Nicolas Léonard Sadi Carnot

Delice Bette | 1 listopadu, 2022

Souhrn

Nicolas Léonard Sadi Carnot byl francouzský fyzik a inženýr, který se narodil 1. června 1796 v Paříži a zemřel 24. srpna 1832 v Ivry-sur-Seine nebo v Paříži.

Během své krátké kariéry (zemřel na choleru ve věku 36 let) vydal Sadi Carnot pouze jednu knihu (stejně jako Koperník): Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, v roce 1824, v níž ve svých 27 letech vyjádřil to, co se stalo jeho životním dílem a významnou knihou v dějinách fyziky.

V této práci položil základy zcela nové disciplíny, termodynamiky. V té době tento termín ještě neexistoval, v polovině 19. století ho vymyslel William Thomson. Byl to však Sadi Carnot, kdo navzdory nepřesnosti některých svých koncepcí (přijetí teorie tepla a axiomu zachování tepla) objevil tuto vědu, která byla stejně zásadní z teoretického hlediska jako plodná z hlediska praktických aplikací.

Sadi Carnot formuloval zdůvodněný popis tepelného motoru a základní principy, podle kterých se dnes konstruují všechny elektrárny, výbuchové nebo proudové motory. Ještě pozoruhodnější je, že k této genezi došlo v době, kdy ještě žádný předchůdce nedefinoval povahu a rozsah tohoto předmětu. Myšlenková cesta Sadiho Carnota, založená na čistě technických zájmech, jako je zlepšení výkonu parního stroje, je originální a je předzvěstí důležitého vývoje, který se odehrál v této klíčové době pro moderní vědu.

Sadi Carnot, nejstarší syn Lazara Carnota (1753-1823), známého jako „Velký Carnot“ nebo „organizátor vítězství“, se narodil v Paříži, v paláci Petit-Luxembourg, kde měl jeho otec, jeden z pěti výkonných ředitelů republiky, svůj služební byt. Jeho křestní jméno pochází ze jména perského básníka Saadího ze Šírázu, kterého jeho otec velmi obdivoval.

V době Sadiho narození byl Lazare Carnot na vrcholu své kariéry. Matematik a inženýr, žák Gasparda Mongeho a autor eseje o strojích obecně (1783), Lazare Carnot byl také voják, vůdce lidí a revolucionář. V roce 1789 byl zvolen do Ústavodárného shromáždění a poté do Konventu a hlasoval pro smrt krále Ludvíka XVI. Během válek Francouzské revoluce získal v rámci Výboru veřejné bezpečnosti přezdívku „organizátor vítězství“. Poté, co byl členem direktoria, byl v roce 1800 šest měsíců ministrem války Napoleona Bonaparta a poté ministrem vnitra během Sto dnů v roce 1815. V říjnu téhož roku byl po Napoleonově porážce vypovězen jako regicid. Žil v Belgii, pak v Polsku a Německu, kde zemřel, aniž by se kdy vrátil do Francie.

Jeho matka Sophie Dupontová (1764-1813) pocházela z bohaté rodiny v Saint-Omer.

Sadi Carnot měl mladšího bratra Hippolyta Carnota (1801-1888), který udělal politickou kariéru: v letech 1839-1848 byl poslancem, v roce 1848 ministrem školství, odmítl podpořit druhé císařství a za třetí republiky se stal opět poslancem, v roce 1875 byl zvolen do Senátu a v roce 1887 byl členem Académie des sciences morales et politiques. Sadi Carnot byl strýcem Marie François Sadi Carnotové (známé také jako Sadi Carnot), která byla v roce 1887 zvolena prezidentkou Francouzské republiky a v roce 1894 zavražděna anarchistou Sante Geronimem Caseriem.

Nikdy se neoženil a neměl žádné potomky.

Přečtěte si také, zivotopisy – Baron Haussmann

Raná léta

Po státním převratu ze 4. září 1797 musel Lazare Carnot opustit Francii, což trvalo až do ledna 1800, kdy mu Bonaparte udělil milost; v tomto období žil Sadi Carnot se svou matkou v rodinném domě v Saint-Omer. V srpnu 1807 se Lazare Carnot, který se po zrušení tribunálu vrátil do soukromého života, rozhodl postarat se o vzdělání svých dvou synů a vyučovat je matematice, přírodním vědám, jazykům a hudbě.

V roce 1811 nastoupil Sadi Carnot na Lycée Charlemagne do přípravné třídy Pierra-Louise Marie Bourdona, aby se připravil na přijímací zkoušky na École Polytechnique. Sadi Carnot dosáhl 1. června 1812 minimálního věku 16 let a v srpnu následujícího roku se mohl zúčastnit výběrové zkoušky, na níž byl přijat jako 24. ze 179 uchazečů a 2. listopadu zařazen do druhé divize.

Přečtěte si také, zivotopisy – Zikmund II. August

Polytechnik

V letech 1812-1813 fungovaly kurzy normálně i přes neúspěchy císařských armád. Jeho učiteli byli Reynaud pro analýzu, Poisson pro mechaniku, Hachette pro deskriptivní geometrii, Louis Jacques Thénard pro obecnou a aplikovanou chemii, Jean-Henri Hassenfratz pro fyziku a François Arago pro infinitezimální počet a teorii strojů. V tomto prvním ročníku ho učili také muži jako Alexis Petit fyziku a Pierre Louis Dulong chemii, jejichž práce později využil. Zdá se, že v říjnu 1813 dokonce uvažovali o jeho okamžitém přeřazení do dělostřeleckého oddílu školy v Metz, ale nakonec ho považovali za příliš mladého.

