Sadi Carnot (fysiker)

gigatos | januar 17, 2023

Resumé

Nicolas Léonard Sadi Carnot var en fransk fysiker og ingeniør, født den 1. juni 1796 i Paris og død den 24. august 1832 i Ivry-sur-Seine eller Paris.

I løbet af sin korte karriere (han døde af kolera i en alder af 36 år) udgav Sadi Carnot kun én bog (ligesom Kopernikus): Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à develop cette puissance, i 1824, hvori han i en alder af 27 år udtrykte det, der viste sig at blive hans livsværk og en vigtig bog i fysikkens historie.

I dette arbejde lagde han grunden til en helt ny disciplin, termodynamikken. På det tidspunkt fandtes udtrykket ikke; det var William Thomson, der opfandt det i midten af det 19. århundrede. Men det var Sadi Carnot, der trods upræcise begreber (hans accept af varmeteorien og aksiomet om varmens bevarelse) opdagede denne videnskab, som var lige så grundlæggende fra et teoretisk synspunkt som frugtbar med hensyn til praktiske anvendelser.

Sadi Carnot formulerede den begrundede redegørelse for varmemotoren og de grundlæggende principper, som alle kraftværker, eksplosions- og jetmotorer er konstrueret efter i dag. Det er endnu mere bemærkelsesværdigt, at denne tilblivelse fandt sted, da ingen forgænger endnu havde defineret emnets karakter og omfang. Sadi Carnots intellektuelle vej, der er baseret på rent tekniske hensyn som f.eks. at forbedre dampmaskinens ydeevne, er original og varsler vigtige udviklinger, der fandt sted på dette afgørende tidspunkt for den moderne videnskab.

Sadi Carnot var ældste søn af Lazare Carnot (1753-1823), kendt som “den store Carnot” eller “sejrens organisator”, og blev født i Paris i Petit-Luxembourg-paladset, hvor hans far, en af republikkens fem eksekutivdirektører, havde sin officielle lejlighed. Hans fornavn stammer fra navnet på den persiske digter Saadi af Shiraz, som hans far beundrede meget.

På tidspunktet for Sadis fødsel var Lazare Carnot på toppen af sin karriere. Lazare Carnot var matematiker og ingeniør, elev af Gaspard Monge og forfatter til et essay om maskiner i almindelighed (1783), men han var også soldat, leder af mænd og revolutionær. Han blev valgt til den konstituerende forsamling i 1789 og derefter til konventet og stemte for kong Louis XVI”s død. Under krigene under den franske revolution fik han i Komitéen for offentlig sikkerhed tilnavnet “sejrens organisator”. Efter at have været medlem af direktionen var han Napoleon Bonapartes krigsminister i seks måneder i 1800 og derefter indenrigsminister under de hundrede dage i 1815. I oktober samme år, efter Napoleons nederlag, blev han landsforvist som regimedræber. Han boede i Belgien, derefter i Polen og Tyskland, hvor han døde, uden at vende tilbage til Frankrig.

Hans mor, Sophie Dupont (1764-1813), stammede fra en velhavende familie i Saint-Omer.

Sadi Carnot havde en yngre bror, Hippolyte Carnot (1801-1888), som gjorde politisk karriere: han var deputeret fra 1839 til 1848, undervisningsminister i 1848, nægtede at støtte det andet kejserrige og blev igen deputeret under den tredje republik, blev valgt til senatet i 1875 og medlem af Académie des sciences morales et politiques i 1887. Sadi Carnot var onkel til Marie François Sadi Carnot (også kendt som Sadi Carnot), der blev valgt som præsident for den franske republik i 1887 og myrdet i 1894 af anarkisten Sante Geronimo Caserio.

Han blev aldrig gift og havde ingen efterkommere.

Læs også, biografier-da – Isaac Newton

Tidlige år

Efter statskuppet den 4. september 1797 måtte Lazare Carnot forlade Frankrig, hvilket varede indtil januar 1800, hvor han blev benådet af Bonaparte; i denne periode boede Sadi Carnot sammen med sin mor i familiens hjem i Saint-Omer. I august 1807 beslutter Lazare Carnot, der er vendt tilbage til privatlivet efter ophævelsen af Tribunatet, at tage sig af sine to sønners uddannelse og selv undervise dem i matematik, naturvidenskab, sprog og musik.

