Сади Карно (физик)

gigatos | януари 17, 2023

Резюме

Никола Леонар Сади Карно (Nicolas Léonard Sadi Carnot) е френски физик и инженер, роден на 1 юни 1796 г. в Париж и починал на 24 август 1832 г. в Иври-сюр-Сен или в Париж.

По време на кратката си кариера (умира от холера на 36-годишна възраст) Сади Карно публикува само една книга (подобно на Коперник): Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (Разсъждения за двигателната сила на огъня и за машините, които я развиват), през 1824 г., в която на 27-годишна възраст той изразява това, което се оказва делото на живота му и важна книга в историята на физиката.

В този труд той поставя основите на една изцяло нова дисциплина – термодинамиката. По онова време терминът не съществува; Уилям Томсън го измисля в средата на XIX век. Въпреки неточността на някои от концепциите си (приемането на теорията за топлината и аксиомата за запазване на топлината) Сади Карно открива тази наука, която е толкова фундаментална от теоретична гледна точка, колкото и плодотворна от гледна точка на практическите приложения.

Сади Карно формулира обоснованото описание на топлинния двигател и основните принципи, според които днес се проектира всяка електроцентрала, взривен или реактивен двигател. Още по-забележително е, че това възникване се случва, когато никой от предшествениците все още не е определил естеството и обхвата на темата. Интелектуалният път на Сади Карно, основан на чисто технически съображения, като например подобряване на работата на парната машина, е оригинален и е предвестник на важни събития, настъпили в този ключов за съвременната наука момент.

Най-големият син на Лазар Карно (1753-1823 г.), известен като „Великия Карно“ или „организатора на победата“, Сади Карно е роден в Париж, в двореца Пти-Люксембург, където баща му, един от петимата изпълнителни директори на Републиката, има официален апартамент. Първото му име идва от името на персийския поет Саади от Шираз, на когото баща му се възхищава.

По времето, когато се ражда Сади, Лазар Карно е в разцвета на своята кариера. Математик и инженер, ученик на Гаспар Монж и автор на есе за машините като цяло (1783 г.), Лазар Карно е също така войник, водач на хора и революционер. Избран е за член на Учредителното събрание през 1789 г., а след това и на Конвента, и гласува за смъртта на крал Луи XVI. По време на войните на Френската революция, в рамките на Комитета за обществена безопасност, той получава прозвището „организатор на победата“. След като е член на Директорията, той е военен министър на Наполеон Бонапарт в продължение на шест месеца през 1800 г., а след това е министър на вътрешните работи по време на Стоте дни през 1815 г. През октомври същата година, след поражението на Наполеон, той е заточен като регент. Живее в Белгия, след това в Полша и Германия, където умира, без да се върне във Франция.

Майка му, Софи Дюпон (1764-1813), произхожда от богато семейство в Сен-Омер.

Сади Карно има по-малък брат, Иполит Карно (1801-1888), който прави политическа кариера: депутат от 1839 до 1848 г., министър на образованието през 1848 г., отказва да подкрепи Втората империя и отново става депутат по време на Третата република, след което е избран за член на Сената през 1875 г. и член на Академията за морални и политически науки през 1887 г. Сади Карно е чичо на Мари Франсоа Сади Карно (известен и като Сади Карно), избран за президент на Френската република през 1887 г. и убит през 1894 г. от анархиста Санте Херонимо Казерио.

Той никога не се жени и няма потомци.

Ранни години

След държавния преврат от 4 септември 1797 г. Лазар Карно трябва да напусне Франция, което продължава до януари 1800 г., когато е помилван от Бонапарт; през този период Сади Карно живее с майка си в семейната къща в Сен-Омер. През август 1807 г. Лазар Карно, върнал се към частния си живот след закриването на Трибуната, решава да се погрижи за образованието на двамата си сина, като ги учи на математика, природни науки, езици и музика.

През 1811 г. Сади Карно постъпва в Лицея „Шарлеман“ в подготвителния клас на Пиер-Луи Мари Бурдон, за да се подготви за конкурсния изпит за Политехническата гимназия. След като на 1 юни 1812 г. навършва минималната възраст от 16 години, Сади Карно може да се яви на конкурсния изпит през август следващата година, на който е приет на 24-то място от общо 179 и е включен във втора дивизия на 2 ноември.

Политехник

През 1812-1813 г. курсовете функционират нормално въпреки неуспехите на имперските армии. Негови учители са Рейно по анализ, Поасон по механика, Хашет по дескриптивна геометрия, Луи Жак Тенар по обща и приложна химия, Жан-Анри Хасенфрац по физика и Франсоа Араго по безкрайно малко смятане и теория на машините. През тази първа година той е обучаван от хора като Алексис Пети по физика и Пиер Луи Дюлон по химия, чиито трудове по-късно използва. Изглежда, че през октомври 1813 г. дори са мислили да го прехвърлят веднага в артилерийската секция на училището в Мец, но в крайна сметка са го сметнали за твърде млад.