Druhý rok byl z hlediska výuky méně plodný. Koncem ledna 1814 postupně přerušilo výuku začlenění studentů do tří rot dělostřeleckého sboru Národní gardy. Ve dnech 29. a 30. března 1814 bojoval Sadi Carnot, jeden ze šesti desátníků roty, s polytechnickým praporem a dostal se pod palbu v neškodné potyčce při obraně pevnosti ve Vincennes proti spojencům; to byla pravděpodobně jeho jediná bojová zkušenost. Vyučování bylo obnoveno 18. dubna, ale Sadi se vrátil až 12. května. Dne 12. října 1814 byl prohlášen za způsobilého pro veřejnou službu, a to na 10. místě v obecném seznamu 65 studentů, kteří zůstali v jeho třídě. Na zvláštním seznamu deseti studentů přijatých na vojenské inženýrství jako podporučík na École d“application de l“artillerie et du génie v Metz se umístil na 5. místě. Tím skončilo klíčové období jeho vzdělávání, na které se odvolával, když publikoval své Réflexions a podepsal se „Sadi Carnot, bývalý student Ecole Polytechnique“.

Přečtěte si také, zivotopisy – Anthony Eden

Škola Metz

Sadi Carnot získal 1. října 1814 titul inženýrského kadeta a v posledních dnech roku 1814 nastoupil po odpočinkovém období na École de Metz. Na této prestižní škole, dědici Královské inženýrské školy v Mézières, absolvoval kurzy aplikované matematiky a fyziky Françoise-Marie Dubuata a Jacquese Frédérica Française, chemie aplikované na vojenské umění a pyrotechniky Chevreuse. Jeho propůjčení hodnosti podporučíka u 2. pluku sapérů, které označuje jeho absolvování školy a skutečný vstup do vojenské kariéry, je datováno 2. dubna 1817. Podle tradice mu byla okamžitě udělena tříměsíční dovolená, kterou si prodloužil až do 15. října 1817 a jejíž většinu pravděpodobně strávil v rodinném domě v Nolay u svého strýce, generálporučíka Carnota de Feulins.

Přečtěte si také, bitvy – Bitva u Grunwaldu

První úkoly

S příchodem míru v roce 1815 se musel věnovat rutinnímu životu v posádce s malými vyhlídkami. Jako syn republikánského vůdce v exilu byl považován za nebezpečného, a tak bylo zařízeno, aby jeho působiště bylo daleko od Paříže.

Sadi Carnot byl pravidelně přeložen, kontroloval opevnění, vypracovával plány a psal četné zprávy. Jeho doporučení však byla zjevně ignorována a jeho kariéra stagnovala.

Rozkazem z 6. května 1818 byl zřízen královský štábní sbor a škola pro výcvik generálního štábu armády. 15. září 1818 dostal Sadi Carnot šestiměsíční dovolenou, aby se mohl připravit na přijímací zkoušky v Paříži.

Přečtěte si také, zivotopisy – Robert Smithson

Instalace v Paříži

Rozkazem z 20. ledna 1819 byl přijat do pařížského generálního štábu v hodnosti poručíka, byl přeložen na dovolenou a jako vědecký pracovník pobíral dvě třetiny svého hrubého platu. Sadi Carnot žil vedle svého strýce Josepha v malém bytě ve čtvrti Marais, který obýval až do poloviny roku 1831, a navštěvoval kurzy na Sorbonně a Collège de France, nikoli však na École des Mines, k čemuž potřeboval povolení vyšší správy, o které nikdy nepožádal, a kde se mohl setkat s mladým Emilem Clapeyronem. Studoval na Conservatoire National des Arts et Métiers, kde Clément-Desormes vyučoval chemii aplikovanou v umění a Jean-Baptiste Say ekonomii průmyslu. Navštěvoval také Jardin des plantes a Královskou knihovnu, ale také muzeum Louvre a Italské divadlo v Paříži. Sadi Carnot se zajímal o průmyslové problémy, navštěvoval dílny a továrny, studoval teorii plynů a nejnovější teorie politické ekonomie. Zanechal podrobné návrhy k aktuálním problémům, jako jsou daně, ale fascinovala ho matematika a umění.

Členové kruhu, který navštěvoval, byli radikální a republikánští a jeho nejbližšími přáteli byli Nicholas Clément a Charles Desormes, vědci a průmysloví chemici, editoři „Mémoire sur la théorie des machines à feu“ a jediní fyzikové, s nimiž se před napsáním Réflexions skutečně stýkal.

V létě 1820 se Sadi opět setkal se svým bratrem Hippolytem, který přijel na několik dní do Francie a žil se svým otcem. Dne 23. června 1821 mu ministerstvo války udělilo neplacenou dovolenou, aby mohl navštívit svého otce v exilu v Magdeburku. Tam se spolu s otcem začal zajímat o parní stroje, protože právě v Magdeburku byl o tři roky dříve sestrojen první stroj. Po návratu do Paříže začal přemýšlet o tom, co se stalo známým jako termodynamika. Jeho první významná díla pocházejí z let 1822-1823. Když jeho otec v srpnu 1823 zemřel, vrátil se do Paříže jeho bratr Hippolyte a pomáhal mu s jeho spisy, „aby jim porozuměli lidé, kteří se věnují jiným studiím“. Od svého propuštění se Sadi držel stranou politických proudů, které přitahovaly liberální mládež, a nezdálo se, že by ho přitahovaly organizované vědecké skupiny, jako byla Société philomathique de Paris, jejíž členové měli ambice vstoupit do Académie des Sciences. Zúčastnil se však polytechnicko-průmyslového setkání, kde zřejmě přednesl příspěvek o vzorci pro vyjádření hnací síly páry.