I 1811 blev Sadi Carnot optaget på Lycée Charlemagne i Pierre-Louis Marie Bourdons forberedelsesklasse for at forberede sig til udvælgelsesprøven til École Polytechnique. Da Sadi Carnot den 1. juni 1812 havde nået den mindste alder på 16 år, kunne han i august 1812 deltage i udvælgelsesprøven, hvor han blev optaget som nummer 24 ud af 179 og indlemmet i anden division den 2. november.

Læs også, mytologi-da – Penelope

Polytekniker

I 1812-1813 fungerede kurserne normalt på trods af de kejserlige hærers tilbageslag. Hans lærere var Reynaud i analyse, Poisson i mekanik, Hachette i beskrivende geometri, Louis Jacques Thénard i generel og anvendt kemi, Jean-Henri Hassenfratz i fysik og François Arago i infinitesimalregning og maskinteori. I løbet af dette første år blev han også undervist af mænd som Alexis Petit i fysik og Pierre Louis Dulong i kemi, hvis arbejde han senere brugte. Det ser ud til, at de endda overvejede at overføre ham straks til artilleriafdelingen på Metz-skolen i oktober 1813, men at de til sidst fandt ham for ung.

Det andet år skulle vise sig at være mindre frugtbart med hensyn til undervisning. I slutningen af januar 1814 afbrød integrationen af eleverne i tre kompagnier af nationalgardens artillerikorps gradvist undervisningen. Den 29. og 30. marts 1814 kæmpede Sadi Carnot, som var en af kompagniets seks korporaler, med den polytekniske bataljon og kom under beskydning i en harmløs skænderi under forsvaret af fortet i Vincennes mod de allierede; dette var sandsynligvis hans eneste kampoplevelse. Undervisningen blev genoptaget den 18. april, men Sadi vendte ikke tilbage før den 12. maj. Den 12. oktober 1814 blev han erklæret kvalificeret til den offentlige tjeneste som nummer 10 på den generelle liste over de 65 elever, der var tilbage i hans klasse. Han blev placeret som nummer 5 på den særlige liste over ti studerende, der blev optaget som sekondløjtnanter på École d”application de l”artillerie et du génie i Metz. Dette markerede afslutningen på en vigtig periode i hans uddannelse, som han henviste til, da han offentliggjorde sine Réflexions ved at underskrive sit værk med “Sadi Carnot, tidligere elev fra Ecole Polytechnique”.

Læs også, biografier-da – Hippokrates

Metz-skolen

Sadi Carnot modtog sit brevet som ingeniørkadet den 1. oktober 1814 og blev indskrevet på École de Metz i de sidste dage af 1814 efter en periode med afslapning. På denne prestigefyldte skole for anvendelse, arving til den kongelige ingeniørskole i Mézières, fulgte han François-Marie Dubuat og Jacques Frédéric Français” kurser i anvendt matematik og fysik, Chevreuse” kurser i kemi anvendt til militærkunst og pyroteknik. Hans brevet som sekondløjtnant i 2. regiment af sjakbajser, som markerer hans eksamen fra skolen og hans faktiske indtræden i den militære karriere, er dateret 2. april 1817. Ifølge traditionen fik han straks en orlov på tre måneder, som han forlængede til den 15. oktober 1817, hvoraf han sandsynligvis tilbragte det meste af tiden i familiens hjem i Nolay hos sin onkel, generalløjtnant Carnot de Feulins.

Læs også, kampe – Slaget ved Crécy

Første opgaver

Da freden indtrådte i 1815, blev han tvunget ind i garnisonens rutinetilværelse med få udsigter. Som søn af en republikansk leder i eksil blev han anset for at være usikker, så det blev arrangeret, at hans udstationeringssted lå langt fra Paris.