Втората година се оказва по-малко плодотворна по отношение на преподаването. В края на януари 1814 г. интегрирането на учениците в три роти от артилерийския корпус на Националната гвардия постепенно прекъсва хода на обучението. На 29 и 30 март 1814 г. Сади Карно, един от шестимата ефрейтори в ротата, се сражава с политехническия батальон и попада под обстрел в безобидна схватка при защитата на крепостта във Винсен срещу съюзниците; това вероятно е единственият му боен опит. Учебните занятия са подновени на 18 април, но Сади се завръща едва на 12 май. На 12 октомври 1814 г. той е обявен за годен за държавна служба, на 10-о място в общия списък на 65-те ученици, останали в класа му. Класира се на 5-то място в специалния списък на десетте студенти, приети за военни инженери като подпоручици в École d’application de l’artillerie et du génie в Мец. Това бележи края на ключов период в обучението му, за който той споменава, когато публикува своите „Рефлексии“, подписвайки работата си със „Сади Карно, бивш студент в Политехническото училище“.

Училище Metz

На 1 октомври 1814 г. Сади Карно получава званието инженер-кадет и постъпва в École de Metz през последните дни на 1814 г. след период на почивка. В това престижно училище за приложни науки, наследник на Кралското инженерно училище в Мезиер, той следва курсовете по приложна математика и физика на Франсоа-Мари Дюбюа и Жак Фредерик Франсез, както и курсовете по военна химия и пиротехника на Шеврьоз. На 2 април 1817 г. е връчено неговото звание втори лейтенант във втори сапьорски полк, което отбелязва завършването на училището и действителното му навлизане във военната кариера. Според традицията веднага получава тримесечен отпуск, който продължава до 15 октомври 1817 г., като по-голямата част от този период вероятно прекарва в семейния дом в Ноле при чичо си, генерал-лейтенант Карно дьо Фолен.

Първи задачи

С настъпването на мира през 1815 г. той е принуден да се занимава с рутинното съществуване на гарнизона, без особени перспективи. Тъй като е син на републикански лидер в изгнание, той е смятан за опасен, затова е решено мястото на командировката му да е далеч от Париж.

Сади Карно редовно се премества, инспектира укрепленията, изготвя планове и пише многобройни доклади. Но препоръките му очевидно са пренебрегнати, а кариерата му е в застой.

Със заповед от 6 май 1818 г. се създава кралски щабен корпус и училище за обучение на генералния щаб на армията. На 15 септември 1818 г. Сади Карно получава шестмесечен отпуск, за да се подготви за приемния изпит в Париж.

Инсталация в Париж

Със заповед от 20 януари 1819 г. той е приет в Генералния щаб на Париж с чин лейтенант и е пуснат в отпуск, като получава две трети от брутната си заплата като научен работник. Живеейки до чичо си Жозеф в малък апартамент в квартал Маре, който обитава до средата на 1831 г., Сади Карно посещава курсове в Сорбоната и Колеж дьо Франс, но не и в Минното училище, за което му е необходимо разрешение от висшето ръководство, което той така и не иска, и където би могъл да срещне младия Емил Клапейрон. Той е студент в Националната консерватория за изкуства и технологии, където Клеман Дезорм преподава курс по химия, прилагана в изкуствата, а Жан-Батист Сей – курс по икономика на промишлеността. Посещава също така Жарден дез Плантес и Кралската библиотека, както и музея Лувър и Италианския театър в Париж. Сади Карно се интересува от индустриалните проблеми, посещава работилници и заводи, изучава теорията на газовете и най-новите теории на политическата икономия. Той оставя подробни предложения по актуални проблеми като данъците, но математиката и изкуствата го очароват.

Членовете на кръга, който посещава, са радикални и републикански настроени, а най-близките му приятели са Никола Клеман и Шарл Дезорм, хора на науката и индустриални химици, редактори на „Mémoire sur la théorie des machines à feu“ и единствените физици, с които той действително установява контакт преди написването на „Рефлексиите“.

През лятото на 1820 г. Сади отново вижда брат си Иполит, който е дошъл да прекара няколко дни във Франция и живее с баща си. На 23 юни 1821 г. Министерството на войната му разрешава неплатен отпуск, за да може да посети баща си в изгнание в Магдебург. Там той и баща му започват да се интересуват от парните машини, тъй като първата от тях е построена в Магдебург три години по-рано. След завръщането си в Париж той започва да мисли за това, което става известно като термодинамика. Първите му важни творби са от 1822-1823 г. Когато баща му умира през август 1823 г., брат му Иполит се завръща в Париж и му помага в писането, „за да се увери, че те ще бъдат разбрани от хора, отдадени на други науки“. След освобождаването си Сади остава настрана от политическите течения, които привличат либералната младеж, нито пък изглежда привлечен от организирани научни групи като Филоматическото общество в Париж, чиито членове имат амбицията да се присъединят към Академията на науките. Въпреки това той участва в среща на политехници и индустриалци, на която изглежда е представил формула за представяне на двигателната сила на парата.