Přečtěte si také, zivotopisy – Alice Liddellová

Konec dostupnosti

V říjnu 1824 se probudil štábní poručík Sadi, který prováděl topografické práce na silnici z Coulommiers do Couilly-Pont-aux-Dames. V roce 1825 provedl podobné práce na silnici z Villeparisis k přívozu v Gournay-sur-Marne. Dne 10. prosince 1826 bylo podepsáno nařízení o organizaci královského štábu a 31. prosince byl Sadi přidělen k 7. pěšímu pluku s posádkou v Thionville. „Zabýval jsem se zájmovými záležitostmi, kterých jsem nemohl náhle zanechat, aniž bych utrpěl velmi značné ztráty“, a tak Sadi získal tříměsíční dovolenou s polovičním platem. Dne 6. března 1827 zopakoval svou žádost s poukazem na své nedostatečné schopnosti pro službu u pěchoty a dosáhl svého opětovného zařazení k ženistům od 25. března 1827 a pokračování v dovolené, tentokrát bez nároku na plat, až do 15. září 1827. Po reorganizaci štábu byl poslán do Auxonne, bývalé pevnosti na Zlatém pobřeží. Dne 27. září 1827 byl povýšen do hodnosti druhého kapitána ženijního vojska.

Přečtěte si také, zivotopisy – Betty Whiteová

Rezignace

Dne 21. dubna 1828 Sadi nabídl svou rezignaci na službu v armádě „pro správu mých osobních záležitostí a zejména pro péči, kterou je třeba věnovat soudnímu procesu, na němž jsem zainteresován, jsem daleko od konce, neboť vidím, že mé postavení mi neumožňuje vykonávat mé dnešní povinnosti, aniž bych ohrozil to, co mám“. Dne 19. května 1828 přijalo ministerstvo války jeho rezignaci: Sadi Carnot měl za sebou sotva patnáct měsíců aktivní vojenské služby, včetně topografických průzkumů. Pokud jde o soudní proces, kterého se zřejmě účastnil, je těžké zjistit více, i když v jeho adresáři je uvedeno jméno Giraudeau, který měl soudní praxi v ulici Sainte-Anne. Ačkoli Sadi nedosáhl statutu demi-solda, mohl se nyní vrátit do Paříže a věnovat se studiu a osobnímu bádání.

Sadiho kmotr, jeho dědeček z matčiny strany Dupont, mu po své smrti v roce 1807 odkázal téměř milion zlatých franků, z nichž Lazare Carnot obdržel třetinu. Sadiho dědický podíl mu umožňoval vést klidný život skromného rentiéra, ale tento život bez elánu a dynamiky byl nepochybně nutný kvůli jeho špatnému zdraví. Když se ho knihovník Ambroise Fourcy ptal na jeho profesi pro jeho Histoire de l“École polytechnique, Sadi Carnot prohlásil, že je „stavitel parních strojů“. Jeho jméno se však neobjevuje v žádném seznamu výrobců, který je každoročně zveřejňován v Almanachu Bottin. Měl v úmyslu vstoupit do této profese, hrál si na poradenského inženýra, půjčil peníze výrobci, nebo to byl jen vtip? Je třeba také poznamenat, že Sadi Carnot nikdy nepodal žádnou patentovou přihlášku a že nezastával žádnou katedru ani funkci zkoušejícího na École centrale des arts et manufactures, která byla založena v roce 1829 a měla za úkol připravovat inženýry pro soukromý průmysl. Dne 17. srpna 1830 byla založena Polytechnická asociace, která sdružovala bývalé studenty školy a k níž se Sadi Carnot okamžitě připojil.

Nařízení z 10. února 1831 stanovilo vytvoření roty dělostřelců v každém arrondissementu a „po drobném obtěžování, které bylo někdy velmi bezvýznamné“ byl Sadi přijat k 8. dělostřelecké rotě v hodnosti poddůstojníka nebo nanejvýš desátníka.

V srpnu 1831 ho vydání dvou pamětí Pierra Louise Dulonga přimělo k obnovení práce na fyzikálních vlastnostech plynů. V témže roce prodělal záchvat spály a vážně onemocněl, po určitou dobu trpěl záchvaty deliria. V dubnu 1832 přinesla Revue Encyclopédique zprávu o práci barona Bleina v článku podepsaném S.C., pravděpodobně Sadi Carnot. Portrét, který v této době nakreslil malíř Despoix, ukazuje tvář unaveného muže s ustaraným výrazem, jehož duševní rovnováha se již nezdá být jistá.

Jeho zdravotní stav mu nedovolil zúčastnit se schůze Polytechnické asociace 20. června 1832 a Hippolyte ve své bibliografické poznámce uvádí, že „nadměrné úsilí, kterému se věnoval, ho ke konci června 1832 přivedlo k nemoci“. Dne 3. srpna byl přijat do pečovatelského domu lékaře-cizince Jeana-Étienna Esquirola na adrese rue de Seine 7 (dnes rue Lénine), kde u něj lékař diagnostikoval mánii, tj. generalizované delirium s excitací. Krátce poté je v matrice pečovatelského domu v Ivry uvedeno, že „vyléčen z mánie, zemřel 24. srpna 1832 na choleru“. Úmrtí oznámil ještě téhož dne na radnici v Ivry ekonom domova důchodců, zřejmě tak, aby se o něm nemluvilo, jako by dostal instrukce od Hippolyta. Hippolyte také musel oznámit úmrtí na radnici 12. obvodu. Občanský pohřeb se konal téměř v anonymitě. Byl pohřben na starobylém hřbitově v Ivry-sur-Seine. Po jeho smrti byly jeho osobní věci (včetně archivu) spáleny, aby se zabránilo šíření nákazy.

