вступительному экзамену в Париже.

Инсталляция в Париже

Приказом от 20 января 1819 года он был принят в парижский генеральный штаб в звании лейтенанта и отправлен в отпуск, получая две трети своего валового жалованья как научный работник. Живя рядом со своим дядей Жозефом в небольшой квартире в районе Марэ, которую он занимал до середины 1831 года, Сади Карно посещал занятия в Сорбонне и Коллеж де Франс, но не в Горной школе, для чего ему требовалось разрешение вышестоящей администрации, которого он так и не попросил, и где он мог бы встретить молодого Эмиля Клапейрона. Он учился в Национальной консерватории искусств и ремесел, где Клеман-Дезормес читал курс химии, применяемой в искусстве, а Жан-Батист Сэй — курс экономики промышленности. Он также часто посещал Сад растений и Королевскую библиотеку, а также музей Лувр и Итальянский театр в Париже. Сади Карно интересуется проблемами промышленности, посещает мастерские и фабрики, изучает теорию газов и новейшие теории политической экономии. Он оставил подробные предложения по актуальным проблемам, таким как налоги, но математика и искусство увлекали его.

Члены кружка, который он посещал, были радикалами и республиканцами, а его самыми близкими друзьями были Николас Клеман и Шарль Дезорм, ученые и промышленные химики, редакторы «Mémoire sur la théorie des machines à feu» и единственные физики, с которыми он действительно контактировал до написания «Рефлексий».

Летом 1820 года Сади снова увидел своего брата Ипполита, который приехал провести несколько дней во Франции и жил с отцом. 23 июня 1821 года военное министерство предоставило ему неоплачиваемый отпуск, чтобы он мог навестить своего отца в Магдебурге. Именно там он и его отец начали интересоваться паровыми машинами, поскольку первая из них была построена в Магдебурге тремя годами ранее. По возвращении в Париж он начал размышлять о том, что стало известно как термодинамика. Его первые важные работы относятся к 1822-1823 годам. Когда в августе 1823 года умер его отец, его брат Ипполит вернулся в Париж и помогал ему с его трудами, «чтобы они были понятны людям, посвятившим себя другим наукам». После своего освобождения Сади держался в стороне от политических течений, привлекавших либеральную молодежь, и его не привлекали организованные научные группы, такие как Парижское философское общество, члены которого стремились вступить в Академию наук. Тем не менее, он принял участие в собрании политехников-индустриалистов, где, судя по всему, выступил с докладом о формуле для представления движущей силы пара.

Читайте также, цивилизации — Ойраты

Конец доступности

В октябре 1824 года штаб-лейтенант проснулся Сади, который выполнял топографические работы на дороге от Куломье до Куи-Пон-о-Дам. В 1825 году он выполнил аналогичную работу на дороге от Вильпаризиса до парома в Гурне-сюр-Марн. 10 декабря 1826 года был подписан указ об организации королевского штабного корпуса, а 31 декабря Сади был прикомандирован к 7-му пехотному полку с гарнизоном в Тионвиле. «Занятый интересующими меня делами, от которых я не мог внезапно отказаться без весьма значительных для меня потерь», Сади получил трехмесячный отпуск с половинным содержанием. 6 марта 1827 года он повторил свою просьбу, указав на свою неприспособленность к службе в пехоте, и добился восстановления в саперах с 25 марта 1827 года и продолжения отпуска, на этот раз без содержания, до 15 сентября 1827 года. После реорганизации штаба он был направлен в Оссонн, бывший опорный пункт в Кот-д»Ор. 27 сентября 1827 года ему было присвоено звание второго капитана инженеров.

Читайте также, биографии — Гесиод

Отставка

21 апреля 1828 года Сади подал прошение об отставке из армии «за ведение моих личных дел и, в частности, за заботу о судебном процессе, в котором я заинтересован, я далек от конца, видя, что мое положение не позволяет мне сегодня выполнять свои обязанности без ущерба для того, чем я владею». 19 мая 1828 года военное министерство приняло его отставку: со времени окончания школы в Меце Сади Карно едва успел пройти пятнадцать месяцев действительной военной службы, включая топографические съемки. Что касается судебного процесса, в котором он, по-видимому, участвовал, то трудно узнать больше, хотя в его записной книжке упоминается имя Жиродо, у которого была адвокатская контора на улице Сент-Анн. Хотя он не достиг статуса деми-сольде, Сади мог теперь вернуться в Париж и посвятить себя жизни в учебе и личных исследованиях.