Край на наличността

През октомври 1824 г. щабният лейтенант се събужда като Сади, който извършва топографска работа по пътя от Куломие до Куи-Пон-о-Дам. През 1825 г. той извършва подобна работа по пътя от Вилепарис до ферибота в Гурнай-сюр-Марн. На 10 декември 1826 г. е подписан указът за организиране на кралския щабен корпус, а на 31 декември Сади е командирован в 7-и пехотен полк с гарнизон в Тионвил. „Ангажиран с въпроси от интерес, които не можех да изоставя изведнъж, без да претърпя значителни загуби за мен“, Сади получава тримесечен отпуск с половин заплата. На 6 март 1827 г. той повтаря молбата си, като изтъква, че няма способности за служба в пехотата, и получава възстановяване в инженерните войски от 25 март 1827 г. и продължаване на отпуска, този път без заплащане, до 15 септември 1827 г. След реорганизация на персонала е изпратен в Осон, бивша крепост в Кот д’Ор. На 27 септември 1827 г. е повишен в чин втори капитан от инженерните войски.

Подаване на оставка

На 21 април 1828 г. Сади предлага оставката си от армията „заради управлението на личните ми дела и особено заради грижите, които трябва да се полагат за един съдебен процес, в който съм заинтересован, далеч не виждам края, виждайки, че положението ми не ме поставя в състояние да изпълнявам задълженията си днес, без да компрометирам това, което притежавам“. На 19 май 1828 г. Министерството на войната приема оставката му: след напускането на училището в Мец Сади Карно е изкарал едва петнадесет месеца активна военна служба, включваща топографски проучвания. Що се отнася до съдебния процес, в който изглежда е участвал, е трудно да се разбере повече, въпреки че в адресната му книга се споменава името на Жиро, който имал адвокатска кантора на улица „Сент Ан“. Въпреки че не е придобил статута на демисол, Сади вече може да се върне в Париж и да се посвети на учене и лични изследвания.

Кръстникът на Сади, неговият дядо по майчина линия Дюпон, му завещава близо един милион златни франка, когато умира през 1807 г., от които Лазар Карно получава една трета. Делът на Сади от наследството му позволява да води спокоен живот на скромен рентиер, но този живот без плам и динамика несъмнено се налага заради влошеното му здраве. Когато библиотекарят Амброаз Фурси го пита за професията му за неговата „История на политехническата гимназия“, Сади Карно заявява, че е „строител на парни машини“. Името му обаче не фигурира в нито един списък на производителите, като например този, който се публикува всяка година в Almanach Bottin. Дали е възнамерявал да се занимава с тази професия, дали е играл ролята на инженер-консултант, дали е дал пари назаем на производител, или това е било просто шега? Трябва също да се отбележи, че Сади Карно никога не е подавал патенти и че не е заемал катедра или изпитна длъжност в създадената през 1829 г. Централна школа за изкуства и производства, която отговаря за обучението на инженери за частната индустрия. На 17 август 1830 г. е създадена Политехническата асоциация, която обединява бивши ученици на училището и към която Сади Карно веднага се присъединява.

Наредбата от 10 февруари 1831 г. предвижда създаването на артилерийска рота във всеки окръг и „след дребен тормоз, който понякога е много незначителен“ Сади е приет в 8-а артилерийска рота с чин подофицер или най-много ефрейтор.

През август 1831 г. публикуването на два мемоара от Пиер Луи Дюлон го подтиква да възобнови работата си върху физичните свойства на газовете. Същата година получава пристъп на скарлатина и се разболява тежко, като за известно време получава пристъпи на делириум. През април 1832 г. Revue Encyclopédique съобщава за работата на барон Блен в статия, подписана с S.C., вероятно Сади Карно. Портретът, който художникът Деспоа рисува на Сади по това време, показва лицето на уморен човек с тревожен поглед, чието душевно равновесие вече не изглежда сигурно.

Здравословното му състояние не му позволява да присъства на срещата на Политехническата асоциация на 20 юни 1832 г., а Иполит отбелязва в библиографската си бележка, че „прекомерното занимание, на което се е отдал, го разболява към края на юни 1832 г.“. На 3 август е приет в дома за възрастни хора на лекаря алиенист Жан-Етиен Ескирол, намиращ се на улица „Сена“ 7 (днес улица „Ленин“), където лекарят поставя диагноза мания, т.е. генерализиран делириум с възбуда. Малко след това в регистъра на старческия дом в Иври е записано, че „излекуван от манията си, умира на 24 август 1832 г. от холера“. Смъртта е обявена същия ден в кметството на Иври от управителя на старческия дом, очевидно по такъв начин, че да избегне всякакво споменаване, сякаш е получил инструкции от Иполит. Иполит трябва да обяви смъртта и в кметството на 12-и район. Гражданското погребение е извършено в условията на почти пълна анонимност. Погребан е в древното гробище на Иври-сюр-Сен. След смъртта му личните му вещи (включително архивите му) са изгорени, за да се предотврати разпространението на болестта.