Sadi Carnot blev regelmæssigt forflyttet, inspicerede befæstninger, udarbejdede planer og skrev talrige rapporter. Men hans anbefalinger blev tilsyneladende ignoreret, og hans karriere stagnerede.

Ved bekendtgørelse af 6. maj 1818 blev der oprettet et kongeligt stabskorps og en uddannelsesskole for hærens generalstab. Den 15. september 1818 fik Sadi Carnot seks måneders orlov for at forberede sig til optagelsesprøven i Paris.

Læs også, biografier-da – J.R.R. Tolkien

Installation i Paris

Ved ordre af 20. januar 1819 blev han optaget i Paris” generalstab med rang af løjtnant og sat på orlov med to tredjedele af sin bruttoløn som videnskabelig arbejder. Sadi Carnot boede ved siden af sin onkel Joseph i en lille lejlighed i Marais-kvarteret, som han beboede indtil midten af 1831, og han gik til undervisning på Sorbonne og Collège de France, men ikke på École des Mines, hvortil han skulle have tilladelse fra den øverste administration, hvilket han aldrig bad om, og hvor han kunne have mødt den unge Emile Clapeyron. Han var elev på Conservatoire National des Arts et Métiers, hvor Clément-Desormes underviste i kemi anvendt på kunstneriske områder og Jean-Baptiste Say i industriøkonomi. Han besøgte også Jardin des plantes og kongens bibliotek, men også Louvre-museet og det italienske teater i Paris. Sadi Carnot interesserer sig for industrielle problemer, besøger værksteder og fabrikker, studerer gasteorier og de nyeste teorier inden for politisk økonomi. Han efterlod detaljerede forslag om aktuelle problemer som f.eks. skatter, men matematik og kunst fascinerede ham.

Medlemmerne af hans omgangskreds var radikale og republikanske, og hans nærmeste venner var Nicholas Clément og Charles Desormes, videnskabsmænd og industrikemikere, redaktører af en “Mémoire sur la théorie des machines à feu” og de eneste fysikere, som han havde kontakt med, før han skrev Réflexions.

I sommeren 1820 så Sadi sin bror Hippolyte igen, som var kommet for at tilbringe nogle få dage i Frankrig, og som boede hos sin far. Den 23. juni 1821 gav krigsministeriet ham orlov uden løn, så han kunne besøge sin far i eksil i Magdeburg. Det var her, at han og hans far begyndte at interessere sig for dampmaskiner, da den første dampmaskine var blevet bygget i Magdeburg tre år tidligere. Da han vendte tilbage til Paris, begyndte han at tænke over det, der blev kendt som termodynamik. Hans første vigtige værker stammer fra 1822-1823. Da hans far døde i august 1823, vendte hans bror Hippolyte tilbage til Paris og hjalp ham med hans værker “for at sikre, at de ville blive forstået af folk, der var optaget af andre studier”. Siden sin løsladelse havde Sadi holdt sig væk fra de politiske strømninger, der tiltrak liberale unge, og han syntes heller ikke at være tiltrukket af organiserede videnskabelige grupper som Société philomathique de Paris, hvis medlemmer havde ambitioner om at blive medlem af Académie des Sciences. Han deltog dog i et møde mellem Polytechnique og industrialismen, hvor han tilsyneladende gav et oplæg om en formel til at repræsentere dampens drivkraft.

Læs også, vigtige_begivenheder – 17. økumeniske koncil

Slut på tilgængelighed

I oktober 1824 vågnede stabsløjtnanten op som Sadi, der udførte topografisk arbejde på vejen fra Coulommiers til Couilly-Pont-aux-Dames. I 1825 udførte han et lignende arbejde på vejen fra Villeparisis til færgen i Gournay-sur-Marne. Den 10. december 1826 blev bekendtgørelsen om organisering af det kongelige stabskorps underskrevet, og den 31. december blev Sadi udstationeret ved det 7. infanteriregiment, der havde garnison i Thionville. “Jeg var engageret i sager af interesse, som jeg ikke pludselig kunne opgive uden meget store tab for mig”, og Sadi fik en orlov på tre måneder med halv løn. Den 6. marts 1827 gentog han sin anmodning, idet han påpegede sin manglende egnethed til tjeneste i infanteriet, og han fik sin genindsættelse i ingeniørkorpset fra den 25. marts 1827 og sin fortsatte orlov, denne gang uden løn, indtil den 15. september 1827. Efter en omorganisering af staben blev han sendt til Auxonne, en tidligere fæstning i Côte d”Or. Den 27. september 1827 blev han forfremmet til anden kaptajn af ingeniørerne.

