Nicolas Léonard Sadi Carnot

Zusammenfassung

Nicolas Léonard Sadi Carnot war ein französischer Physiker und Ingenieur, der am 1. Juni 1796 in Paris geboren wurde und am 24. August 1832 in Ivry-sur-Seine oder Paris starb.

Während seiner kurzen Karriere (er starb im Alter von 36 Jahren an der Cholera) veröffentlichte Sadi Carnot (wie Kopernikus) nur ein einziges Buch: Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, 1824, in dem er im Alter von 27 Jahren das zum Ausdruck brachte, was sich als sein Lebenswerk und ein wichtiges Buch in der Geschichte der Physik herausstellte.

In diesem Werk legte er den Grundstein für eine völlig neue Disziplin, die Thermodynamik. Damals gab es den Begriff übrigens noch nicht, William Thomson erfand ihn Mitte des 19. Jahrhunderts. Jahrhunderts. Dennoch war es Sadi Carnot, der trotz der Ungenauigkeit einiger seiner Konzepte (seine Akzeptanz der Kalorik-Theorie und des Axioms der Wärmeerhaltung) diese Wissenschaft entdeckte, die sowohl theoretisch grundlegend als auch in der praktischen Anwendung fruchtbar ist.

Sadi Carnot formulierte die begründete Darstellung der Wärmekraftmaschine und die Grundprinzipien, nach denen heute jedes Kraftwerk, jedes Automobil und jedes Strahltriebwerk konzipiert ist. Noch bemerkenswerter ist, dass diese Entstehung zu einem Zeitpunkt stattfand, als noch kein Vorgänger die Art und den Umfang des Themas definiert hatte. Indem er sich auf rein technische Anliegen wie die Verbesserung der Leistung der Dampfmaschine stützte, war Sadi Carnots intellektueller Weg originell und kündigte wichtige Entwicklungen an, die in dieser für die moderne Wissenschaft entscheidenden Zeit stattfanden.

Sadi Carnot wurde als ältester Sohn von Lazare Carnot (1753-1823), genannt „der Große Carnot“ oder „der Organisator des Sieges“, in Paris im Palais du Petit-Luxembourg geboren, wo sein Vater, einer der fünf Exekutivdirektoren der Republik, seine Dienstwohnungen hatte. Sein Vorname stammt von dem Namen des persischen Dichters Saadi aus Shiraz, der von seinem Vater sehr bewundert wurde.

Als Sadi geboren wurde, befand sich Lazare Carnot auf dem Höhepunkt seiner Karriere. Der Mathematiker und Ingenieur, Schüler von Gaspard Monge und Autor eines Essai sur les machines en général (1783), war auch Soldat, Anführer und Revolutionär. Er wurde 1789 in die Verfassungsgebende Versammlung und später in den Konvent gewählt und stimmte für den Tod von König Ludwig XVI. Während der Kriege der Französischen Revolution, im Komitee für öffentliche Rettung, erwarb er sich seinen Spitznamen „Organisator des Sieges“. Nachdem er Mitglied des Direktoriums gewesen war, war er 1800 sechs Monate lang Kriegsminister unter Napoleon Bonaparte und 1815 Innenminister während der Hundert Tage. Im Oktober desselben Jahres, nach Napoleons Niederlage, wurde er als Königsmörder ins Exil geschickt. Er lebte in Belgien, dann in Polen und in Deutschland, wo er starb, und kehrte nie nach Frankreich zurück.

Seine Mutter, Sophie Dupont (1764-1813), stammte aus einer wohlhabenden Familie in Saint-Omer.

Sadi Carnot hatte einen jüngeren Bruder, Hippolyte Carnot (1801-1888), der eine politische Karriere einschlug: Er war von 1839 bis 1848 Abgeordneter, 1848 Unterrichtsminister, weigerte sich, das Zweite Kaiserreich zu unterstützen, und wurde in der Dritten Republik erneut Abgeordneter. 1875 wurde er zum unabsetzbaren Senator und 1887 zum Mitglied der Académie des sciences morales et politiques (Akademie für Moral- und Politikwissenschaften) gewählt. Sadi Carnot ist der Onkel von Marie François Sadi Carnot (auch Sadi Carnot genannt), der 1887 zum Präsidenten der Französischen Republik gewählt und 1894 von dem Anarchisten Sante Geronimo Caserio ermordet wurde.

Er heiratete nie und hatte keine Nachkommen.

Junge Jahre

Nach dem Staatsstreich vom 4. September 1797 musste Lazare Carnot ins Ausland gehen, eine Situation, die bis Januar 1800 andauerte, als er von Bonaparte begnadigt wurde; während dieser Zeit lebte Sadi Carnot mit seiner Mutter im Haus der Familie in Saint-Omer. Im August 1807 beschloss Lazare Carnot, der durch die Abschaffung des Tribunats wieder ins Privatleben zurückgekehrt war, sich selbst um die Erziehung seiner beiden Söhne zu kümmern und sie in Mathematik, Naturwissenschaften, Sprachen und Musik zu unterrichten.

1811 trat Sadi Carnot in die Vorbereitungsklasse von Pierre-Louis Marie Bourdon am Lycée Charlemagne ein, um sich auf die Aufnahmeprüfung für die École polytechnique vorzubereiten. Nachdem er am 1. Juni 1812 das erforderliche Mindestalter von 16 Jahren erreicht hatte, konnte Sadi Carnot im darauffolgenden August an der Prüfung teilnehmen, bei der er als 24. von 179 Bewerbern bestanden hatte und am 2. November in die zweite Division aufgenommen wurde.

Polytechniker

In den Jahren 1812-1813 funktionierte der Unterricht trotz der Rückschläge, die die kaiserlichen Armeen erlitten, normal. Seine Lehrer hießen Reynaud für Analyse, Poisson für Mechanik, Hachette für Darstellende Geometrie, Louis Jacques Thénard für allgemeine und angewandte Chemie, Jean-Henri Hassenfratz für Physik und François Arago für Infinitesimalrechnung und Maschinentheorie. In diesem ersten Jahr hatte er auch Männer wie Alexis Petit für Physik oder Pierre Louis Dulong für Chemie als Repetitoren, deren Arbeiten er später benutzte. Man scheint sogar daran gedacht zu haben, ihn im Oktober 1813 sofort in die Artillerieabteilung der Schule in Metz zu versetzen, hielt ihn aber letztlich für zu jung.