Техническо-научен контекст

За да разберем книгата на Сади Карно и да оценим оригиналността на труда, е необходимо да уточним състоянието на науката и техниката в разглежданата област през второто десетилетие на XIX век.

Когато младият Сади Карно постъпва в Политехническата гимназия, единствената утвърдена наука, основана на математиката, е механиката. Химията, електричеството, магнетизмът и топлината отбелязват бърз напредък, но не са достигнали етапа на математическа абстракция.

Науката за топлината става възможна благодарение на изобретяването на термометъра през XVII в. (по-специално термометъра на Санторио), но остава в полезрението на химиците и лекарите. Те са изложили аксиомата за запазване на топлината, която тогава са възприели като вещество: „калория“.

Работата на Бенджамин Томпсън (лорд Ръмфорд), Пиер-Симон дьо Лаплас, Жан-Батист Био, Симеон Дени Поасон и Жозеф Фурие дава възможност на математиците и физиците да проявят интерес към топлината, по-специално към изучаването на преноса на топлина.

В същото време метеоролозите разбират по-добре ролята на топлината в системата на вятъра или океанските течения, която се разглежда като голямата движеща сила на света. По-специално, адиабатното нагряване и охлаждане на въздуха се използва за обяснение на полеви наблюдения, като например стабилността на снежните полета на екватора.

Първите парни двигатели с практическо приложение се появяват в началото на XVIII в. и работят по следния начин: парата се използва за изтласкване на въздух от цилиндър, който след това се охлажда, така че парата кондензира и външното атмосферно налягане кара буталото да падне обратно надолу. След това парата се оставя да напълни цилиндъра и цикълът се повтаря (вж. машината на Томас Нюкомен). Тези машини са бавни и непостоянни в работата си, но са подходящи за изпомпване на вода от мините. В този контекст водата е най-подходящото работно вещество, още повече че при превръщането си в пара тя се разширява до около 1800 пъти първоначалния си обем.

През 60-те години на XIX в., за да премахне разточителното нагряване и редуващо се охлаждане на цилиндъра, Джеймс Уат кондензира парата в отделен студен цилиндър или кондензатор, докато основният цилиндър се поддържа горещ през цялото време. Освен това той използва гореща пара, за да спусне буталото в цилиндъра, като по този начин допълнително намалява топлинните загуби. Уат забелязва, че може да се постигне значителна икономия, ако подаването на пара се прекъсне преди буталото да се придвижи в цилиндъра: задържаната пара продължава да движи буталото надолу с леко намаляващо налягане. Когато парата премине в кондензатора, в нея остава известна „еластичност“ (налягане): това се нарича разширение. От друга страна, Джеймс Уат никога не е вярвал в машините с високо налягане, които е смятал за твърде опасни за ежедневна употреба; влиянието му е било такова, че този тип машини са се развили едва след смъртта му.

През 1805 г. корнуолският инженер Артър Улф патентова двигател с високо налягане, който използва два последователни цилиндъра (двойно съединение), за да постигне пълно разширяване на парата: този принцип има предимството, че намалява амплитудата на нагряване и охлаждане на всеки от цилиндрите и по този начин спестява гориво, за да увеличи производителността. Джейкъб Пъркинс, американски инженер, показва, че е възможно да се създаде парна машина, работеща при налягане, близко до 35 атмосфери. Сади Карно оценява високо тази работа, но посочва, че този двигател има недостатъка да не използва правилно принципа на разширение на Джеймс Уат.

Карно, както и неговите съвременници, е силно впечатлен от индустриалното превъзходство на Англия над Франция, което той обяснява с широкото използване на парната машина. От 1811 г. до 1840 г. изкуството да се изпомпва вода от корнуолските мини се отразява редовно в месечното издание „Engine Reporter“, редактирано от Томас и Джон Лийн, и се повтаря в публикации като „Annals of Chemistry and Physics“. Тези рекорди категорично потвърждават превъзходството на машините с високо налягане. Освен това към 1820 г. повечето инженери изглеждат убедени, че има определена граница на количеството работа, което може да се извърши с дадено количество топлина.

Тези данни, истински ефемериди, имат предимството да превеждат действието на различните помпени машини по прост начин и директно в единици за работа (тегло на водата и височина, на която тя е била издигната). Сади Карно се вдъхновява от това в разсъжденията си за основните принципи на топлинните машини.

В началото на XIX век парната машина е усъвършенствана до такава степен, че някои хора вече са наясно с границите на нейното усъвършенстване. Инженер на име А. През 1816 г. Р. Бувие заявява, че за по-нататъшните подобрения ще са необходими не само механични, но и математически и физични.

По онова време шотландският инженер Еуърт твърди, че в идеалния случай дадено количество топлина може да произведе само определено количество работа.

Бьорхаав е забелязал, че системата, образувана от тела с различни температури, се стреми да достигне топлинно равновесие и че изолирано тяло никога няма да се нагрее спонтанно.