Крестный отец Сади, его дед по материнской линии Дюпон, после своей смерти в 1807 году оставил ему почти миллион золотых франков, из которых Лазар Карно получил треть. Доля наследства позволила Сади вести тихую жизнь скромного аннуитента, но эта жизнь, лишенная пылкости и динамизма, несомненно, была необходима из-за его слабого здоровья. Когда библиотекарь Амбруаз Фурси спросил его о профессии для своей «Истории Политехнической школы», Сади Карно заявил, что он «строитель паровых машин». Однако его имя не встречается ни в одном списке производителей, например, в том, который ежегодно публикуется в «Альманахе Боттина». Собирался ли он заняться этой профессией, играл ли роль инженера-консультанта, ссужал ли деньги производителю или это была просто шутка? Следует также отметить, что Сади Карно никогда не оформлял патентов и не занимал ни кафедры, ни экзаменационной должности в Центральной школе искусств и производства, созданной в 1829 году и занимавшейся подготовкой инженеров для частной промышленности. 17 августа 1830 года была создана Политехническая ассоциация, объединившая бывших студентов школы, в которую сразу же вступил Сади Карно.

Ордонанс от 10 февраля 1831 года предусматривал создание роты артиллеристов в каждом округе, и «после некоторых мелких преследований, которые иногда были очень незначительными», Сади был принят в 8-ю артиллерийскую роту в звании унтер-офицера или, самое большее, капрала.

В августе 1831 года публикация двух мемуаров Пьера Луи Дюлонга побудила его возобновить работу над физическими свойствами газов. В том же году он перенес приступ скарлатины и тяжело заболел, некоторое время у него наблюдались приступы бреда. В апреле 1832 года «Revue Encyclopédique» сообщила о работе барона Блейна в статье, подписанной S.C., вероятно, Сади Карно. На портрете, который художник Деспуа нарисовал Сади в это время, изображено лицо усталого человека с обеспокоенным взглядом, душевное равновесие которого уже не кажется уверенным.

Состояние здоровья не позволило ему присутствовать на собрании Политехнической ассоциации 20 июня 1832 года, и Ипполит отмечает в своей библиографической заметке, что «чрезмерное увлечение, которому он предавался, сделало его больным к концу июня 1832 года». 3 августа он был помещен в дом престарелых врача-отчужденца Жана-Этьена Эскироля, расположенный по адресу 7, rue de Seine (сегодня rue Lénine), где последний диагностировал манию, т.е. генерализованный бред с возбуждением. Вскоре после этого в регистре дома престарелых в Иври указано: «вылечился от мании, умер 24 августа 1832 года от холеры». Смерть была объявлена в тот же день в ратуше Иври казначеем дома престарелых, очевидно, таким образом, чтобы избежать любого упоминания о ней, как будто он получил инструкции от Ипполита. Ипполит также должен был объявить о смерти в мэрии 12-го округа. Гражданские похороны прошли в условиях почти полной анонимности. Он был похоронен на старинном кладбище Иври-сюр-Сен. После смерти его личные вещи (включая архивы) были сожжены, чтобы предотвратить распространение болезни.

Читайте также, битвы — Мартин V

Научно-технический контекст

Для того чтобы понять книгу Сади Карно и оценить оригинальность работы, необходимо уточнить положение науки и техники в рассматриваемой области во втором десятилетии XIX века.

Когда молодой Сади Карно поступил в Политехническую школу, единственной устоявшейся наукой, основанной на математике, была механика. Химия, электричество, магнетизм и теплота быстро развивались, но не достигли стадии математической абстракции.

Наука о тепле стала возможной благодаря изобретению термометра в XVII веке (в частности, термометра Санторио), но оставалась уделом химиков и медиков. Они выдвинули аксиому о сохранении тепла, которое затем представили в виде субстанции — «калории».

Работы Бенджамина Томпсона (лорда Рамфорда), Пьера-Симона де Лапласа, Жана-Батиста Био, Симеона Дени Пуассона и Жозефа Фурье позволили математикам и физикам проявить интерес к теплоте, особенно к изучению теплопередачи.