Das zweite Jahr sollte sich in Bezug auf den Unterricht als weniger erfolgreich erweisen. Ende Januar 1814 wurden die Schüler in drei Kompanien des Artilleriekorps der Nationalgarde eingegliedert, wodurch der Unterricht allmählich unterbrochen wurde. Am 29. und 30. März 1814 kämpfte Sadi Carnot, der einer der sechs Unteroffiziere der Kompanie war, mit dem Bataillon der Polytechniker und geriet bei der Verteidigung des Forts Vincennes gegen die Alliierten bei einem harmlosen Scharmützel ins Feuer; dies war wahrscheinlich seine einzige Schlachtenerfahrung. Der Unterricht wurde am 18. April wieder aufgenommen, aber Sadi kehrte erst am 12. Mai zurück. Am 12. Oktober 1814 wurde er für den öffentlichen Dienst zugelassen und belegte den 10. Platz auf der allgemeinen Liste der 65 Schüler, die in seinem Jahrgang verblieben waren. Auf der besonderen Liste der zehn Schüler, die als Unterleutnants an der École d“application de l“artillerie et du génie in Metz in den militärischen Pionierdienst aufgenommen wurden, wurde er als Fünfter eingestuft. Damit endete eine Schlüsselperiode in seiner Ausbildung, auf die er sich bei der Veröffentlichung der Réflexions bezog, indem er sein Werk mit „Sadi Carnot, ancien élève de l“école polytechnique“ unterzeichnete.

Schule in Metz

Sadi Carnot erhielt am 1. Oktober 1814 sein Patent als Ingenieuroffiziersschüler und trat in den letzten Tagen des Jahres 1814 nach einem Erholungsurlaub in die École de Metz ein. In dieser renommierten Ausbildungsstätte, die auf die königliche Ingenieurschule von Mézières zurückgeht, besuchte er die Kurse für angewandte Mathematik und Physik von François-Marie Dubuat und Jacques Frédéric Français sowie für angewandte Chemie der militärischen Künste und Pyrotechnik von Chevreuse. Sein Patent als Oberleutnant im 2. Sappeurregiment, das seinen Abgang von der Schule und seinen tatsächlichen Eintritt in die militärische Laufbahn markiert, ist auf den 2. April 1817 datiert. Der Tradition entsprechend erhielt er sofort einen dreimonatigen Urlaub, den er bis zum 15. Oktober 1817 verlängerte und den er wahrscheinlich größtenteils im Haus seiner Familie in Nolay bei seinem Onkel, dem Generalleutnant des Ingenieurwesens Carnot de Feulins, verbrachte.

Erste Einsätze

Mit dem Friedensschluss 1815 wurde er zu einem routinemäßigen Garnisonsleben mit wenig Perspektiven gezwungen. Als Sohn eines exilierten republikanischen Führers galt er als unsicher, weshalb man dafür sorgte, dass sein Dienstort nicht in der Nähe von Paris lag.

Sadi Carnot wurde regelmäßig versetzt, er inspizierte Befestigungsanlagen, zeichnete Pläne und verfasste zahlreiche Berichte. Doch seine Empfehlungen wurden, wie es scheint, ignoriert; seine Karriere stagnierte.

Mit der Verordnung vom 6. Mai 1818 wird ein königliches Stabskorps und eine Anwendungsschule für den Dienst des Generalstabs der Armee gebildet. Am 15. September 1818 wurde Sadi Carnot für sechs Monate beurlaubt, um sich auf die Aufnahmeprüfung in Paris vorzubereiten.

Niederlassung in Paris

Mit Verordnung vom 20. Januar 1819 wurde er im Rang eines Leutnants in den Generalstab von Paris aufgenommen und in den Wartestand versetzt, wo er als wissenschaftlicher Arbeiter zwei Drittel des Bruttosolds erhielt. Sadi Carnot wohnte neben seinem Onkel Joseph in einer kleinen Wohnung im Arbeiterviertel Marais, die er bis Mitte 1831 bewohnte, und besuchte Vorlesungen an der Sorbonne und am Collège de France, nicht aber an der École des mines, für die er eine Genehmigung der obersten Verwaltungsbehörde benötigte, die er nie beantragte, und wo er den jungen Émile Clapeyron hätte kennenlernen können. Er war Schüler am Conservatoire national des arts et métiers, wo Clément-Desormes einen Kurs über angewandte Chemie in den Künsten und Jean-Baptiste Say einen Kurs über Industrieökonomie abhielten. Er besuchte auch den Jardin des plantes und die Bibliothèque du roi, aber auch das Louvre-Museum und das Théâtre italien de Paris. Sadi Carnot interessiert sich für industrielle Probleme, besucht Werkstätten und Fabriken, studiert die Gastheorie und die neuesten Theorien der politischen Ökonomie. Er hinterlässt detaillierte Vorschläge zu alltäglichen Problemen wie Steuern, aber Mathematik und Kunst begeistern ihn.

Die Mitglieder des Kreises, in dem er verkehrte, waren radikaler und republikanischer Gesinnung, und seine engsten Freunde waren Nicholas Clément und Charles Desormes, Männer der Wissenschaft und Industriechemiker, Verfasser eines „Mémoire sur la théorie des machines à feu“ und die einzigen Physiker, mit denen er vor der Abfassung der Réflexions tatsächlich Kontakt aufnahm.

Im Sommer 1820 sieht Sadi seinen Bruder Hippolyte wieder, der für ein paar Tage nach Frankreich gekommen war und bei seinem Vater lebte. Am 23. Juni 1821 gewährt ihm das Kriegsministerium unbezahlten Urlaub, damit er seinen Vater im Exil in Magdeburg besuchen kann. Dort begann er sich gemeinsam mit seinem Vater für Dampfmaschinen zu interessieren, da in Magdeburg drei Jahre zuvor die erste Maschine gebaut worden war. Nach seiner Rückkehr nach Paris begann er mit seinen Überlegungen zur späteren Thermodynamik. Seine ersten wichtigen Arbeiten stammen aus den Jahren 1822-1823. Nach dem Tod seines Vaters im August 1823 kehrte sein Bruder Hippolyte nach Paris zurück und half ihm bei der Abfassung seiner Schriften, „um sicherzustellen, dass sie von Personen verstanden werden, die sich anderen Studien widmen“. Seit seiner Versetzung in den Ruhestand hielt sich Sadi von den politischen Strömungen fern, die die liberale Jugend anzogen, und schien sich auch nicht von organisierten wissenschaftlichen Gruppierungen wie der Société philomathique de Paris angezogen zu fühlen, deren Mitglieder Ambitionen hegten, in die Académie des Sciences aufzusteigen. Er nahm jedoch an einem Treffen von Polytechnikern und Industriellen teil, wo er über eine Formel zur Darstellung der Antriebskraft von Wasserdampf referierte.