Přečtěte si také, dejiny – Britská Východoindická společnost

Technicko-vědecké zázemí

Abychom pochopili knihu Sadiho Carnota a ocenili originalitu díla, je třeba upřesnit situaci vědy a techniky ve zkoumané oblasti ve druhém desetiletí 19. století.

Když mladý Sadi Carnot nastoupil na École Polytechnique, jedinou zavedenou vědou založenou na matematice byla mechanika. Chemie, elektřina, magnetismus a teplo rychle postupovaly, ale nedosáhly stadia matematické abstrakce.

Věda o teple byla umožněna vynálezem teploměru v 17. století (zejména Santoriova teploměru), ale zůstala předmětem zájmu chemiků a lékařů. Předložili axiom zachování tepla, které tehdy pojali jako látku: „kalorické“.

Práce Benjamina Thompsona (lorda Rumforda), Pierra-Simona de Laplace, Jeana-Baptista Biota, Siméona Denise Poissona a Josepha Fouriera umožnily matematikům a fyzikům zajímat se o teplo, zejména o jeho přenos.

Ve stejné době meteorologové lépe chápali roli tepla ve větrném nebo oceánském proudění, které bylo považováno za velkou hybnou sílu světa. Zejména adiabatické ohřívání a ochlazování vzduchu bylo použito k vysvětlení terénních pozorování, jako je stabilita sněhových polí na rovníku.

První prakticky použitelné parní stroje se objevily na počátku 18. století a fungovaly následovně: pára vytlačila vzduch z válce, který se následně ochladil, takže pára zkondenzovala a vnější atmosférický tlak způsobil pád pístu zpět dolů. Pára se pak nechala doplnit do válce a cyklus se opakoval (viz stroj Thomase Newcomena). Tyto stroje měly pomalý a nepravidelný provoz, ale dobře se hodily k čerpání vody z dolů. V této souvislosti byla voda nejvhodnější pracovní látkou, zejména proto, že se při přeměně na páru rozpíná na přibližně 1800násobek svého původního objemu.

V 60. letech 17. století James Watt, aby odstranil neekonomické zahřívání a střídavé ochlazování válce, kondenzoval páru v samostatném studeném válci neboli kondenzátoru, zatímco hlavní válec byl stále horký. Kromě toho použil horkou páru ke spouštění pístu do válce, čímž dále snížil tepelné ztráty. Watt si všiml, že lze dosáhnout značné úspory, pokud se přívod páry přeruší před pohybem pístu do válce: zachycená pára bude pokračovat v pohybu pístu směrem dolů s mírně klesajícím tlakem. Když pára prošla kondenzátorem, zůstala jí určitá „pružnost“ (tlak): tomu se říká expanze. Na druhou stranu James Watt nikdy nevěřil ve vysokotlaké stroje, které považoval za příliš nebezpečné pro každodenní použití; jeho vliv byl takový, že se tento typ strojů skutečně rozvinul až po jeho smrti.

V roce 1805 si cornwallský inženýr Arthur Woolf nechal patentovat vysokotlaký směsný motor využívající dva po sobě jdoucí válce (dvojitá směs) k dosažení úplné expanze páry: výhodou tohoto principu je snížení amplitudy zahřívání a ochlazování každého z válců, a tedy úspora paliva při zvýšení výkonu. Americký inženýr Jacob Perkins ukázal, že je možné sestrojit parní stroj pracující při tlaku blízkém 35 atmosférám. Sadi Carnot tuto práci ocenil, ale upozornil, že tento motor má tu vadu, že nevyužívá správně princip expanze Jamese Watta.

Stejně jako na jeho současníky i na Carnota udělala velký dojem průmyslová převaha Anglie nad Francií, kterou přičítal rozsáhlému používání parního stroje. V letech 1811 až 1840 se o umění čerpání vody z cornwallských dolů pravidelně psalo v měsíčníku Monthly Engine Reporter, který vydávali Thomas a John Leanovi, a opakovaně v publikacích, jako byly Annals of Chemistry and Physics. Tyto rekordy definitivně potvrdily převahu vysokotlakých strojů. V roce 1820 se navíc zdálo, že většina inženýrů je přesvědčena, že existuje určitá hranice množství práce, kterou lze vykonat s daným množstvím tepla.

Tyto údaje, pravé efemeridy, měly tu výhodu, že jednoduše a přímo převáděly činnost různých čerpacích strojů na jednotky práce (hmotnost vody a výšku, do které byla zvednuta). Sadi Carnot se jím inspiroval při svých úvahách o základních principech tepelných strojů.

Na počátku 19. století byl parní stroj zdokonalen do té míry, že si někteří lidé již uvědomovali hranice jeho zdokonalení. Inženýr jménem A. R. Bouvier v roce 1816 prohlásil, že další zdokonalení bude vyžadovat matematiku a fyziku, a ne pouze mechanická vylepšení.

Skotský inženýr Ewart tehdy tvrdil, že dané množství tepla může v ideálním případě vytvořit pouze dané množství práce.

Boerhaave si všiml, že systém tvořený tělesy o různých teplotách má tendenci dosáhnout tepelné rovnováhy a že izolované těleso se nikdy samovolně nezahřeje.