Læs også, biografier-da – Elizabeth Báthory

Fratræden

Den 21. april 1828 tilbød Sadi sin afsked fra hæren “for at få styr på mine personlige anliggender og især for at få styr på en retssag, som jeg er interesseret i. Jeg er langt fra at se enden, da min stilling ikke sætter mig i stand til at udføre mine opgaver i dag uden at kompromittere det, jeg har”. Den 19. maj 1828 accepterede krigsministeriet hans afsked: Sadi Carnot havde knap femten måneders aktiv militærtjeneste, herunder topografiske undersøgelser, siden han forlod skolen i Metz, og havde derfor ikke været i aktiv militærtjeneste i femten måneder. Hvad angår den retssag, som han tilsyneladende var involveret i, er det svært at vide mere, selv om hans adressebog nævner navnet Giraudeau, som havde et advokatfirma i rue Sainte-Anne. Selv om han ikke havde opnået status som demi-solde, kunne Sadi nu vende tilbage til Paris og hellige sig et liv med studier og personlig forskning.

Sadis gudfar, hans morfar Dupont, havde efterladt ham næsten en million guldfrancs ved sin død i 1807, hvoraf Lazare Carnot havde modtaget en tredjedel. Sadis andel af arven gjorde det muligt for ham at leve et stille liv som en beskeden rentenyder, men dette liv uden glød og dynamik var utvivlsomt nødvendigt på grund af hans dårlige helbred. Da bibliotekaren Ambroise Fourcy spurgte ham om hans erhverv i forbindelse med hans Histoire de l”École polytechnique, erklærede Sadi Carnot, at han var “bygherre af dampmaskiner”. Hans navn optræder imidlertid ikke på nogen liste over fabrikanter, som f.eks. den liste, der hvert år offentliggøres i Almanach Bottin. Havde han til hensigt at gå ind i dette erhverv, spillede han rollen som rådgivende ingeniør, lånte han penge til en producent, eller var det bare en spøg? Det skal også bemærkes, at Sadi Carnot aldrig indgav nogen patenter, og at han ikke havde en stol eller en eksamenspost på École centrale des arts et manufactures, der blev oprettet i 1829 og havde til opgave at uddanne ingeniører til den private industri. Den 17. august 1830 blev Polytechnic Association oprettet, som samlede tidligere elever fra skolen, og som Sadi Carnot straks blev medlem af.

I henhold til bekendtgørelsen af 10. februar 1831 skulle der oprettes et kompagni af artillerister i hvert arrondissement, og “efter nogle små chikanerier, som undertiden var meget ubetydelige” blev Sadi optaget i det 8. artillerikompagni med rang af underofficer eller højst korporal.

I august 1831 fik udgivelsen af to memoirer af Pierre Louis Dulong ham til at genoptage sit arbejde om gassers fysiske egenskaber. Samme år fik han et anfald af skarlagensfeber og blev alvorligt syg med anfald af delirium i en periode. I april 1832 omtalte Revue Encyclopédique Baron Bleins arbejde i en artikel underskrevet S.C., sandsynligvis Sadi Carnot. Det portræt, som kunstneren Despoix tegnede af Sadi på dette tidspunkt, viser ansigtet af en træt mand med et bekymret blik, hvis mentale ligevægt ikke længere synes sikret.