Ende der Verfügbarkeit

Im Oktober 1824 erwachte der Stabsleutnant in Sadi, der eine topografische Arbeit auf der Straße von Coulommiers nach Couilly-Pont-aux-Dames durchführte. Im Jahr 1825 führt er eine ähnliche Arbeit auf der Straße von Villeparisis zur Fähre von Gournay-sur-Marne durch. Am 10. Dezember 1826 wurde die Verordnung über die Organisation des königlichen Stabskorps unterzeichnet und am 31. Dezember wurde Sadi zum Gefolge des 7. Infanterieregiments abkommandiert, das in Thionville garnisoniert war. „Engagiert in Angelegenheiten von Interesse, die ich nicht plötzlich ohne für mich sehr empfindliche Verluste aufgeben könnte“, erhielt Sadi einen dreimonatigen Urlaub mit halbem Sold. Am 6. März 1827 wiederholte er seinen Antrag, machte seine geringe Eignung für den Dienst in der Infanterie geltend und erreichte, dass er ab dem 25. März 1827 wieder in die Pioniertruppe aufgenommen wurde und bis zum 15. September 1827 weiterhin, diesmal unbezahlt, beurlaubt blieb. Nach einer Umstrukturierung des Generalstabs wurde er nach Auxonne geschickt, das eine ehemalige Festung in der Côte-d“Or ist. Am 27. September 1827 wurde er zum stellvertretenden Hauptmann der Genietruppe befördert.

Kündigung

Am 21. April 1828 bot Sadi seinen Rücktritt aus der Armee an, „um meine persönlichen Angelegenheiten zu regeln und insbesondere um mich um einen Prozess zu kümmern, an dem ich beteiligt bin. Ich bin weit davon entfernt, das Ende zu sehen, da ich mich aufgrund meiner Position nicht in der Lage sehe, heute meine Funktionen auszuüben, ohne das zu gefährden, was ich besitze“. Am 19. Mai 1828 nahm das Kriegsministerium seinen Rücktritt an: Seit seinem Abschluss an der École de Metz hatte Sadi Carnot kaum 15 Monate aktiven Militärdienst geleistet, einschließlich topografischer Erhebungen. Was den Prozess betrifft, in den er offenbar verwickelt war, ist es schwierig, mehr darüber zu erfahren, auch wenn in seinem Adressbuch der Name Giraudeau erwähnt wird, der in der Rue Sainte-Anne eine Kanzlei für Streitfälle betrieb. Obwohl er den Status eines Halbsoldaten nicht erreicht hatte, konnte Sadi nun nach Paris gehen und sich einem Leben voller Studien und persönlicher Forschung widmen.

Sadi“s Großvater mütterlicherseits, Dupont, hatte bei seinem Tod im Jahr 1807 fast eine Million Goldfrancs hinterlassen, von denen Lazare Carnot ein Drittel erhalten hatte. Sadis Erbteil ermöglichte es ihm, das ruhige Leben eines bescheidenen Rentners zu führen, aber dieses Leben ohne Schwung und Dynamik war wahrscheinlich aufgrund seines schlechten Gesundheitszustands notwendig. Als Sadi Carnot von dem Bibliothekar Ambroise Fourcy für seine Geschichte der École polytechnique nach seinem Beruf gefragt wurde, gab er an, „Konstrukteur von Dampfmaschinen“ zu sein. Sein Name taucht jedoch in keiner Liste von Herstellern auf, wie derjenigen, die jedes Jahr im Almanach Bottin veröffentlicht wird. Wollte er diesen Beruf ergreifen, spielte er eine Rolle als beratender Ingenieur, hatte er einem Hersteller Geld geliehen oder handelte es sich nur um einen Scherz? Sadi Carnot meldete nie ein Patent an und bemühte sich weder um einen Lehrstuhl noch um einen Prüferposten an der 1829 gegründeten École centrale des arts et manufactures, die Ingenieure für die Privatindustrie ausbilden sollte. Am 17. August 1830 wurde die Association polytechnique gegründet, in der sich ehemalige Schüler der École zusammenfanden und der Sadi Carnot sofort beitrat.

Die Verordnung vom 10. Februar 1831 sah die Gründung einer Kanonierkompanie in jedem Arrondissement vor und „nach kleinlichen, gelegentlich sehr unbedeutenden Schikanen“ wurde Sadi mit höchstens dem Rang eines Unteroffiziers oder Korporals in die 8.

Im August 1831 veranlasste ihn das Erscheinen zweier Memoiren von Pierre Louis Dulong dazu, seine Arbeit über die physikalischen Eigenschaften von Gasen wieder aufzunehmen. Im selben Jahr hatte er einen Scharlachfieberanfall und wurde schwer krank, wobei er eine Zeit lang unter Deliriumsanfällen litt. Im April 1832 berichtete die Revue encyclopédique in einem Artikel mit der Unterschrift S.C, wahrscheinlich Sadi Carnot, über die Arbeiten von Baron Blein. Das Porträt, das der Künstler Despoix zu dieser Zeit von Sadi zeichnete, zeigt das Gesicht eines müden Mannes mit unruhigem Blick, dessen geistiges Gleichgewicht nicht mehr gesichert schien.