Konečně Joseph Fourier v roce 1817 upozornil, že sálavé teplo se musí řídit sinusovým zákonem vyzařování. Jeho důkaz, že odmítnutí tohoto zákona by vedlo k připuštění možnosti perpetuum mobile, byl pravděpodobně prvním použitím takové úvahy mimo Galileovu mechaniku. Je třeba poznamenat, že Sadi Carnot použil stejnou úvahu ve druhé části Réflexions s větou o maximální účinnosti.

Přečtěte si také, civilizace – Savojští

Publikace

Dílo, které má 118 stran a pět obrázků, vydal A-J-E Guiraudet Saint-Amé (X 1811) vlastním nákladem s uvedením domu Bachelier a bylo vytištěno v nákladu 600 výtisků. Přes nespornou srozumitelnost stylu je obtížné sledovat řadu jemných úvah, které autor předkládá, protože se v textu záměrně zřekl algebraického jazyka a omezil jej na několik poznámek pod čarou. Pokud autor zamýšlí zavést nové pojmy, používá slovník současných fyziků své doby: zákon, pohyblivá síla a nepoužívá pojmy cykly, adiabatická nebo vratná přeměna, i když se odvolává na pojmy, které označují. Z hlediska obsahu je vhodné v knize Sadiho Carnota rozlišit čtyři části, a přestože text neobsahuje žádné členění, autor postupuje velmi asertivně, přičemž přechody maskuje krátkými spojovacími větami, v souladu s dobovými rétorickými postupy.

Přečtěte si také, zivotopisy – Richard Neville (16. hrabě z Warwicku)

Teplo a hnací síla

První část obsahuje filosofický výklad oblasti, kterou se zabývá věda o teple, a to ze zcela nového hlediska: teplo jako hnací síla. Carnot se ve své knize nezabývá podstatou tepla, nezajímá ho ohřívání a ochlazování různých těles ani podmínky, za kterých se teplo přenáší, jako to dělal Joseph Fourier a jeho následovníci. Nezabýval se ani chemickými a fyziologickými účinky tepla.

Zajímal se o teplo jako o příčinu velkých přírodních pohybů na Zemi, větrného systému, oceánských proudů…; v tomto ohledu jeho význam přeceňoval. Nicméně Sadi Carnot si byl vědom, a zřejmě jako první vyslovil tuto poznámku, že účinnost nejlepších a nejvýkonnějších parních strojů je směšná ve srovnání s obrovskými mechanickými účinky, které teplo v přírodě vyvolává.

Sadi Carnot dokáže zaujmout filozofický postoj, přičemž se opírá jak o své znalosti fungování parních strojů, tak o své odborné znalosti z meteorologie či geofyziky. Z dobových učebnic se zdá nepravděpodobné, že by to dokázal jiný inženýr, ani fyzik: první by se o takové abstraktní zobecnění nezajímal, druhý by se o hnací sílu nijak zvlášť nezajímal. Teprve lord Rumford o několik let dříve, když si všiml významného uvolňování tepla při vrtání zbraní, dospěl k závěru, že práci lze přeměnit na teplo a že tyto dva pojmy pocházejí ze stejné podstaty.

Tato úvodní část Úvah obsahuje základní myšlenku, že všude, kde je rozdíl teplot, existuje možnost vzniku hnací síly, což je myšlenka, která hraje ústřední roli v termodynamice. A neméně důležitý je i jeho důsledek: není možné vytvořit hnací sílu, pokud neexistuje jak studené, tak horké těleso. To lze považovat za první vyjádření druhého termodynamického zákona, známého také jako Carnotův princip, i když zatím v nepřesné podobě.

Je pravděpodobné, že Sadi Carnot se v té době řídil myšlenkou, že nejúčinnější hydraulické stroje jsou ty, které využívají největšího převýšení vody: viděl v tom analogii, se všemi nuancemi, které tvoří rozdíl s přísnou podobností, mezi touto výškou a rozdílem teplot u tepelných motorů. Pokud však studie údajů o výkonech vysokotlakých motorů zveřejněných v časopise Monthly Engine Reporter tuto úvahu nepotvrdila, byla jeho intuice správná.

Přečtěte si také, civilizace – Lan Xang

Ideální cyklus dokonalého motoru

Druhá část definuje dokonalý motor a jeho ideální provozní cyklus. Za tímto účelem si představil ideální stroj, běžně nazývaný Carnotův stroj, který může snadno střídavě vyměňovat teplo s horkým a studeným tělesem (obr. 6). V jeho studii je tepelný motor přísně redukován na své základní prvky:

Carnot potvrzuje, že práci vykonanou motorem určuje rozdíl teplot mezi horkým a studeným tělesem, a nikoli rozdíl tlaků působící látky. Zdá se, že za tuto důležitou myšlenku vděčí svým přátelům Clémentovi a Desormesovi.

Pro ideální cyklus platí tato podmínka: látka působící ve válci nesmí být nikdy v kontaktu s tělesem chladnějším nebo teplejším než ona sama, aby nedocházelo ke zbytečnému tepelnému toku. Je zajímavé, že tato podmínka odpovídá podmínkám, které uvedl jeho otec pro stanovení maximální účinnosti hydraulických strojů.