В то же время метеорологи все лучше понимали роль тепла в системе ветров или океанических течений, которые рассматривались как великая движущая сила мира. В частности, адиабатическое нагревание и охлаждение воздуха использовалось для объяснения полевых наблюдений, таких как стабильность снежных полей на экваторе.

Первые паровые двигатели практического применения появились в начале XVIII века и работали следующим образом: пар использовался для вытеснения воздуха из цилиндра, который затем охлаждался так, что пар конденсировался, и внешнее атмосферное давление заставляло поршень опускаться. Затем пар вновь наполнял цилиндр, и цикл повторялся (см. машину Томаса Ньюкомена). Эти машины были медленными и непостоянными в работе, но хорошо подходили для откачки воды из шахт. В этом контексте вода была наиболее подходящим рабочим веществом, особенно потому, что при превращении в пар она увеличивается в объеме примерно в 1800 раз.

В 1760-х годах Джеймс Уатт, чтобы устранить расточительный нагрев и попеременное охлаждение цилиндра, конденсировал пар в отдельном холодном цилиндре, или конденсаторе, в то время как основной цилиндр постоянно оставался горячим. Кроме того, он использовал горячий пар для опускания поршня в цилиндр, что еще больше сокращало потери тепла. Уатт заметил, что можно добиться значительной экономии, если прекратить подачу пара до того, как поршень переместится в цилиндр: задержанный пар продолжит движение поршня вниз с немного уменьшающимся давлением. Когда пар проходил в конденсатор, у него оставалась некоторая «упругость» (давление): это называлось расширением. С другой стороны, Джеймс Уатт никогда не верил в машины высокого давления, которые он считал слишком опасными для повседневного использования; его влияние было таково, что этот тип машин получил реальное развитие только после его смерти.

В 1805 году корнуоллский инженер Артур Вульф запатентовал паровой двигатель высокого давления с двумя последовательными цилиндрами (двойное соединение) для достижения полного расширения пара: преимущество этого принципа заключается в уменьшении амплитуды нагрева и охлаждения каждого из цилиндров и, следовательно, в экономии топлива при увеличении производительности. Джейкоб Перкинс, американский инженер, показал, что можно построить паровой двигатель, работающий при давлении, близком к 35 атмосферам. Сади Карно высоко оценил эту работу, но отметил, что у этого двигателя был недостаток — неправильное использование принципа расширения Джеймса Уатта.

Карно, как и его современники, был сильно впечатлен промышленным превосходством Англии над Францией, которое он объяснял широким использованием парового двигателя. С 1811 по 1840 год об искусстве откачки воды из корнуэльских шахт регулярно сообщалось в «Monthly Engine Reporter» под редакцией Томаса и Джона Лина и повторялось в таких изданиях, как «Annals of Chemistry and Physics». Эти записи определенно подтверждали превосходство машин высокого давления. Более того, к 1820 году большинство инженеров были убеждены, что существует определенный предел количества работы, которую можно выполнить при заданном количестве тепла.

Эти данные, настоящие эфемериды, имели то преимущество, что позволяли перевести действие различных насосных машин простым способом и непосредственно в единицы работы (вес воды и высота, на которую она была поднята). Сади Карно был вдохновлен этим в своих размышлениях об основных принципах работы тепловых машин.

К началу 19 века паровой двигатель был усовершенствован настолько, что некоторые люди уже осознавали пределы его совершенствования. Инженер по имени А. Р. Бувье в 1816 году заявил, что для дальнейшего совершенствования потребуются математика и физика, а не только механические усовершенствования.

В то время шотландский инженер Эварт утверждал, что данное количество тепла в идеале может произвести только данное количество работы.

Бурхааве заметил, что система, образованная телами с разными температурами, стремится к тепловому равновесию и что изолированное тело никогда самопроизвольно не нагревается.

Наконец, Жозеф Фурье в 1817 году указал, что лучистое тепло должно подчиняться синусоидальному закону излучения. Его демонстрация того, что отказ от этого закона приведет к признанию возможности вечного двигателя, была, вероятно, первым использованием подобных рассуждений за пределами галилеевской механики. Следует отметить, что Сади Карно использовал это же рассуждение во второй части «Рефлексий» с теоремой о максимальной эффективности.