Накрая, през 1817 г. Жозеф Фурие посочва, че топлинното излъчване трябва да се подчинява на синусоидален закон на излъчване. Неговата демонстрация, че отхвърлянето на този закон би довело до допускането на възможността за вечно движение, вероятно е първата употреба на подобно разсъждение извън Галилеевата механика. Трябва да се отбележи, че Сади Карно използва същото разсъждение във втората част на „Рефлексии“ с теоремата за максималната ефективност.

Публикация

Трудът, състоящ се от 118 страници и пет фигури, е публикуван в самостоятелно издание от A-J-E Guiraudet Saint-Amé (X 1811 г.) с упоменаването на къщата Bachelier и е отпечатан в 600 екземпляра. Въпреки безспорната яснота на стила, поредицата от деликатни разсъждения, изложени от автора, е трудна за проследяване, тъй като той съзнателно се е отказал от алгебричния език в текста, като го е ограничил до няколко бележки под линия. Ако авторът възнамерява да въведе нови понятия, той използва лексиката на съвременните физици от своето време: закон, движеща се сила и не използва термините цикъл, адиабатно или обратимо преобразуване, дори и да се позовава на понятията, които те обозначават. В съдържателно отношение в книгата на Сади Карно е удобно да се разграничат четири части и въпреки че текстът не съдържа никакви разделения, авторът следва много настъпателен план, като същевременно прикрива преходите с кратки свързващи фрази, в съответствие с тогавашните реторични практики.

Топлинна и двигателна енергия

Първата част съдържа философско изложение на областта, обхваната от науката за топлината, разгледана от съвсем нова гледна точка: топлината като движещ фактор. В книгата си Карно не се занимава със същността на топлината, не се интересува от нагряването и охлаждането на различни тела, нито от условията, при които се предава топлина, както правят Жозеф Фурие и неговите последователи. Той не се е интересувал и от химичните и физиологичните ефекти на топлината.

Той се интересуваше от топлината като причина за големите природни движения, които се случват на Земята, системата на вятъра, океанските течения…; в това отношение той преувеличаваше нейното значение. Въпреки това Сади Карно е бил наясно и изглежда е бил първият, който е направил тази забележка, че ефективността на най-добрите и най-мощните парни машини е смешна в сравнение с огромните механични ефекти, предизвикани от топлината в естествения свят.

Сади Карно е в състояние да възприеме философска гледна точка, като се опира както на познанията си за работата на парните машини, така и на опита си в областта на метеорологията и геофизиката. От учебниците от онова време се вижда, че едва ли някой друг инженер би могъл да направи това, нито пък физик: първите не биха се заинтересували от такова абстрактно обобщение, а вторите не биха се интересували особено от двигателната сила. Само лорд Ръмфорд, който няколко години по-рано забелязва значително отделяне на топлина по време на отегчаването на оръжията, стига до заключението, че работата може да се превърне в топлина и че тези две понятия произлизат от една и съща същност.

Тази предварителна част на Разсъжденията съдържа основната идея, че навсякъде, където има разлика в температурата, има възможност за генериране на двигателна сила – идея, която играе централна роля в термодинамиката. Не по-малко важно е и нейното следствие: невъзможно е да се генерира двигателна сила, ако няма студено и горещо тяло. Това може да се счита за първото изказване на втория закон на термодинамиката, известен също като принципа на Карно, макар и все още в неточна форма.

Вероятно по онова време Сади Карно се е ръководил от идеята, че най-ефективните хидравлични машини са тези, които използват най-големия напор на водата: той е видял в това аналогия, с всички нюанси, които правят разликата със строгото сходство, между тази височина и разликата в температурите при топлинните двигатели. Въпреки това, ако проучването на данните, публикувани в Monthly Engine Reporter, за работата на двигателите с високо налягане не потвърди това разсъждение, интуицията му е била правилна.

Идеален цикъл на съвършен двигател

Втората част дефинира идеалния двигател и неговия идеален работен цикъл. За тази цел той си представя идеална машина, наричана машина на Карно, която може лесно да обменя топлина последователно с горещо и студено тяло (фигура 6). В изследването му топлинният двигател е стриктно сведен до основните му елементи:

Карно потвърждава, че разликата в температурата между горещото и студеното тяло, а не разликата в налягането, което изпитва действащото вещество, определя работата, извършена от двигателя. Изглежда, че той дължи тази важна идея на приятелите си Клеман и Дезорм.

Идеалният цикъл се подчинява на следното условие: веществото, което действа в цилиндъра, никога не трябва да бъде в контакт с тяло, което е по-студено или по-топло от него, за да няма излишен топлинен поток. Интересно е да се отбележи, че това условие съответства на условията, които баща му е посочил за определяне на максималната ефективност на хидравличните машини.