Sein Gesundheitszustand hinderte ihn daran, an der Sitzung der Association polytechnique am 20. Juni 1832 teilzunehmen, und Hippolyte vermerkt in seiner bibliografischen Notiz, dass „die übermäßige Fleißarbeit, der er sich hingab, ihn gegen Ende Juni 1832 krank machte“. Am 3. August wurde er in die Heilanstalt des Irrenarztes Jean-Étienne Esquirol in der Rue de Seine 7 (heute Rue Lénine) eingeliefert, wo dieser Manie d. h. ein generalisiertes Delirium mit Erregung diagnostizierte. Kurz darauf vermerkt das Register des Gesundheitshauses in Ivry „geheilt von seiner Manie, gestorben am 24. August 1832 Cholera“. Der Tod wurde noch am selben Tag vom Verwalter des Gesundheitshauses im Rathaus von Ivry gemeldet, und zwar anscheinend so, dass jede Anspielung auf das Gesundheitshaus vermieden wurde, als hätte er Anweisungen von Hippolyte erhalten. Letzterer musste den Tod auch bei der Stadtverwaltung des 12. Die zivile Beerdigung wurde unter nahezu anonymen Bedingungen abgehalten. Er wurde auf dem alten Friedhof von Ivry-sur-Seine beigesetzt. Nach seinem Tod wurden seine persönlichen Gegenstände (einschließlich seiner Archive) verbrannt, um die Ausbreitung der Krankheit zu verhindern.

Technisch-wissenschaftlicher Kontext

Um das Buch von Sadi Carnot zu verstehen und die Originalität des Werkes zu würdigen, muss man die Situation der Wissenschaft und Technik in dem betrachteten Bereich im zweiten Jahrzehnt des 19.

Als der junge Sadi Carnot in die École polytechnique eintrat, war die einzige etablierte Wissenschaft, die auf Mathematik beruhte, die Mechanik. Die Chemie, die Elektrizität, der Magnetismus und die Wärme machten zwar schnelle Fortschritte, hatten aber noch nicht das Stadium der mathematischen Abstraktion erreicht.

Die Wissenschaft von der Wärme war durch die Erfindung des Thermometers im 17. Jahrhundert (insbesondere das Thermometer von Santorio) möglich geworden, blieb aber ein Anliegen von Chemikern und Medizinern. Sie hatten das Axiom der Erhaltung der Wärme aufgestellt, die sie damals als eine Substanz begriffen: das „Kalorikum“.

Die Arbeiten von Benjamin Thompson (Lord Rumford), Pierre-Simon de Laplace, Jean-Baptiste Biot, Siméon Denis Poisson und Joseph Fourier ermöglichten es Mathematikern und Physikern, sich ihrerseits für die Wärme zu interessieren, wobei insbesondere Studien zur Wärmeübertragung im Vordergrund standen.

Gleichzeitig gewannen die Meteorologen ein besseres Verständnis für die Rolle der Wärme im System der Winde oder Ozeanströmungen, die ein wenig als die große treibende Kraft der Welt angesehen wurde. Die adiabatische Erwärmung und Abkühlung der Luft wurde insbesondere zur Erklärung von Feldbeobachtungen wie der Stabilität von Schneefeldern am Äquator herangezogen.

Die ersten praktisch einsetzbaren Dampfmaschinen kamen Anfang des 18. Jahrhunderts auf und funktionierten folgendermaßen: Mit Dampf wurde die Luft aus einem Zylinder gepresst, dann wurde der Zylinder gekühlt, sodass der Dampf kondensierte und der äußere Luftdruck den Kolben wieder nach unten drückte. Dann ließ man den Dampf den Zylinder wieder füllen und der Zyklus wiederholte sich (Siehe Thomas Newcomens Maschine). Diese Maschinen arbeiteten langsam und unregelmäßig, eigneten sich aber gut zum Pumpen von Wasser in Bergwerken. In diesem Zusammenhang war Wasser als Wirkstoff am besten geeignet, insbesondere weil es sich auf das etwa 1800-fache seines ursprünglichen Volumens ausdehnt, wenn es in Dampf umgewandelt wird.

Um die Wärmeverschwendung durch das abwechselnde Aufheizen und Abkühlen des Zylinders zu beseitigen, kondensierte James Watt in den 1760er Jahren den Dampf in einem separaten kalten Zylinder oder Kondensator, während der Hauptzylinder ständig heiß gehalten wurde. Außerdem verwendete er heißen Dampf, um den Kolben im Zylinder nach unten zu bewegen, wodurch der Wärmeverlust weiter verringert wurde. Watt bemerkte, dass eine erhebliche Einsparung erzielt werden konnte, wenn man die Dampfzufuhr unterbrach, bevor sich der Kolben im Zylinder bewegt hatte: Der eingeschlossene Dampf würde den Kolben mit leicht abnehmendem Druck weiter nach unten bewegen. Wenn der Dampf in den Kondensator gelangte, würde er noch ein wenig „Elastizität“ (Druck) besitzen: Man sprach dann von Expansionswirkung. Außerdem glaubte James Watt nie an Hochdruckmaschinen, die er als zu gefährlich für die Anwendung im Alltag ansah; sein Einfluss war so groß, dass diese Art von Maschinen erst nach seinem Tod wirklich entwickelt wurde.

1805 patentierte Arthur Woolf, ein Ingenieur aus Cornwall, den Hochdruck-Verbundmotor, bei dem zwei aufeinanderfolgende Zylinder (double compound) zur vollständigen Expansion des Dampfes verwendet wurden: Dieses Prinzip hatte den Vorteil, dass die Amplitude der Erwärmung und Abkühlung jedes einzelnen Zylinders verringert wurde und somit Brennstoff eingespart und die Leistung gesteigert werden konnte. Der amerikanische Ingenieur Jacob Perkins zeigte, dass es möglich war, eine Dampfmaschine zu bauen, die bei einem Druck von fast 35 Atmosphären arbeiten konnte. Sadi Carnot schätzte diese Arbeit, wies aber darauf hin, dass diese Maschine den Fehler hatte, das Expansionsprinzip von James Watt nicht richtig zu nutzen.

Carnot war wie seine Zeitgenossen stark von der industriellen Überlegenheit Englands gegenüber Frankreich beeindruckt, eine Macht, die er auf den umfassenden Einsatz der Dampfmaschine zurückführte. Von 1811 bis 1840 wurde in dem von Thomas und John Lean herausgegebenen Monthly Engine reporter regelmäßig über die Kunst des Wasserpumpens in den Minen von Cornwall berichtet und von Publikationen wie den Annales de chimie et de physique aufgegriffen. Diese Aufzeichnungen belegten eindeutig die Überlegenheit von Hochdruckmaschinen. Die meisten Ingenieure schienen bereits 1820 davon überzeugt zu sein, dass es eine bestimmte Grenze für die Menge an Arbeit gibt, die mit einer bestimmten Wärmemenge erzielt werden kann.