Hans helbredstilstand forhindrede ham i at deltage i mødet i den polytekniske forening den 20. juni 1832, og Hippolyte bemærker i sin bibliografiske note, at “den overdrevne indsats, som han gav sig selv til, gjorde ham syg mod slutningen af juni 1832”. Den 3. august blev han indlagt på plejehjemmet hos den fremmedkyndige læge Jean-Étienne Esquirol i 7, rue de Seine (i dag rue Lénine), hvor denne diagnosticerede mani, dvs. et generaliseret delirium med ophidselse. Kort efter anføres det i registret over plejehjemmet i Ivry, at han “helbredt for sin mani, døde den 24. august 1832 af kolera”. Dødsfaldet blev erklæret samme dag på rådhuset i Ivry af plejehjemmets forvalter, tilsyneladende på en sådan måde, at han undgik at nævne det, som om han havde fået instrukser fra Hippolyte. Hippolyte skulle også anmelde dødsfaldet til rådhuset i det 12. arrondissement. Den civile begravelse blev fejret næsten anonymt. Han blev begravet på den gamle kirkegård i Ivry-sur-Seine. Efter hans død blev hans personlige ejendele (herunder hans arkiver) brændt for at forhindre, at sygdommen spredte sig.

Læs også, biografier-da – James Baldwin

Teknisk-videnskabelig sammenhæng

For at forstå Sadi Carnots bog og værdsætte værkets originalitet er det nødvendigt at beskrive situationen for videnskab og teknologi på det pågældende område i det andet årti af det 19. århundrede.

Da den unge Sadi Carnot kom ind på École Polytechnique, var mekanikken den eneste veletablerede videnskab, der var baseret på matematik. Kemi, elektricitet, magnetisme og varme gjorde hurtige fremskridt, men havde endnu ikke nået det stadium, hvor man kunne abstrahere matematisk.

Videnskaben om varme var blevet muliggjort af opfindelsen af termometeret i det 17. århundrede (især Santorios termometer), men var fortsat et anliggende for kemikere og læger. De havde fremsat aksiomet om varmens bevarelse, som de derefter opfattede som et stof: “kalorisk”.

Benjamin Thompson (Lord Rumford), Pierre-Simon de Laplace, Jean-Baptiste Biot, Siméon Denis Poisson og Joseph Fourier gjorde det muligt for matematikere og fysikere at interessere sig for varme og især for studiet af varmeoverførsel.

Samtidig fik meteorologerne en bedre forståelse af varmens rolle i vind- eller havstrømssystemet, som blev betragtet som den store drivkraft i verden. Især blev adiabatisk opvarmning og afkøling af luften brugt som forklaring på feltobservationer som f.eks. stabiliteten af snefelter ved ækvator.

De første dampmaskiner med praktisk anvendelse opstod i begyndelsen af det 18. århundrede og fungerede på følgende måde: Damp blev brugt til at tvinge luft ud af en cylinder, som derefter blev afkølet, så dampen kondenserede, og det ydre atmosfæriske tryk fik stemplet til at falde ned igen. Dampen fik derefter lov til at fylde cylinderen igen, og cyklussen gentages (se Thomas Newcomens maskine). Disse maskiner var langsomme og uregelmæssige i drift, men var velegnede til at pumpe vand fra miner. I denne sammenhæng var vand det mest velegnede arbejdsstof, især fordi det udvider sig til ca. 1800 gange sit oprindelige volumen, når det omdannes til damp.

I 1760”erne, for at undgå spild af varme og skiftevis afkøling af cylinderen, kondenserede James Watt dampen i en separat kold cylinder, eller kondensator, mens hovedcylinderen blev holdt varm hele tiden. Desuden brugte han varm damp til at sænke stemplet ned i cylinderen, hvilket yderligere reducerede varmetabet. Watt opdagede, at der kunne opnås en betydelig besparelse, hvis damptilførslen blev afbrudt, før stemplet bevægede sig ind i cylinderen: den indespærrede damp ville fortsætte med at bevæge stemplet nedad med et svagt faldende tryk. Når dampen gik ind i kondensatoren, havde den en vis “elasticitet” (tryk) tilbage: dette kaldes ekspansionsvirkning. På den anden side troede James Watt aldrig på højtryksmaskiner, som han anså for at være for farlige til daglig brug; hans indflydelse var så stor, at denne type maskiner først blev udviklet efter hans død.