Всички температурни промени трябва да се дължат на разширяване или свиване на работното вещество. Първоначално сгъстено до високо налягане, работното вещество се разширява свободно: то избутва буталото и отнема топлина от горещото тяло, с което цилиндърът е в контакт (фигура 1). След това цилиндърът се отдалечава от горещото тяло, а веществото продължава да се разширява адиабатно, така че температурата му намалява, докато се изравни с тази на студеното тяло (фигура 2). Тази част от цикъла съответства на операцията „разширяване“ на машината на Джеймс Уат, но сега температурата на студеното тяло, а не налягането на кондензатора, бележи края на разширяването. След това цилиндърът се допира до студеното тяло и работното вещество се компресира, като топлината се „изхвърля“ от него (компресията продължава, така че работното вещество се нагрява адиабатно (фигура 4). Крайният резултат е само прехвърляне на топлина от горещото към студеното тяло и извършване на външна работа; работното вещество се връща в първоначалното си състояние и не се губи топлина.

Обратимост на цикъла на Карно

Сади Карно посочва, че цикълът е точно обратим: двигателят може да работи в обратна посока и тогава крайният резултат ще бъде изразходване на работа, равна на тази, произведена при работа в пряка посока, и предаване на същото количество топлина, но в този случай от студеното тяло към горещото. Обратимостта на цикъла е възможна, тъй като в нито един момент от цикъла няма ненужен топлинен поток. Ако имаше такъв поток, двигателят нямаше да е реверсивен. Реверсивният двигател е този, който дава най-добрата възможна ефективност, и Карно стига до заключението, че поради невъзможността за вечно движение парата е поне толкова задоволителна, колкото и всяко друго действащо вещество. Когато той твърди, че това е теоретично вярно, тогавашните инженери го възприемат като абстрактно потвърждение на това, което са научили на практика.

Приложения към физиката на газовете

В третата част Сади Карно показва, че фактът, че всички идеални топлинни двигатели имат еднакъв КПД, независимо от използвания газ или пара, има фундаментално значение за физиката на газовете. Карно доказва, че всички газове, които се разширяват или сгъстяват от едно налягане и обем до друго налягане и обем при постоянна температура, поглъщат или отделят едно и също количество топлина. Той може също така да изведе зависимости между специфичните топлини на газовете, т.е. специфичната топлина при постоянно налягане и специфичната топлина при постоянен обем. В бележка под линия, която е била пропусната от първите коментатори, той предлага ефективността на идеален топлинен двигател да бъде основа за абсолютна температурна скала.

Интуиция за въздушен двигател

В последната част на книгата Сади Карно отбелязва, че превъзходството на парните машини с високо налягане е неоспоримо, тъй като при тях се използва по-голям температурен пад, отколкото при машините с ниско налягане. Карно признава, че голямото предимство на водата като източник на пара – фактът, че тя се разширява изключително много в много малък температурен диапазон, е направило възможно реализирането на ранната парна машина. Въпреки това той стига до забележителното заключение, че това предимство би направило водата по-малко подходяща за топлинния двигател на бъдещето. Всъщност огромното увеличение на налягането при много малки повишения на температурата над 100 °C прави почти невъзможно функционирането в целия температурен диапазон от температурата на горене на въглища до температурата на кондензация на студена вода.

В резултат на това Сади Карно прогнозира, че след като бъдат решени различни технически проблеми, свързани със смазването и горенето, най-ефективният двигател вероятно ще бъде въздушният.

Приемане на работата

Работата е приета добре, включително от Академията на науките, пред която Пиер-Симон Жирар, директор на научно списание, представя работата на Карно на сесията на 14 юни 1824 г., допълнена с аналитичен отчет в устна форма пред колегите му на 26 юли. Ясно е, че представянето пред Академията под формата на мемоари несъмнено щеше да привлече повече внимание към работата на Сади Карно в научната общност, а публикуването в Recueil des Savants étrangers щеше да бъде естествено продължение. По този начин нито „великата френска наука“, представлявана от Френския институт, нито прочутото Политехническо училище реагират на публикуването на труда на Карно, тъй като не осъзнават напълно неговото значение. От своя страна Карно, който очевидно не е имал чувство за публичност, пропуска да изпрати копие до библиотеките на École des mines и École des ponts et chaussées, като по този начин се лишава от избрана аудитория, точно както не изпраща рецензия до Annales de chimie et de physique или Annales des mines. Освен това трябва да се отбележи, че въпреки ограничения тираж, някои непродадени копия са открити в неизрязан вид.

По отношение на инженерните науки само академик Пиер-Симон Жирар дава положителна оценка. По времето, когато се появяват „Рефлексиите“, инженерите вече са научили от опит, че парата е поне толкова задоволителна, колкото и всяко друго активно вещество. Когато Карно твърди, че това е теоретично вярно, това не се възприема като нищо повече от абстрактно потвърждение.

Освен това обясненията му за по-високата ефективност на парните машини с високо налягане се основават на данни, публикувани в Monthly Engine Reporter, и на работата на двигателите на Улф, работещи чрез разширяване под високо налягане, които са построени във Франция от Хъмфри Едуардс. Тези резултати обаче вероятно са свързани по-скоро със съвкупност от подобрения в детайлите, отколкото с реално термодинамично предимство. Следователно Сади Карно не е имал право да се позовава на превъзходството на парните машини с високо налягане в подкрепа на своите фундаментални теории.