Diese Daten, echte Ephemeriden, hatten den Vorteil, dass sie die Wirkung der verschiedenen Pumpmaschinen auf einfache Weise und direkt in Arbeitseinheiten (Gewicht des Wassers und die Höhe, auf die es gehoben wurde) übersetzten. Sadi Carnot ließ sich davon bei seinen Überlegungen zu den Grundprinzipien von Wärmekraftmaschinen inspirieren.

Jahrhunderts hatte die Dampfmaschine so viele Verbesserungen erfahren, dass einige bereits die Grenzen ihrer Verbesserungsmöglichkeiten erkannten. Ein Ingenieur namens A. R. Bouvier hatte 1816 behauptet, dass weitere Verbesserungen nicht nur durch mechanische Verbesserungen, sondern auch durch Mathematik und Physik erreicht werden könnten.

Zu dieser Zeit hatte der schottische Ingenieur Ewart argumentiert, dass eine bestimmte Menge an Wärme im Idealfall nur eine bestimmte Menge an Arbeit erzeugen könne.

Boerhaave hatte seinerseits festgestellt, dass das System aus Körpern, die auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden, ein thermisches Gleichgewicht anstrebt und dass man nie sieht, dass sich ein isolierter Körper spontan erwärmt.

Schließlich hatte Joseph Fourier 1817 darauf hingewiesen, dass die Strahlungswärme einem sinusförmigen Emissionsgesetz gehorchen müsse. Sein Nachweis, dass die Ablehnung dieses Gesetzes zur Annahme der Möglichkeit eines Perpetuum mobile führen würde, war wahrscheinlich die erste Verwendung einer solchen Argumentation außerhalb der Galileischen Mechanik. Es ist bemerkenswert, dass Sadi Carnot dieselbe Argumentation im zweiten Teil seiner Reflexionen mit dem Theorem des maximalen Ertrags verwendete.

Veröffentlichung

Das 118 Seiten und fünf Abbildungen umfassende Werk wurde im Selbstverlag von A-J-E Guiraudet Saint-Amé (X 1811) mit dem Hinweis auf das Haus Bachelier veröffentlicht und in einer Auflage von 600 Exemplaren gedruckt. Trotz des unbestreitbar klaren Stils ist es schwierig, der vom Autor dargelegten Reihe heikler Argumentationen zu folgen, da er im Text bewusst auf die algebraische Sprache verzichtet und sie in einige Fußnoten verbannt hat. Wenn der Autor neue Vorstellungen einführen will, verwendet er das Vokabular der zeitgenössischen Physiker seiner Epoche: Gesetz, bewegte Kraft, und er benutzt nicht die Begriffe Zyklen, Adiabatik oder reversible Transformation, auch wenn er sich auf die Begriffe beruft, die sie bezeichnen. Inhaltlich ist es bequem, in Sadi Carnots Buch vier Teile zu unterscheiden, und obwohl der Text keine Unterteilung enthält, folgt der Autor einem sehr ausgeprägten Plan, wobei er seine Übergänge durch kurze Verbindungssätze entsprechend den Gepflogenheiten der damaligen Rhetorik kaschiert.

Wärme und Antriebskraft

Der erste Teil enthält eine philosophische Darstellung des von der Wärmelehre abgedeckten Bereichs, der aus einem völlig neuen Blickwinkel betrachtet wird: die Wärme als Antriebsmittel. In seinem Buch beschäftigt sich Carnot nicht mit der Natur der Wärme; er interessiert sich auch nicht für die Erwärmung und Abkühlung verschiedener Körper oder für die Bedingungen, unter denen Wärme übertragen wird, wie es Joseph Fourier und seine Anhänger taten. Er kümmert sich auch nicht um die chemischen und physiologischen Auswirkungen der Wärme.

Die Wärme interessiert ihn als Ursache der großen natürlichen Bewegungen, die auf der Erde stattfinden, das System der Winde, die Meeresströmungen…; in dieser Hinsicht übertreibt er übrigens ihre Bedeutung. Dennoch ist sich Sadi Carnot bewusst – und er scheint der Erste gewesen zu sein, der diese Bemerkung gemacht hat -, dass die Leistung der besten und mächtigsten Dampfmaschinen im Vergleich zu den enormen mechanischen Effekten, die die Wärme in der natürlichen Welt hervorruft, lächerlich gering ist.

Sadi Carnot war in der Lage, einen philosophischen Standpunkt einzunehmen, indem er sowohl seine Kenntnisse über die Funktionsweise von Dampfmaschinen als auch seine Fähigkeiten in Meteorologie oder Geophysik einsetzte. Angesichts der damaligen Lehrbücher scheint es unwahrscheinlich, dass ein anderer Ingenieur diesen Schritt getan hätte, ebenso wenig wie ein Physiker: Ersterer hätte sich nicht für eine so abstrakte Verallgemeinerung interessiert, während letzterer nicht besonders an der Motorleistung interessiert gewesen wäre. Nur Lord Rumford, der einige Jahre zuvor beim Aufbohren von Kanonen eine starke Wärmeentwicklung feststellte, kam zu dem Schluss, dass Arbeit in Wärme umgewandelt werden kann und dass diese beiden Begriffe aus demselben Wesen stammen.

Dieser einleitende Teil der Reflexionen enthält die grundlegende Idee, dass überall dort, wo ein Temperaturunterschied besteht, die Möglichkeit besteht, motorische Leistung zu erzeugen – eine Idee, die in der Thermodynamik eine zentrale Rolle spielt. Und nicht minder wichtig ist seine Folgerung, dass es unmöglich ist, Antriebskraft zu erzeugen, wenn man nicht sowohl einen kalten als auch einen warmen Körper hat. Dies kann als die erste Aussage des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik angesehen werden, der auch als Carnot-Prinzip bezeichnet wird, auch wenn er noch eine ungenaue Form hat.