Читайте также, история — Болейн, Анна

Публикация

Работа, состоящая из 118 страниц и пяти рисунков, была опубликована на условиях самоиздания А-Ж-Е Гироде Сент-Аме (X 1811) с упоминанием дома Башелье и отпечатана тиражом 600 экземпляров. Несмотря на несомненную ясность стиля, за серией тонких рассуждений, изложенных автором, трудно уследить, поскольку он намеренно отказался от алгебраического языка в тексте, ограничившись несколькими сносками. Если автор намерен ввести новые понятия, он использует лексику современных физиков своего времени: закон, движущая сила и не употребляет термины циклы, адиабатическое или обратимое преобразование, даже если апеллирует к обозначаемым ими понятиям. С точки зрения содержания, в книге Сади Карно удобно выделить четыре части, и хотя текст не содержит делений, автор следует очень напористому плану, маскируя свои переходы короткими связующими фразами, в соответствии с риторической практикой того времени.

Тепловая и движущая сила

Первая часть содержит философское изложение области, охватываемой наукой о тепле, рассматриваемой с совершенно новой точки зрения: тепло как движущий агент. В своей книге Карно не рассматривает природу тепла; его не интересуют ни нагревание и охлаждение различных тел, ни условия, при которых передается тепло, как это делали Жозеф Фурье и его последователи. Его также не интересовали химические и физиологические эффекты тепла.

Его интересовало тепло как причина великих природных движений, происходящих на земле, система ветров, океанические течения…; в этом отношении он преувеличивал его значение. Тем не менее, Сади Карно знал, и, кажется, первым сделал это замечание, что эффективность самых лучших и мощных паровых машин ничтожна по сравнению с огромными механическими эффектами, производимыми теплом в мире природы.

Сади Карно способен на философский взгляд, опираясь как на свои знания о работе паровых машин, так и на опыт в метеорологии или геофизике. Судя по учебникам того времени, маловероятно, что любой другой инженер смог бы это сделать, равно как и физик: первые не были бы заинтересованы в таком абстрактном обобщении, а вторые не особенно интересовались бы движущей силой. Только лорд Румфорд несколькими годами ранее, отметив значительное выделение тепла при расточке пушек, пришел к выводу, что работа может быть преобразована в тепло и что эти два понятия происходят из одной и той же сущности.

Эта предварительная часть «Размышлений» содержит фундаментальную идею о том, что везде, где есть разница температур, есть возможность генерировать движущую силу — идею, которая играет центральную роль в термодинамике. Не менее важно и следствие из нее: невозможно генерировать движущую силу, если нет ни холодного, ни горячего тела. Это можно считать первым утверждением второго закона термодинамики, известного также как принцип Карно, пусть и в неточной форме.

Вероятно, в то время Сади Карно руководствовался идеей, что наиболее эффективными гидравлическими машинами являются те, которые используют наибольший напор воды: он видел в этом аналогию, со всеми нюансами, которые делают разницу со строгим сходством, между этой высотой и разницей температур для тепловых двигателей. Однако если изучение опубликованных в Monthly Engine Reporter данных о работе двигателей высокого давления не подтвердило эти рассуждения, то его интуиция оказалась верной.

Идеальный цикл идеального двигателя

Во второй части дается определение идеального двигателя и его идеального рабочего цикла. Для этого он представляет себе идеальную машину, обычно называемую машиной Карно, которая может легко обмениваться теплом попеременно с горячим и холодным телом (рис. 6). В его исследовании тепловой двигатель строго сведен к его основным элементам:

Карно подтверждает, что именно разница температур между горячим и холодным телами, а не разница давлений, испытываемых действующим веществом, определяет работу, совершаемую двигателем. Похоже, что этой важной идеей он обязан своим друзьям Клеману и Дезорму.

Идеальный цикл подчиняется такому условию: вещество, действующее в цилиндре, никогда не должно соприкасаться с телом холоднее или горячее себя, чтобы не было излишнего теплового потока. Интересно отметить, что это условие соответствует тем, которые его отец указал для определения максимального КПД гидравлических машин.