С изключение на Nicolas Clément-Desormes, който, както се вижда от една лекция, изнесена на 25 януари 1825 г., препоръчва на слушателите си да прочетат книгата, физиците и другите учени несъмнено са били объркани от фундаменталните разсъждения, основани на принципите на парната машина.

Едва през 1834 г. Емил Клапейрон публикува статия в списанието на Политехническата гимназия, в която показва как идеите на Сади Карно могат да бъдат изразени математически, като същевременно се подчертава тяхната обяснителна стойност, и едва след повторното публикуване на „Рефлексиите“ от същия автор, допълнени от неговите коментари, Сади Карно постепенно започва да влияе на научната общност.

Благодарение на него Уилям Томсън се запознава с работата на Карно през 1851 г. В дълга поредица от статии от 1850 г. насам Томсън и Рудолф Клаузиус излагат принципа на запазване на енергията (а не на топлината) като основна основа на термодинамиката. За да се признае приносът на Рудолф Клаузиус, принципът на Карно е наречен принцип на Карно-Клаузиус. Този принцип дава възможност да се определи максималната ефективност на една термична машина като функция на температурите на горещите и студените източници – ефективност, която варира между 8 % и 30 % в зависимост от конструкцията на машините.

Остава въпросът: защо Сади Карно не е публикувал нищо през осемте години между публикуването на „Рефлексии“ и смъртта си? Въпреки че могат да бъдат предложени няколко обяснения, най-вероятната причина е, че той вече не вярва в теориите си и не е в състояние да създаде нова теория за топлината. С калоричността Сади Карно се сблъсква с едно от най-трудните епистемологични препятствия за преодоляване, което е било скъпо на Гастон Башелар: субстанциализма, т.е. монотонното обяснение на физичните свойства чрез субстанцията.

Сред посмъртните му трудове е запазен ръкопис, озаглавен „Recherche d’une formule propre à représenter la puissance motrice de la vapeur d’eau“, писан между ноември 1819 г. и март 1827 г., но вероятно след „Отраженията“. В него той излага първия закон на термодинамиката, като се опитва да изясни връзката между работата и топлината. Тази бележка е публикувана през 1878 г., т.е. твърде късно, за да повлияе на развитието на науката, от Иполит Карно в том, издаден в чест на брат му, в който той помества „Биографична бележка за Сади Карно“. През пролетта на 1832 г. Сади несъмнено открива принципа на еквивалентността и в кратки бележки излага заключенията на дълъг мемоар, който накрая е унищожен от Иполит. Тези бележки, публикувани също през 1878 г., показват, че по това време той вече се е отказал от теорията за калоричността, която все още прозира в есето му от 1824 г. и по отношение на която вече е изразил съмнения в „Размишленията“. Изглежда, че той е признал, че топлината не е нищо повече от движеща сила (днес бихме казали енергия), като е предложил числова стойност за механичния еквивалент на топлината с точност до 2%, десет години преди Юлиус Роберт фон Майер, и очевидно получена с по-голяма научна точност.

За да потвърди постиженията си, той начертава подробни експерименти, които днес бихме нарекли постоянна енталпия, подобни на тези на Бенджамин Томпсън. Но за разлика от Томпсън той възнамерява да измерва извършената работа и произведената топлина, като променя използваните материали. В този смисъл той имал големи надежди да намери постоянен механичен еквивалент на топлината, който да има еднаква стойност за всички експерименти. Той предвижда и измервания с помощта на газове и течности за изчисляване на механичния еквивалент на топлината.

Трудно е да се прецени дали той е могъл да проведе тези експерименти по задоволителен начин. Историята на термодинамиката все още е трябвало да тече, преди да се стигне до теорията, така че трудностите, които е трябвало да преодолее, едва ли могат да бъдат подценени.

Щеше да е необходимо да се убедят и голяма част от химиците и всички, които се занимаваха с изследване на електричеството: всички те бяха дълбоко привързани към теорията за калоричността. И накрая, едва Джеймс Прескот Джаул формулира окончателно динамичната теория на топлината. Седем години делят първата му публикация (1843 г.) от публикацията на Рудолф Клаузиус, който привежда динамичната теория за топлината (Джаул) в съответствие с теориите на Сади Карно.

В края на краищата е жалко, но за съжаление е вероятно Сади Карно да е умрял с убеждението, че се е провалил, докато всъщност той просто е основал обширен и фундаментален клон на науката със сложна структура – термодинамиката, която свързва физиката, химията, биологията и дори космологията.

Влияние на работата на Лазар Карно върху работата на сина му

За историка на науката възникват няколко въпроса относно връзката между трудовете на двамата инженери:

Работа по синтеза

За Д.С.Л. Кардуел книгата на Сади Карно, макар и много по-малко известна от „De revolutionibus orbium coelestium“ на Коперник, е със сходно значение в историята на съвременната наука, тъй като поставя основите на една изцяло нова дисциплина – термодинамиката.