Všechny změny teploty musí být způsobeny rozpínáním nebo stlačováním pracovní látky. Pracovní látka, která je zpočátku stlačena na vysoký tlak, se volně rozpíná: tlačí na píst a odebírá teplo z horkého tělesa, s nímž je válec v kontaktu (obrázek 1). Poté se válec vzdaluje od horkého tělesa a látka se dále adiabaticky rozpíná, takže její teplota klesá, dokud se nevyrovná teplotě chladného tělesa (obrázek 2). Tato část cyklu odpovídá „expanzní“ operaci stroje Jamese Watta, ale nyní je to teplota chladného tělesa, a nikoli tlak kondenzátoru, který označuje konec expanze. Poté se válec dostane do kontaktu s chladným tělesem a pracovní látka se stlačí, přičemž se z ní „vypudí“ teplo (a stlačování pokračuje tak, že se pracovní látka adiabaticky zahřívá (obrázek 4). Čistým výsledkem byl pouze přenos tepla z horkého tělesa na chladné těleso a vytvoření vnější práce; pracovní látka se vrátila do původního stavu a žádné teplo se neztratilo.

Přečtěte si také, mytologie-cs – Mars (mytologie)

Vratnost Carnotova cyklu

Sadi Carnot upozorňuje, že cyklus je přesně reverzibilní: motor může pracovat v opačném směru a čistým výsledkem by pak byla spotřeba práce rovnající se práci vytvořené při provozu v přímém směru a přenos stejného množství tepla, ale v tomto případě ze studeného tělesa na horké těleso. Vratnost cyklu je možná, protože v žádném bodě cyklu nedochází ke zbytečnému toku tepla. Pokud by takový tok existoval, motor by nebyl reverzibilní. Reverzibilní motor je ten, který poskytuje nejlepší možnou účinnost, a Carnot došel k závěru, že pára je v důsledku nemožnosti perpetuum mobile přinejmenším stejně uspokojivá jako jakákoli jiná působící látka. Když tvrdil, že je to teoreticky pravda, tehdejší inženýři to považovali za abstraktní potvrzení toho, co se naučili v praxi.

Přečtěte si také, zivotopisy – Dr. Seuss

Aplikace ve fyzice plynů

Ve třetí části Sadi Carnot ukazuje, že skutečnost, že všechny ideální tepelné motory mají stejnou účinnost bez ohledu na použitý plyn nebo páru, má zásadní význam pro fyziku plynů. Carnot dokazuje, že všechny plyny, které se rozpínají nebo stlačují z jednoho tlaku a objemu na jiný tlak a objem při konstantní teplotě, buď pohlcují, nebo uvolňují stejné množství tepla. Dokáže také odvodit vztahy mezi měrnými skupenstvími plynů, tj. měrným teplem při konstantním tlaku a měrným teplem při konstantním objemu. V poznámce pod čarou, kterou první komentátoři přehlédli, naznačuje, že základem pro absolutní teplotní stupnici by mohla být účinnost ideálního tepelného motoru.

Přečtěte si také, zivotopisy – Jindřich II. Francouzský

Intuice vzduchového motoru

V poslední části knihy Sadi Carnot uvádí, že přednost vysokotlakých parních strojů je nezpochybnitelná, protože využívají většího teplotního spádu než nízkotlaké stroje. Carnot si uvědomuje, že velká výhoda vody jako zdroje páry, tedy její obrovská expanze ve velmi malém rozsahu teplot, umožnila realizaci raného parního stroje. Dochází však k pozoruhodnému závěru, že díky této výhodě by voda byla méně vhodná pro tepelný motor budoucnosti. Obrovský nárůst tlaku při velmi malém zvýšení teploty nad 100 °C totiž téměř znemožňuje provoz v celém rozsahu teplot od spalování uhlí až po kondenzaci studené vody.

Sadi Carnot proto předpověděl, že po vyřešení různých technických problémů týkajících se mazání a spalování bude pravděpodobně nejúčinnějším motorem motor vzduchový.

Přečtěte si také, zivotopisy – Karel Maria Isidor Bourbonský

Přijetí práce

Práce měla velký ohlas, mimo jiné i v Académie des Sciences, kde Pierre-Simon Girard, ředitel vědeckého časopisu, představil Carnotovu práci na zasedání 14. června 1824 a 26. července ji doplnil o analytický popis v ústní formě svým kolegům. Je zřejmé, že prezentace v Akademii formou memoárů by nepochybně přitáhla větší pozornost vědecké obce k práci Sadiho Carnota, na kterou by přirozeně navázala publikace v Recueil des Savants étrangers. „Velká francouzská věda“ reprezentovaná Francouzským institutem ani slavná École Polytechnique tedy na zveřejnění Carnotova díla skutečně nereagovaly, protože si plně neuvědomovaly jeho význam. Carnot, který zjevně neměl smysl pro publicitu, zase opomněl poslat kopii do knihoven École des mines a École des ponts et chaussées, čímž se připravil o vybrané publikum, stejně jako neposlal recenzi do Annales de chimie et de physique nebo Annales des mines. Kromě toho je třeba poznamenat, že navzdory omezenému nákladu se některé neprodané výtisky našly nerozřezané.

Z inženýrů se pochvalně vyjádřil pouze akademik Pierre-Simon Girard. V době, kdy se Réflexions objevily, už inženýři ze zkušenosti věděli, že pára je přinejmenším stejně uspokojivá jako jakákoli jiná účinná látka. Když Carnot tvrdil, že je to teoreticky pravda, bylo to považováno za pouhé abstraktní potvrzení.