Wahrscheinlich ließ sich Sadi Carnot zu dieser Zeit von der Vorstellung leiten, dass die effizientesten hydraulischen Maschinen diejenigen waren, die die größte Wasserfallhöhe nutzten: Er sah darin eine Analogie – mit all den Nuancen, die den Unterschied zu einer strengen Ähnlichkeit ausmachen – zwischen dieser Höhe und dem Temperaturunterschied bei Verbrennungsmotoren. Doch auch wenn die Untersuchung der im Monthly Engine Reporter veröffentlichten Daten über die Leistung von Hochdruckmotoren diese Überlegung nicht bestätigte, war seine Intuition richtig.

Idealer Zyklus eines perfekten Motors

Im zweiten Teil definiert er eine perfekte Maschine und ihren idealen Betriebszyklus. Dazu stellt er sich eine ideale Maschine vor, die umgangssprachlich als Carnot-Maschine bezeichnet wird und die problemlos abwechselnd mit einem heißen und einem kalten Körper Wärme austauschen kann (Abbildung 6). In seiner Studie wird die Wärmekraftmaschine strikt auf ihre wesentlichen Elemente reduziert:

Carnot bestätigt, dass es der Temperaturunterschied zwischen dem heißen und dem kalten Körper ist, der die vom Motor geleistete Arbeit bestimmt, und nicht der Druckunterschied, dem die handelnde Substanz ausgesetzt ist. Es scheint, dass er diese wichtige Idee seinen Freunden Clément und Desormes zu verdanken hat.

Der ideale Zyklus unterliegt dieser Bedingung: Die Substanz, die im Zylinder wirkt, darf nie mit einem Körper in Berührung kommen, der kälter oder wärmer ist als sie, damit es keinen unnötigen Wärmefluss gibt. Interessanterweise stimmt diese Bedingung mit den Bedingungen überein, die sein Vater zur Bestimmung des maximalen Wirkungsgrads von hydraulischen Maschinen aufgestellt hatte.

Alle Temperaturänderungen müssen durch die Expansion oder Kompression der wirkenden Substanz verursacht werden. Anfangs unter hohem Druck komprimiert, dehnt sich die wirkende Substanz frei aus: Sie drückt den Kolben und entzieht dem heißen Körper, mit dem der Zylinder in Berührung kommt, Wärme (Abbildung 1). Dann wird der Zylinder vom heißen Körper wegbewegt, und die Substanz dehnt sich adiabatisch weiter aus, sodass ihre Temperatur sinkt, bis sie der des kalten Körpers entspricht (Abbildung 2). Dieser Teil des Zyklus entspricht dem „Expansionsvorgang“ der James-Watt-Maschine; allerdings ist es nun die Temperatur des kalten Körpers und nicht der Druck im Kondensator, der das Ende der Expansion markiert. Der Zylinder wird nun mit dem kalten Körper in Kontakt gebracht, und die wirkende Substanz wird komprimiert, wobei die Wärme „herausgepresst“ wird (und die Kompression wird fortgesetzt, so dass die wirkende Substanz adiabatisch erwärmt wird (Abbildung 4). Der Zyklus endet, wenn die aktive Substanz auf ihren ursprünglichen Druck, ihr Volumen und ihre Temperatur zurückgeführt wird (Abbildung 5).Das Nettoergebnis war lediglich eine Wärmeübertragung vom heißen auf den kalten Körper und die Erzeugung externer Arbeit.

Reversibilität des Carnot-Zyklus

Sadi Carnot weist darauf hin, dass der Zyklus genau umkehrbar ist: Der Motor kann in umgekehrter Richtung betrieben werden, und das Nettoergebnis wäre dann der Verbrauch von Arbeit in gleicher Höhe wie beim Betrieb in direkter Richtung und die Übertragung der gleichen Wärmemenge, in diesem Fall jedoch vom kalten auf den warmen Körper. Die Umkehrbarkeit des Kreislaufs ist möglich, weil es an keinem Punkt des Kreislaufs einen unnötigen Wärmefluss gibt. Wenn es einen solchen Fluss gäbe, wäre der Motor nicht umkehrbar. Carnot schloss aus der Unmöglichkeit des Perpetuum mobile, dass Dampf mindestens so befriedigend ist wie jede andere wirkende Substanz, und zwar als Konsequenz aus der Unmöglichkeit des Perpetuum mobile. Als er behauptete, dass dies theoretisch begründet sei, sahen die damaligen Ingenieure darin nur eine abstrakte Bestätigung dessen, was sie aus der Praxis gelernt hatten.

Anwendungen in der Gasphysik

Im dritten Teil zeigt Sadi Carnot, dass die Tatsache, dass alle idealen Wärmekraftmaschinen den gleichen Wirkungsgrad haben, unabhängig davon, welches Gas oder welchen Dampf man verwendet, grundlegende Auswirkungen auf die Gasphysik hat. Carnot weist nach, dass alle Gase, die sich ausdehnen oder von einem Druck und einem Volumen auf einen anderen Druck und ein anderes Volumen bei konstanter Temperatur komprimiert werden, entweder die gleiche Wärmemenge aufnehmen oder aber abgeben. Er kann auch Beziehungen zwischen den spezifischen Wärmen von Gasen ableiten, d. h. die spezifische Wärme bei konstantem Druck und die spezifische Wärme bei konstantem Volumen. In einer Fußnote, die von den frühen Kommentatoren übersehen wurde, deutet er an, dass der Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine als Grundlage für eine absolute Temperaturskala dienen könnte.

Intuition des Luftmotors

Im letzten Teil des Buches stellt Sadi Carnot fest, dass die Überlegenheit von Hochdruck-Dampfmaschinen unbestreitbar ist, weil sie von einem größeren Temperaturabfall Gebrauch machen als Niederdruckmaschinen. Carnot erkennt, dass gerade der große Vorteil von Wasser als Dampfquelle, die Tatsache, dass es sich in einem sehr kleinen Temperaturbereich enorm ausdehnt, die Realisierung der primitiven Dampfmaschine erst möglich gemacht hat. Dennoch kommt er zu dem bemerkenswerten Schluss, dass dieser Vorteil dazu führen würde, dass sich Wasser für die Wärmekraftmaschine der Zukunft weniger gut eignen würde. Denn der enorme Druckanstieg bei sehr kleinen Temperaturerhöhungen über 100 °C macht einen Betrieb über den gesamten Temperaturbereich von der Kohleverbrennung bis zur Kondensation von kaltem Wasser nahezu unmöglich.