Все изменения температуры должны быть вызваны расширением или сжатием рабочего вещества. Первоначально сжатое до высокого давления рабочее вещество свободно расширяется: оно толкает поршень и отбирает тепло от горячего тела, с которым соприкасается цилиндр (рис. 1). Затем цилиндр удаляется от горячего тела, и вещество продолжает расширяться адиабатически, так что его температура снижается до тех пор, пока не сравняется с температурой холодного тела (рис. 2). Эта часть цикла соответствует операции «расширения» машины Джеймса Уатта, но теперь окончание расширения отмечается температурой холодного тела, а не давлением в конденсаторе. Затем цилиндр приводится в контакт с холодным телом, и рабочее вещество сжимается, тепло «изгоняется» из него (и сжатие продолжается, так что рабочее вещество нагревается адиабатически (рис. 4). В результате происходит только передача тепла от горячего тела к холодному и совершение внешней работы; рабочее вещество возвращается в исходное состояние, и тепло не тратится.

Читайте также, биографии — Сезанн, Поль

Обратимость цикла Карно

Сади Карно отмечает, что цикл является абсолютно обратимым: двигатель может работать в обратном направлении, и тогда чистым результатом будет потребление работы, равной работе, произведенной при работе в прямом направлении, и передача того же количества тепла, но в этом случае от холодного тела к горячему. Обратимость цикла возможна потому, что ни в одной точке цикла нет ненужного потока тепла. Если бы такой поток существовал, двигатель не был бы обратимым. Теперь обратимый двигатель — это тот, который дает наилучший возможный КПД, и Карно, исходя из невозможности вечного двигателя, пришел к выводу, что пар, по крайней мере, столь же удовлетворителен, как и любое другое действующее вещество. Когда он заявил, что это теоретически верно, инженеры того времени восприняли это как абстрактное подтверждение того, что они узнали на практике.

Читайте также, биографии — Демокрит

Приложения к физике газов

В третьей части Сади Карно показывает, что тот факт, что все идеальные тепловые двигатели имеют одинаковый КПД, независимо от того, какой газ или пар используется, имеет фундаментальные последствия для физики газов. Карно показывает, что все газы, расширяющиеся или сжимающиеся от одного давления и объема до другого давления и объема при постоянной температуре, либо поглощают, либо выделяют одинаковое количество тепла. Он также может вывести соотношения между удельными теплотами газов, т.е. удельной теплотой при постоянном давлении и удельной теплотой при постоянном объеме. В сноске, которая была пропущена ранними комментаторами, он предполагает, что КПД идеального теплового двигателя может быть основой для абсолютной температурной шкалы.

Интуиция воздушного двигателя

В последней части книги Сади Карно отмечает, что превосходство паровых двигателей высокого давления неоспоримо, поскольку они используют больший перепад температур, чем двигатели низкого давления. Карно признает, что огромное преимущество воды как источника пара — тот факт, что она сильно расширяется в очень небольшом диапазоне температур — сделало возможным создание раннего парового двигателя. Однако он приходит к замечательному выводу, что это преимущество сделает воду менее пригодной для теплового двигателя будущего. Действительно, огромное увеличение давления при очень небольшом повышении температуры выше 100 °C делает практически невозможным работу во всем диапазоне температур — от температуры сгорания угля до температуры конденсации холодной воды.

В результате Сади Карно предсказал, что после решения различных технических проблем, связанных со смазкой и сгоранием, самым эффективным двигателем, вероятно, станет воздушный двигатель.

Приемка работы

Работа была хорошо принята, в том числе Академией наук, которой Пьер-Симон Жирар, директор научного журнала, представил работу Карно на заседании 14 июня 1824 года, дополнив ее аналитическим отчетом в устной форме перед своими коллегами 26 июля. Очевидно, что презентация в Академии в форме мемуаров, несомненно, привлекла бы больше внимания к работе Сади Карно в научном сообществе, а публикация в «Recueil des Savants étrangers» стала бы естественным продолжением. Таким образом, ни «великая французская наука» в лице Института Франции, ни знаменитая Политехническая школа не отреагировали на публикацию работы Карно, поскольку не до конца осознали ее значение. Со своей стороны, Карно, у которого, очевидно, не было чувства публичности, не послал экземпляр в библиотеки Школы рудников и Школы понтов и шоссейных дорог, тем самым лишив себя избранной аудитории, так же как он не послал рецензию в «Анналы химии и физики» или «Анналы рудников». Более того, следует отметить, что, несмотря на ограниченный тираж, некоторые непроданные экземпляры были найдены неразрезанными.