Jeho vysvětlení vyšší účinnosti vysokotlakých parních strojů navíc vycházelo z údajů zveřejněných v časopise Monthly Engine Reporter a z výkonů Woolfových motorů pracujících s vysokotlakou expanzí, které ve Francii sestrojil Humphrey Edwards. Tyto výkony však pravděpodobně souvisely spíše se souhrnem zlepšení detailů než se skutečnou termodynamickou výhodou. Sadi Carnot tedy neměl pravdu, když se na podporu svých základních teorií odvolával na přednost vysokotlakých parních strojů.

S výjimkou Nicolase Clémenta-Desormese, který v přednášce 25. ledna 1825 doporučil svým posluchačům, aby si knihu přečetli, byli fyzikové a další vědci nepochybně zmateni základními úvahami založenými na principech parního stroje.

Teprve v roce 1834 publikoval Émile Clapeyron v časopise École Polytechnique článek, v němž ukázal, jak lze myšlenky Sadiho Carnota vyjádřit matematicky a zároveň zdůraznit jejich vysvětlující hodnotu, a teprve po opětovném vydání Réflexions stejným autorem, doplněném o jeho komentáře, začal Sadi Carnot postupně ovlivňovat vědeckou komunitu.

Díky tomu se William Thomson v roce 1851 dozvěděl o Carnotově práci. Thomson a Rudolf Clausius od roku 1850 v dlouhé řadě článků stanovili princip zachování energie (nikoliv tepla) jako základní princip termodynamiky. Jako uznání přínosu Rudolfa Clausia dostal Carnotův princip název Carnotův-Clausiův princip. Tento princip umožňuje určit maximální účinnost tepelného stroje v závislosti na teplotách jeho zdrojů tepla a chladu, přičemž tato účinnost se pohybuje mezi 8 a 30 % v závislosti na konstrukci stroje.

Otázkou zůstává, proč Sadi Carnot v období osmi let mezi vydáním Réflexions a svou smrtí nic nepublikoval? Ačkoli lze předložit několik vysvětlení, nejpravděpodobnějším důvodem je, že již neměl důvěru ve své teorie a nebyl schopen založit novou teorii tepla. Sadi Carnot se v případě kalorie potýkal s jednou z nejobtížnějších epistemologických překážek, která byla blízká Gastonu Bachelardovi: substancialismem, tj. monotónním vysvětlováním fyzikálních vlastností pomocí látky.

Mezi jeho posmrtnými spisy se dochoval rukopis s názvem Recherche d“une formule propre à représenter la puissance motrice de la vapeur d“eau, napsaný mezi listopadem 1819 a březnem 1827, ale pravděpodobně až po Reflections. V něm nastínil první termodynamický zákon a pokusil se objasnit souvislost mezi prací a teplem. Tuto poznámku nakonec v roce 1878, tedy příliš pozdě na to, aby ovlivnila vývoj vědy, publikoval Hippolyte Carnot ve svazku vydaném na počest svého bratra, do kterého vložil „Životopisnou poznámku o Sadi Carnotovi“. Na jaře roku 1832 Sadi nepochybně objevil princip ekvivalence a ve stručných poznámkách sepsal závěry dlouhého memoáru, který byl nakonec Hippolytem zničen. Tyto poznámky, publikované rovněž v roce 1878, naznačují, že v té době již opustil teorii kalorií, která ještě pronikala do jeho eseje z roku 1824 a o níž vyjádřil pochybnosti již v Úvahách. Zdá se, že připustil, že teplo není nic jiného než hnací síla (dnes bychom řekli energie), a navrhl číselnou hodnotu mechanického ekvivalentu tepla s přesností na 2 %, o deset let dříve než Julius Robert von Mayer, a zřejmě ji získal s větší vědeckou přesností.

Aby si ověřil své pokroky, načrtl podrobné experimenty, které bychom dnes nazvali konstantní entalpie, podobně jako Benjamin Thompson. Na rozdíl od Thompsona však hodlal měřit vykonanou práci a vyrobené teplo, přičemž měnil použité materiály. V tomto smyslu vkládal velké naděje do nalezení konstantního mechanického ekvivalentu tepla, který by měl stejnou hodnotu pro všechny experimenty. Předpokládal také měření pomocí plynů a kapalin pro výpočet mechanického ekvivalentu tepla.

Těžko říci, zda by tyto experimenty dokázal uspokojivě provést. Historie termodynamiky se musela ještě rozběhnout, než se k teorii dospělo, takže obtíže, které by musel překonat, lze jen stěží podceňovat.

Bylo by také nutné přesvědčit zejména velkou část chemiků a všechny, kdo se zabývali výzkumem elektřiny: všichni byli hluboce spjatí s teorií kalorie. Dynamickou teorii tepla nakonec formuloval až James Prescott Joule. Sedm let dělilo jeho první publikaci (1843) od publikace Rudolfa Clausia, která uvedla dynamickou teorii tepla (Joule) do souladu s teoriemi Sadiho Carnota.

Nakonec je nešťastné, ale bohužel pravděpodobné, že Sadi Carnot zemřel v přesvědčení, že selhal, zatímco ve skutečnosti pouze založil rozsáhlý a základní vědní obor se složitou strukturou, termodynamiku, která propojuje fyziku, chemii, biologii a dokonce i kosmologii.

Přečtěte si také, zivotopisy – Matyáš Korvín

Vliv práce Lazare Carnota na práci jeho syna

Pro historika vědy vyvstává několik otázek týkajících se vztahu mezi díly obou inženýrů:

Přečtěte si také, dejiny – Osmdesátiletá válka

Práce na syntéze

Podle D. S. L. Cardwella má kniha Sadiho Carnota, ačkoli je mnohem méně známá než Koperníkovo dílo De revolutionibus orbium coelestium, srovnatelný význam v dějinách moderní vědy, protože položila základy zcela nové disciplíny: termodynamiky.