I 1805 tog en ingeniør fra Cornwall, Arthur Woolf, patent på en højtryksmotor med to på hinanden følgende cylindre (dobbeltkomponent) for at opnå fuldstændig ekspansion af dampen: dette princip har den fordel, at det reducerer amplituden af opvarmning og afkøling af hver enkelt cylinder og dermed sparer brændstof for at opnå større ydeevne. Jacob Perkins, en amerikansk ingeniør, viste, at det var muligt at bygge en dampmaskine, der kunne arbejde ved et tryk på tæt på 35 atmosfærer. Sadi Carnot værdsatte dette arbejde, men påpegede, at denne motor havde den fejl, at den ikke anvendte James Watts ekspansionsprincip korrekt.

Carnot var ligesom sine samtidige meget imponeret over Englands industrielle overlegenhed i forhold til Frankrig, som han tilskrev den omfattende brug af dampmaskinen. Fra 1811 til 1840 blev kunsten at pumpe vand fra Cornish-minerne regelmæssigt beskrevet i Monthly Engine Reporter, der blev redigeret af Thomas og John Lean, og gentaget i publikationer som Annals of Chemistry and Physics. Disse rekorder fastslog definitivt højtryksmaskinernes overlegenhed. Desuden var de fleste ingeniører i 1820 overbevist om, at der var en bestemt grænse for, hvor meget arbejde der kunne udføres med en given mængde varme.

Disse data, som er ægte efemerider, havde den fordel, at de kunne oversætte de forskellige pumpemaskiners funktion på en enkel måde og direkte til arbejdsenheder (vandets vægt og den højde, det blev hævet til). Sadi Carnot blev inspireret af dette i sine tanker om de grundlæggende principper for termiske maskiner.

I begyndelsen af det 19. århundrede var dampmaskinen blevet forbedret i en sådan grad, at nogle mennesker allerede var klar over grænserne for dens forbedring. En ingeniør ved navn A. R. Bouvier erklærede i 1816, at yderligere forbedringer ville kræve matematik og fysik og ikke kun mekaniske forbedringer.

Dengang hævdede den skotske ingeniør Ewart, at en given mængde varme ideelt set kun kunne producere en given mængde arbejde.

Boerhaave havde bemærket, at det system, der blev dannet af legemer med forskellige temperaturer, havde tendens til at nå en termisk ligevægt, og at et isoleret legeme aldrig spontant ville varme op.

Endelig havde Joseph Fourier i 1817 påpeget, at strålevarme må adlyde en sinusformet lov om emission. Hans påvisning af, at en forkastelse af denne lov ville føre til, at man indrømmede muligheden for evig bevægelse, var sandsynligvis den første brug af et sådant ræsonnement uden for den galilæiske mekanik. Det skal bemærkes, at Sadi Carnot brugte samme ræsonnement i den anden del af Réflexions med teoremet om maksimal effektivitet.

Læs også, civilisationer-da – Vijayanagar-kongeriget

Udgivelse

Værket, der omfatter 118 sider og fem figurer, blev udgivet på eget forlag af A-J-E Guiraudet Saint-Amé (X 1811) med henvisning til huset Bachelier og trykt i 600 eksemplarer. På trods af den ubestridelige klarhed i stilen er det vanskeligt at følge forfatterens række af delikate ræsonnementer, fordi han bevidst har afstået fra algebraisk sprogbrug i teksten og har henvist det til nogle få fodnoter. Hvis forfatteren har til hensigt at introducere nye begreber, bruger han det ordforråd, som tidens fysikere brugte: lov, bevægende kraft, og han bruger ikke begreberne cyklus, adiabatisk eller reversibel transformation, selv om han henviser til de begreber, de betegner. Indholdsmæssigt er det bekvemt at skelne mellem fire dele i Sadi Carnots bog, og selv om teksten ikke indeholder nogen opdeling, følger forfatteren en meget assertiv plan, mens han i overensstemmelse med tidens retoriske praksis skjuler sine overgange med korte sammenkædede sætninger.