Со стороны инженеров только академик Пьер-Симон Жирар дал восторженный отзыв. К моменту появления «Рефлексий» инженеры уже убедились на собственном опыте, что пар, по крайней мере, столь же удовлетворителен, как и любое другое активное вещество. Когда Карно заявил, что это теоретически верно, это было воспринято не более чем абстрактное подтверждение.

Более того, его объяснения превосходной эффективности паровых машин высокого давления были основаны на данных, опубликованных в Monthly Engine Reporter, и на показателях двигателей Woolf, работающих за счет расширения высокого давления, которые были построены во Франции Хамфри Эдвардсом. Однако эти показатели, вероятно, были больше связаны с суммой улучшений деталей, чем с реальным термодинамическим преимуществом. Поэтому Сади Карно был не прав, ссылаясь на превосходство паровых машин высокого давления в поддержку своих фундаментальных теорий.

За исключением Николя Клеман-Дезорма, который, как следует из лекции, прочитанной 25 января 1825 года, рекомендовал своим слушателям прочитать эту книгу, физики и другие ученые, несомненно, были сбиты с толку фундаментальными рассуждениями, основанными на принципах паровой машины.

Только в 1834 году Эмиль Клапейрон опубликовал в журнале Политехнической школы статью, в которой показал, как идеи Сади Карно можно выразить математически, подчеркнув при этом их объяснительную ценность, и только после переиздания «Рефлексий» тем же автором, дополненного его комментариями, Сади Карно постепенно начал оказывать влияние на научное сообщество.

Именно благодаря этому Уильям Томсон узнал о работе Карно в 1851 году. В длинной серии статей Томсон и Рудольф Клаузиус, начиная с 1850 года, изложили принцип сохранения энергии (а больше не тепла) как базовую основу термодинамики. Чтобы признать вклад Рудольфа Клаузиуса, принцип Карно получил название принципа Карно — Клаузиуса. Этот принцип позволяет определить максимальный КПД тепловой машины как функцию температур ее горячего и холодного источников, КПД, который варьируется между 8% и 30% в зависимости от конструкции машин.

Остается вопрос: почему Сади Карно ничего не опубликовал в течение восьми лет между публикацией «Рефлексий» и своей смертью? Хотя можно выдвинуть несколько объяснений, наиболее вероятная причина заключается в том, что он больше не был уверен в своих теориях и оказался не в состоянии создать новую теорию тепла. С калорией Сади Карно столкнулся с одним из самых сложных эпистемологических препятствий, преодолеть которое было дорого Гастону Башелару: субстанциализмом, то есть однообразным объяснением физических свойств веществом.

Среди его посмертных трудов сохранилась рукопись под названием Recherche d»une formule propre à représenter la puissance motrice de la vapeur d»eau, написанная между ноябрем 1819 и мартом 1827 года, но, вероятно, после «Размышлений». В ней он набросал первый закон термодинамики, пытаясь прояснить связь между работой и теплом. Эта заметка была окончательно опубликована в 1878 году, то есть слишком поздно, чтобы повлиять на развитие науки, Ипполитом Карно в томе, изданном в память о его брате, в который он вставил «Биографическую заметку о Сади Карно». Несомненно, именно весной 1832 года Сади открыл принцип эквивалентности и в кратких заметках изложил выводы длинного мемуара, который был окончательно уничтожен Ипполитом. Эти заметки, также опубликованные в 1878 году, показывают, что к тому времени он отказался от теории калорийности, которая все еще пронизывала его эссе 1824 года и в отношении которой он уже выражал сомнения в «Размышлениях». Похоже, он признал, что тепло — это не более чем движущая сила (сегодня мы бы сказали энергия), предложив численное значение механического эквивалента тепла с точностью до 2%, что на десять лет опередило Юлиуса Роберта фон Майера и, очевидно, было получено с большей научной точностью.

Для подтверждения своих достижений он набросал подробные эксперименты, которые сегодня мы бы назвали экспериментами с постоянной энтальпией, подобно экспериментам Бенджамина Томпсона. Но в отличие от Томпсона, он намеревался измерить проделанную работу и полученное тепло, варьируя при этом используемые материалы. В этом смысле он очень надеялся найти постоянный механический эквивалент тепла, который будет иметь одно и то же значение для всех экспериментов. Он также планировал проводить измерения с использованием газов и жидкостей для расчета механического эквивалента тепла.