Carnotova práce má však originální rozměr. Koperník pracoval v jasně definované a uznávané disciplíně; mohl se opřít o dědictví úvah a pozorování nashromážděných za dvě tisíciletí (efemeridy). Sadi Carnot musel naopak syntetizovat různé vědecké a technické obory. K tomu musel vybrat údaje, které se mají studovat, vytvořit teorie z pojmů, zákonů a principů odvozených z věd o teple a mechanice, které byly dosud oddělené, z technologií v plném rozvoji, jako je pára, nebo již více zavedených, jako je hydraulika, ale které byly také ještě nespojité. Navíc on sám viděl v roce 1824 potřebu této nové vědy, a to jak pro její praktické využití, tak i ze zásadnějších důvodů.

Přečtěte si také, bitvy – Francisco Vásquez de Coronado

Karnevalová revoluce

Z obecnějšího hlediska práce Sadiho Carnota znamenala počátek toho, co Jacques Grinevald nazývá Carnotovou revolucí, která vedla k přechodu na tepelně-průmyslovou společnost s masivním využíváním fosilní energie (uhlí a poté ropy). Od té doby umožnila síla ohně vznik nového stroje, postaveného na motoru, který představoval rozštěpení v dějinách nářadí. Umožňuje vytěsnit hybnou sílu člověka, zvířete, obvyklých přírodních živlů, jako je vítr a voda, a dát tak smysl starému kolektivnímu zobrazení oživlých bytostí, od Héfaista po elektrického ducha Hadaly. Zároveň tato hnací síla ohně naruší odvěkou vazbu mezi technologií a bezprostředním geografickým prostředím, a to díky nebývalému rozvoji sítí a toků a geografické koncentraci zařízení, která je možná díky delokalizaci této síly.

Přečtěte si také, zivotopisy – Giotto di Bondone

Hodnocení a následky

Sadi Carnot objevil dva zákony, na nichž je založena celá věda o energii, a to navzdory překážkám, které se zdály nepřekonatelné. Výjimečnou sílu své intuice prokázal tím, že své zákony vyslovil v době, kdy byl počet faktů nedostatečný a jejich přesnost hrubá, a zejména v době, kdy pokrok rodící se vědy brzdila chybná teorie o nezničitelném kaloriku.

Intuitivně usoudil, že parní stroj se podobá starému vodnímu mlýnu, který vyrábí energii klesáním vody z vyšší hladiny na nižší, že vyrábí energii klesáním tepla z vysoké teploty kotle na nižší teplotu kondenzátoru. Domníval se, že tento rozdíl teplot je jasným jevem, ale že samotný pokles tepla je mnohem méně významný, a ve svém zákoně si dal záležet na tom, aby pokles teploty hrál zásadní roli. Dnes bychom řekli, že tušil, že je rozdíl mezi tepelnou energií a teplem padajícím jako voda z mlýna. Víme, že trvalo 40 let po jeho knize, než definoval entropii z množství tepla jako ekvivalent mlýnské vody, a obdivujeme, že se tomuto ošemetnému problému vyhnul a nakonec nejprve odmítl kalorickou teorii.

Svým univerzálním rozsahem je jeho dílo v dějinách moderní vědy pravděpodobně jedinečné a v tomto smyslu byl Nicolas Léonard Sadi Carnot jistě jedním z nejpronikavějších a nejoriginálnějších myslitelů, které naše civilizace vytvořila.

Pro některé zůstane „meteorem v dějinách vědy“, výjimečnou postavou, pro niž „vytvořit s listem papíru, tužkou a myslí základy nové vědy, to je zcela obdivuhodný čin“. „Smrt velkých mužů zanechává tolik lítosti jako nových nadějí.

V roce 1970 Mezinárodní astronomická unie pojmenovala měsíční kráter Carnot po francouzském fyzikovi a později i planetku (12289) Carnot.

Je po něm pojmenována Carnotova metoda, postup rozdělování exergie pro hodnocení kogeneračních produktů a výpočet fyzikální hodnoty tepelného výkonu.

V roce 2006 byla ve Francii vytvořena Carnotova značka, jejímž cílem je rozvíjet rozhraní mezi veřejným výzkumem a socioekonomickými subjekty v reakci na jejich potřeby: toto věnování vzdává hold tomu, co Sadi Carnot přinesl do základní fyziky zkoumáním velmi aplikované otázky.

Přečtěte si také, zivotopisy – Johannes Gutenberg

Externí odkazy

Zdroje

1. Sadi Carnot (physicien)
2. Nicolas Léonard Sadi Carnot
3. Sadi est le seul prénom mentionné pour l’état civil, Nicolas et Léonard étant des prénoms de baptême.
4. Bachelard 1993.
5. « Bonaparte et les prénoms », sur www.lhistoire.fr, L“Histoire, novembre 2018 (consulté le 21 mars 2022)
6. ^ (US) M. Hippolyte Carnot, Life of Sadi Carnot , Second revised edition, John Wiley & Sons, 1897
7. ^ Bachelard, Gaston. The Formation of the Scientific Mind.
8. ^ „Sadi Carnot – Biography“. Maths History. Retrieved 2022-06-02.
9. ^ a b Sadi Carnot et l’essor de la thermodynamique, CNRS Éditions
10. ^ Thomass, T (2003). „Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832)“ (PDF). Université de Technologie de Compiègne. Archived from the original (PDF) on 2017-02-15. Retrieved 2014-07-19.
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.