Dementsprechend prognostiziert Sadi Carnot, dass, sobald verschiedene technische Probleme bezüglich Schmierung und Verbrennung gelöst sind, der leistungsfähigste Motor wahrscheinlich der Luftmotor sein wird.

Empfang des Buches

Das Werk wurde ehrenvoll aufgenommen, auch in der Akademie der Wissenschaften, wo Pierre-Simon Girard, der Leiter einer wissenschaftlichen Zeitschrift, Carnots Arbeit in der Sitzung vom 14. Juni 1824 vorstellte, ergänzt durch einen analytischen Bericht in mündlicher Form an seine Kollegen vom 26. Juli. Es ist offensichtlich, dass eine Präsentation vor der Akademie in Form eines Memorandums zweifellos die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft stärker auf die Arbeit von Sadi Carnot gelenkt hätte, mit einer Veröffentlichung in der Recueil des Savants étrangers als normale Folge. So reagierten weder die französische „große Wissenschaft“, die durch das Institut de France vertreten wurde, noch die berühmte École polytechnique wirklich auf die Veröffentlichung von Carnots Werk, da sie dessen Tragweite nicht vollends erkannten. Sadi, der anscheinend keinen Sinn für Werbung hatte, versäumte es, ein Exemplar an die Bibliotheken der École des mines und der École des ponts et chaussées zu schicken, wodurch er sich selbst eines auserwählten Publikums beraubte, ebenso wie er keine Rezension an die Annales de chimie et de physique oder die Annales des mines schickte. Darüber hinaus ist anzumerken, dass trotz der begrenzten Auflage einige unverkaufte Exemplare ungeschnitten aufgefunden wurden.

Auf Seiten der Ingenieure berichtete nur der Akademiker Pierre-Simon Girard lobend. Als die Réflexions erschienen, hatten die Ingenieure bereits aus Erfahrung gelernt, dass Dampf mindestens so befriedigend ist wie jede andere wirkende Substanz. Als Carnot behauptete, dass dies theoretisch begründet sei, sah man darin nur eine abstrakte Bestätigung.

Außerdem basierten seine Erklärungen für den höheren Wirkungsgrad von Hochdruckdampfmotoren auf Daten, die im Monthly Engine Reporter veröffentlicht wurden, und auf der Leistung der Woolf-Motoren, die mit Hochdruckexpansion arbeiteten und in Frankreich von Humphrey Edwards gebaut wurden. Allerdings war diese Leistung wohl eher auf eine Summe von Detailverbesserungen zurückzuführen als auf einen echten thermodynamischen Vorteil. Sadi Carnot berief sich daher nicht zu Unrecht auf die Überlegenheit der Hochdruckdampfmaschinen, um seine grundlegenden Theorien zu untermauern.

Mit Ausnahme von Nicolas Clément-Desormes, der, wie aus einem Vortrag vom 25. Januar 1825 hervorgeht, seinen Zuhörern empfahl, das Werk zu lesen, waren die Physiker und anderen Wissenschaftler ihrerseits zweifellos verwirrt von den grundlegenden Überlegungen, die auf den Prinzipien der Dampfmaschine basierten.

Erst 1834 veröffentlichte Émile Clapeyron einen Artikel in der Zeitschrift der École polytechnique, in dem er zeigte, wie Sadi Carnots Ideen mathematisch ausgedrückt werden konnten, und gleichzeitig ihren Erklärungswert hervorhob. Erst mit der Neuauflage der Réflexions durch denselben Autor, ergänzt durch seine Kommentare, begann Sadi Carnot allmählich die wissenschaftliche Körperschaft zu beeinflussen.

Es bleibt die Frage, warum Sadi Carnot in den acht Jahren zwischen der Veröffentlichung der Réflexions und seinem Todestag nichts veröffentlichte. Auch wenn es dafür mehrere Erklärungen gibt, ist der wahrscheinlichste Grund, dass er kein Vertrauen mehr in seine Theorien hatte und sich nicht in der Lage sah, eine neue Theorie der Wärme zu begründen. Mit dem Kalorikum stand Sadi Carnot vor einem der am schwersten zu überwindenden erkenntnistheoretischen Hindernisse, das Gaston Bachelard sehr am Herzen lag: dem Substantialismus, d. h. der monotonen Erklärung physikalischer Eigenschaften durch die Substanz.

Um seine Fortschritte zu bestätigen, hatte er detaillierte Experimente skizziert, die wir heute als Experimente mit konstanter Enthalpie bezeichnen würden und die denen von Benjamin Thompson ähnelten. Im Gegensatz zu diesem beabsichtigte er jedoch, die geleistete Arbeit und die erzeugte Wärme zu messen und dabei die verwendeten Materialien zu variieren. In diesem Sinne hoffte er fest darauf, ein konstantes mechanisches Äquivalent für Wärme zu finden, das bei allen Experimenten denselben Wert gehabt hätte. Er plante auch Messungen mit Gasen und Flüssigkeiten, um das mechanische Äquivalent der Wärme zu berechnen.

Es ist schwer zu sagen, ob er diese Experimente zufriedenstellend hätte durchführen können. Die Geschichte der Thermodynamik hatte noch einen langen Weg bis zur Theorie vor sich, sodass man die Schwierigkeiten, die er hätte überwinden müssen, kaum unterschätzen kann.

Außerdem hätte man insbesondere den großen Körper der Chemiker und all jene, die an der Elektrizität forschten, überzeugen müssen: Sie alle hingen zutiefst an der Kalorietheorie. Schließlich dauerte es bis James Prescott Joule, bis die dynamische Theorie der Wärme endlich formuliert wurde. Zwischen seiner ersten Veröffentlichung (1843) und der Veröffentlichung von Rudolf Clausius, der die dynamische Wärmetheorie (Joule) mit den Theorien von Sadi Carnot in Einklang brachte, lagen noch sieben Jahre.

Letztendlich ist es bedauerlich, aber leider wahrscheinlich, dass Sadi Carnot in dem Glauben starb, er habe versagt, obwohl er ganz einfach einen breiten und grundlegenden Wissenschaftszweig mit komplexen Strukturen begründete: die Thermodynamik, die Physik, Chemie, Biologie und sogar die Kosmologie miteinander verbindet.