Трудно сказать, смог ли бы он провести эти эксперименты удовлетворительно. История термодинамики должна была еще пройти, прежде чем была создана теория, поэтому трудности, которые ему пришлось бы преодолеть, трудно недооценить.

Также необходимо было убедить, в частности, огромное количество химиков и всех тех, кто занимался исследованиями в области электричества: все они были глубоко привязаны к теории калорийности. Наконец, только Джеймс Прескотт Джоуль окончательно сформулировал динамическую теорию тепла. Семь лет отделяли его первую публикацию (1843 год) от публикации Рудольфа Клаузиуса, который привел динамическую теорию тепла (Джоуля) в соответствие с теориями Сади Карно.

В конце концов, к сожалению, но, к сожалению, вероятно, что Сади Карно умер, считая, что потерпел неудачу, тогда как на самом деле он просто основал обширную и фундаментальную отрасль науки со сложной структурой, термодинамику, которая связывает физику, химию, биологию и даже космологию.

Влияние работ Лазаря Карно на работы его сына

Для историка науки возникает несколько вопросов относительно связи между работами этих двух инженеров:

Работа по синтезу

По мнению Д.С.Л. Кардуэлла, книга Сади Карно, хотя и гораздо менее известная, чем «De revolutionibus orbium coelestium» Коперника, имеет сопоставимое значение в истории современной науки, поскольку она заложила основы совершенно новой дисциплины — термодинамики.

Тем не менее, работа Карно имеет оригинальное измерение. Коперник работал в четко определенной и признанной дисциплине; он мог опираться на наследие размышлений и наблюдений, накопленных за два тысячелетия (эфемериды). Сади Карно, с другой стороны, пришлось синтезировать различные научные и технические дисциплины. Для этого ему пришлось отбирать данные для изучения, строить теории на основе понятий, законов и принципов, взятых из наук о тепле и механике, которые все еще были разделены, из технологий, находящихся в стадии развития, таких как пар, или уже более устоявшихся, таких как гидравлика, но также все еще не связанных между собой. Более того, в 1824 году он один увидел необходимость в этой новой науке, как для ее практического применения, так и по более фундаментальным причинам.

Карнавальная революция

С более общей точки зрения, работа Сади Карно положила начало тому, что Жак Гриневальд называет революцией Карно, которая привела к переходу к термоиндустриальному обществу с массовым использованием ископаемой энергии (угля, а затем нефти). С этого момента сила огня позволила появиться новой машине, построенной на основе двигателя, что стало бифуркацией в истории инструмента. Она позволяет вытеснить движущую силу человека, животного, обычных природных элементов, таких как ветер и вода, придать смысл старому коллективному представлению одушевленных существ, от Гефеста до электрического призрака Хадалы. В то же время, эта движущая сила огня нарушит вековую связь между технологией и непосредственным географическим окружением, с беспрецедентным развитием сетей и потоков и географической концентрацией оборудования, которая становится возможной благодаря делокализации этой силы.

Оценка и последствия

Сади Карно открыл два закона, на которых основана вся наука об энергии, несмотря на препятствия, которые казались непреодолимыми. Он продемонстрировал исключительную силу своей интуиции, сформулировав свои законы, когда фактов было недостаточно, их точность была грубой, и особенно когда прогресс зарождающейся науки сдерживался ошибочной теорией неразрушимой калории.

Он интуитивно решил, что паровая машина похожа на старую водяную мельницу, которая производит энергию, сбрасывая воду с высокого уровня на более низкий, что она производит энергию, сбрасывая тепло с высокой температуры котла на более низкую температуру конденсатора. Он чувствовал, что эта разница температур — явление очевидное, но что само падение тепла гораздо менее очевидно, и он был осторожен в своем законе, чтобы падение температуры играло существенную роль. Сегодня мы бы сказали, что он догадался, что существует разница между теплообразующей энергией и теплом, падающим, как вода с мельницы. Мы знаем, что после его книги потребовалось 40 лет, чтобы определить энтропию по количеству тепла как эквивалент воды с мельницы, и мы восхищаемся тем, что он избежал этой каверзной проблемы и в итоге первым отверг калорическую теорию.