И все пак работата на Карно има оригинално измерение. Коперник работи в ясно определена и призната дисциплина; той може да разчита на наследство от размишления и наблюдения, натрупани в продължение на две хилядолетия (ефемеридите). От друга страна, Сади Карно е трябвало да синтезира различни научни и технически дисциплини. За да направи това, той трябва да подбере данните, които да бъдат изследвани, да изгради теории от понятия, закони и принципи, извлечени от науките за топлината и механиката, които все още са отделни, от технологии в процес на развитие като парата или вече по-утвърдени като хидравликата, но които също са все още несвързани. Нещо повече, през 1824 г. той единствен вижда необходимостта от тази нова наука, както заради практическите ѝ приложения, така и поради по-фундаментални причини.

Революцията на Карно

От по-обща гледна точка работата на Сади Карно поставя началото на това, което Жак Гриневалд нарича революция на Карно, довела до прехода към термоиндустриално общество с масово използване на изкопаема енергия (въглища, а след това и нефт). От този момент нататък силата на огъня позволява появата на нова машина, изградена около двигател, която представлява разклонение в историята на инструмента. Тя позволява да се премахне движещата сила на човека, на животното, на обичайните природни елементи като вятър и вода, за да се придаде смисъл на старото колективно представяне на одушевени същества – от Хефест до електрическия дух на Хадали. В същото време тази движеща сила на огъня ще наруши вековната връзка между технологията и непосредствената географска среда с безпрецедентното развитие на мрежи и потоци и географската концентрация на оборудване, която става възможна благодарение на делокализацията на тази сила.

Оценка и последици

Сади Карно открива двата закона, на които се основава цялата наука за енергията, въпреки препятствията, които изглеждат непреодолими. Той демонстрира изключителната сила на своята интуиция, като формулира законите си, когато фактите са недостатъчни по брой, а точността им – груба, и особено когато напредъкът на зараждащата се наука се задържа от погрешната теория за неразрушимия калорий.

Той интуитивно решава, че парната машина прилича на старата водна мелница, която произвежда енергия чрез пускане на вода от високо на по-ниско ниво, че тя произвежда енергия чрез пускане на топлина от високата температура на котела до по-ниската температура на кондензатора. Той смята, че тази разлика в температурата е ясно явление, но че спадът на топлината е много по-малко ясен, и внимава в закона си спадът на температурата да играе основна роля. Днес бихме казали, че той е разбрал, че има разлика между топлинната енергия и топлината, която пада като вода от мелницата. Знаем, че 40 години след книгата му е било необходимо да се определи ентропията от количеството топлина като еквивалент на вода в мелница, и се възхищаваме, че той е избегнал този сложен проблем и накрая пръв е отхвърлил калорийната теория.

Със своя универсален обхват трудът му вероятно е уникален в историята на съвременната наука и в този смисъл Никола Леонар Сади Карно със сигурност е един от най-проникновените и оригинални мислители, които нашата цивилизация е създала.

За някои от тях той ще остане „метеор в историята на науката“, изключителна фигура, за която „да създадеш основата на нова наука с лист хартия, молив и ум е възхитително дело“. „Смъртта на великите хора оставя толкова много съжаления, колкото и нови надежди.

През 1970 г. Международният астрономически съюз кръщава лунния кратер Карно на името на френския физик, а по-късно и астероида (12289) Карно.

На негово име е наречен методът на Карно – процедура за разпределение на енергията за оценка на продукти за комбинирано производство и изчисляване на физическата стойност на произведената топлина.

През 2006 г. във Франция беше създадена марката „Карно“, за да се развие връзката между обществените изследвания и социално-икономическите участници в отговор на техните нужди: това посвещение е в чест на това, което Сади Карно внесе във фундаменталната физика, като изследва един много приложен въпрос.

Външни връзки

Източници

1. Sadi Carnot (physicien)
2. Сади Карно (физик)
3. Sadi est le seul prénom mentionné pour l’état civil, Nicolas et Léonard étant des prénoms de baptême.
4. ^ (US) M. Hippolyte Carnot, Life of Sadi Carnot , Second revised edition, John Wiley & Sons, 1897
5. ^ (FR) Autori vari, Sadi Carnot et l’essor de la thermodynamique, CNRS Éditions 1 Septembre 1998 ISBN 2-222-01818-8
6. ^ 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}} .
7. ^ 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)
8. ^ In realtà oggi sappiamo che quest’affermazione è scorretta poiché si è dimostrato che il calore specifico dipende unicamente dai gradi di libertà del gas liberato.
9. ^ Bachelard, Gaston. The Formation of the Scientific Mind.
10. ^ „Sadi Carnot – Biography“. Maths History. Retrieved 2022-06-02.
11. 2,0 2,1 MacTutor History of Mathematics archive. Ανακτήθηκε στις 22  Αυγούστου 2017.
12. Sadi Carnot et l’esor de la thermodynamique, CNRS Éditions
13. 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.
14. Chisholm 1911.
15. Carnot 1890