Einfluss des Werkes von Lazare Carnot auf das seines Sohnes

Für den Wissenschaftshistoriker stellen sich mehrere Fragen bezüglich der Beziehung, die die Werke der beiden Ingenieure zueinander haben:

Synthetisches Werk

Für D.S.L. Cardwell ist Sadi Carnots Buch zwar weit weniger bekannt als Kopernikus“ De revolutionibus orbium coelestium, hat aber in der Geschichte der modernen Wissenschaft eine vergleichbare Bedeutung, da es – ein besonders seltenes Ereignis – die Grundlagen für eine völlig neue Disziplin legte: die Thermodynamik.

Dennoch besitzt Carnots Werk eine originelle Dimension. Kopernikus arbeitete in einer klar definierten und anerkannten Disziplin; er konnte sich auf ein Erbe stützen, das aus Überlegungen und Beobachtungen bestand, die sich über zwei Jahrtausende angesammelt hatten (die Ephemeriden). Sadi Carnot hingegen musste eine Synthese aus verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Disziplinen schaffen. Dazu musste er die zu untersuchenden Daten auswählen, Theorien aus Konzepten, Gesetzen und Prinzipien aufstellen, die aus den noch getrennten Wissenschaften der Wärme und der Mechanik, aus sich entwickelnden Technologien wie der Dampfkraft oder bereits etablierteren wie der Wasserkraft stammten, die aber ebenfalls noch nicht miteinander verbunden waren. Außerdem sah nur er selbst 1824 die Notwendigkeit dieser neuen Wissenschaft, sowohl für praktische Anwendungen als auch aus grundsätzlicheren Gründen.

Carnotische Revolution

Allgemeiner betrachtet markierte die Arbeit von Sadi Carnot den Beginn dessen, was Jacques Grinevald als Carnotsche Revolution bezeichnet und was uns mit der massiven Nutzung fossiler Energieträger (Kohle und später Erdöl) in eine thermo-industrielle Gesellschaft überführt. Von nun an ermöglicht die Kraft des Feuers das Aufkommen einer neuen Maschine, die um einen Motor herum aufgebaut ist und eine Zweiteilung in der Geschichte des Werkzeugs darstellt. Sie ermöglicht die Verdrängung der treibenden Kraft des Menschen, des Tieres und der üblichen Naturelemente wie Wind und Wasser, um der alten kollektiven Vorstellung von beseelten Kreaturen, die von Hephaistos bis zum elektrischen Geist von Hadaly reicht, einen Sinn zu verleihen. Gleichzeitig wird diese treibende Kraft des Feuers die jahrtausendealte Verbindung zwischen Technik und unmittelbarer geografischer Umgebung lockern, mit der beispiellosen Entwicklung von Netzwerken und Strömen und der geografischen Konzentration von Ausrüstungen, die durch die Verlagerung dieser Kraft möglich wird.

Bilanz und Nachruhm

Sadi Carnot entdeckte die beiden Gesetze, auf denen die gesamte Energiewissenschaft beruht, trotz scheinbar unüberwindbarer Hindernisse. Er gab ein Maß für die außergewöhnliche Kraft seiner Intuition, indem er seine Gesetze aufstellte, als die Fakten nicht ausreichten, ihre Genauigkeit grob war und vor allem, als der Fortschritt der aufkommenden Wissenschaft durch die falsche Theorie des unzerstörbaren Kalorikums gebremst wurde.

Er entschied intuitiv, dass die Dampfmaschine der alten Wassermühle ähnelt, die Energie erzeugt, indem sie Wasser von einem hohen auf ein niedrigeres Niveau fallen lässt, dass sie Energie erzeugt, indem sie Wärme von der hohen Temperatur des Kessels auf die niedrigere Temperatur des Kondensators fallen lässt. Er spürte, dass dieser Temperaturunterschied ein klares Phänomen war, der Wärmeabfall selbst aber viel weniger, und er achtete in seinem Gesetz darauf, dass der Temperaturabfall die wesentliche Rolle spielte. Heute würden wir sagen, dass er erahnte, dass es einen Unterschied zwischen der Wärme als Energieform und der Wärme, die wie das Wasser in der Mühle fällt, gibt. Wir wissen, dass es nach seinem Buch 40 Jahre dauerte, um die Entropie aus der Wärmemenge als Äquivalent des Mühlwassers zu definieren, und wir bewundern, dass er dieses heikle Problem vermied und schließlich als Erster die Kalorik-Theorie verwarf.

Mit seiner universellen Reichweite stellt sein Werk wahrscheinlich einen einzigartigen Fall in der Geschichte der modernen Wissenschaft dar, und in diesem Sinne war Nicolas Léonard Sadi Carnot sicherlich einer der eindringlichsten und originellsten Denker, die unsere Zivilisation hervorgebracht hat.

Für einige wird er „ein Meteor in der Geschichte der Wissenschaft“ bleiben, eine einzigartige Persönlichkeit, die „mit einem Blatt Papier, einer Bleistiftfeder und einem Geist die Grundlage für eine neue Wissenschaft geschaffen hat, ist ein ganz bewundernswerter Geist“. „Der Tod großer Männer hinterlässt ebenso viel Bedauern wie neue Hoffnungen“.

Im Jahr 1970 benannte die Internationale Astronomische Union den Mondkrater Carnot und später den Asteroiden (12289) Carnot nach dem französischen Physiker.

Die Carnot-Methode, ein exergetisches Allokationsverfahren zur Bewertung von KWK-Produkten und zur Berechnung des physikalischen Werts der Wärmeantriebsleistung, ist nach ihm benannt.

2006 wurde in Frankreich das Carnot-Label geschaffen, um die Schnittstelle zwischen öffentlicher Forschung und sozioökonomischen Akteuren als Antwort auf deren Bedürfnisse zu entwickeln: Diese Widmung würdigt, was Sadi Carnot zur Grundlagenphysik beigetragen hat, indem er eine sehr angewandte Frage erforschte.

Externe Links

Quellen

  1. Sadi Carnot (physicien)
  2. Nicolas Léonard Sadi Carnot
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