Благодаря своему универсальному охвату его работа, вероятно, является уникальной в истории современной науки, и в этом смысле Николя Леонард Сади Карно, безусловно, был одним из самых проницательных и оригинальных мыслителей, созданных нашей цивилизацией.

Для некоторых он останется «метеором в истории науки», необычной фигурой, для которой «с помощью листа бумаги, карандаша и ума создать основу новой науки — это достойно восхищения». «Смерть великих людей оставляет столько же сожалений, сколько и новых надежд.

В 1970 году Международный астрономический союз назвал лунный кратер Карно в честь французского физика, а позже астероид (12289) Карно.

В его честь назван метод Карно — процедура распределения эксергии для оценки продуктов когенерации и расчета физической стоимости тепловой мощности.

В 2006 году во Франции был создан лейбл Карно для развития взаимодействия между государственными исследованиями и социально-экономическими субъектами в ответ на их потребности: это посвящение отдает должное тому, что Сади Карно привнес в фундаментальную физику, исследуя очень прикладной вопрос.

Внешние ссылки

Источники

Sadi Carnot (physicien)
Карно, Сади
Sadi est le seul prénom mentionné pour l’état civil, Nicolas et Léonard étant des prénoms de baptême.
Bachelard 1993.
^ (US) M. Hippolyte Carnot, Life of Sadi Carnot , Second revised edition, John Wiley & Sons, 1897
^ (FR) Autori vari, Sadi Carnot et l»essor de la thermodynamique, CNRS Éditions 1 Septembre 1998 ISBN 2-222-01818-8
^ È possibile arrivare a questo risultato partendo dalla legge di Gay-Lussac (Charles): V i : T i = V : T {displaystyle V_{i}:T_{i}=V:T} ponendo come suggerisce il trattato stesso T i = 273 {displaystyle T_{i}=273} K (0 °C) e T = 274 {displaystyle T=274} K (1 °C), sviluppando i calcoli si avrà che Δ V = 1 273 {displaystyle Delta V={1 over 273}} pari a 0,003663. Tuttavia negli anni in cui Carnot compose l»opera, l»equivalenza assunta era 0 °C = 267 K sviluppando i calcoli con questi nuovi dati si ottiene Δ V = 1 267 {displaystyle Delta V={1 over 267}} a cui si deve sommare la precedente compressione di 1 116 {displaystyle {1 over 116}} .
^ Con l»equazione di Poisson per le trasformazioni adiabatiche, ricavate partendo dalla teoria del suono, si ha che: T 1 V 1 γ − 1 = T 2 V 2 γ − 1 {displaystyle T_{1}V_{1}^{gamma -1}=T_{2}V_{2}^{gamma -1}} dove γ = 7 5 {displaystyle gamma ={7 over 5}} per un gas biatomico come l»aria. Sostituendo a T 1 = 0 {displaystyle T_{1}=0} °C = 267 {displaystyle =267} K ed a T 2 = T 1 + 1 {displaystyle T_{2}=T_{1}+1} = 268 {displaystyle =268} K si ricava che: V 2 = ( 267 268 ) 5 2 ⋅ V 1 ⟶ ( 267 268 ) 5 2 = 0 , 99609 {displaystyle V_{2}=({267 over 268})^{5 over 2}cdot V_{1}longrightarrow ({267 over 268})^{5 over 2}=0,99609} Si trova dunque che il rapporto fra il volume finale e quello iniziale, affinché il gas aumenti di temperatura di 1 K, è 0,99609. Carnot aveva ottenuto il valore 115 116 = 0 , 99137 {displaystyle {115 over 116}=0,99137} (al tempo di Carnot si considerava 0 °C = 267 K anziché 273 K)
^ Bachelard, Gaston. The Formation of the Scientific Mind.
^ «Sadi Carnot — Biography». Maths History. Retrieved 2022-06-02.
2,0 2,1 MacTutor History of Mathematics archive. Ανακτήθηκε στις 22 Αυγούστου 2017.
Sadi Carnot et l»esor de la thermodynamique, CNRS Éditions
Thomass, T (2003). «Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832)» (PDF). Université de Technologie de Compiègne. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 15 Φεβρουαρίου 2017. Ανακτήθηκε στις 26 Ιανουαρίου 2019.
Chisholm 1911.