Læs også, biografier-da – Martha Graham

Varme og drivkraft

Den første del indeholder en filosofisk redegørelse for det område, som varmevidenskaben dækker, set fra en helt ny synsvinkel: varme som drivkraft. I sin bog beskæftiger Carnot sig ikke med varmens natur; han er heller ikke interesseret i opvarmning og afkøling af forskellige legemer eller i de betingelser, hvorunder varme overføres, som Joseph Fourier og hans efterfølgere. Han beskæftigede sig heller ikke med de kemiske og fysiologiske virkninger af varme.

Han var interesseret i varme som årsag til de store naturlige bevægelser, der forekommer på jorden, vindsystemet, havstrømmene…; i denne henseende overdrev han dens betydning. Ikke desto mindre var Sadi Carnot klar over, og han synes at have været den første til at gøre denne bemærkning, at effektiviteten af de bedste og mest kraftfulde dampmaskiner er latterlig sammenlignet med de enorme mekaniske virkninger, som varme frembringer i naturen.

Sadi Carnot er i stand til at anlægge et filosofisk synspunkt ved at trække på både sin viden om dampmaskiners funktion og sin ekspertise inden for meteorologi og geofysik. Ud fra datidens lærebøger virker det usandsynligt, at nogen anden ingeniør ville have været i stand til at gøre dette, og det samme gælder for en fysiker: førstnævnte ville ikke have været interesseret i en så abstrakt generalisering, mens sidstnævnte ikke ville have været særlig interesseret i drivkraft. Kun Lord Rumford havde nogle få år tidligere, da han bemærkede en betydelig varmeafgivelse under boring af kanoner, konkluderet, at arbejde kunne omdannes til varme, og at disse to begreber stammede fra den samme essens.

Denne indledende del af refleksionerne indeholder den grundlæggende idé om, at hvor der er en temperaturforskel, er der mulighed for at generere drivkraft, en idé, der spiller en central rolle i termodynamikken. Og dens konsekvens er ikke mindre vigtig: Det er umuligt at skabe drivkraft, hvis der ikke er både en kold og en varm krop. Dette kan betragtes som det første udsagn af termodynamikkens anden lov, også kendt som Carnot-princippet, selv om det stadig er i upræcis form.

Det er sandsynligt, at Sadi Carnot på det tidspunkt var styret af den idé, at de mest effektive hydrauliske maskiner var dem, der udnyttede den største vandhøjde: han så heri en analogi, med alle de nuancer, der gør forskellen med en streng lighed, mellem denne højde og temperaturforskellen for termiske motorer. Men hvis en undersøgelse af de data, der blev offentliggjort i Monthly Engine Reporter om højtryksmotorers ydeevne, ikke bekræftede dette ræsonnement, så var hans intuition korrekt.

Læs også, biografier-da – Louise Bourgeois

Ideel cyklus for en perfekt motor

I anden del defineres en perfekt motor og dens ideelle driftscyklus. For at gøre dette forestiller han sig en ideel maskine, almindeligvis kaldet en Carnot-maskine, som nemt kan udveksle varme skiftevis med et varmt og et koldt legeme (figur 6). I hans undersøgelse er varmemotoren strengt reduceret til sine væsentligste elementer:

Carnot bekræfter, at det er temperaturforskellen mellem det varme og det kolde legeme og ikke den trykforskel, som det virkende stof oplever, der bestemmer det arbejde, som motoren udfører. Det ser ud til, at han skylder sine venner Clément og Desormes denne vigtige idé.

Den ideelle cyklus er underlagt denne betingelse: det stof, der virker i cylinderen, må aldrig være i kontakt med et koldere eller varmere legeme end det selv, så der ikke opstår unødig varmestrøm. Det er interessant at bemærke, at denne betingelse svarer til de betingelser, som hans far havde angivet for at bestemme den maksimale effektivitet af hydrauliske maskiner.

Alle temperaturændringer skal skyldes ekspansion eller kompression af det arbejdende stof. Arbejdsstoffet, der i første omgang er komprimeret til et højt tryk, udvider sig frit: det skubber stemplet og udtrækker varme fra det varme legeme, som cylinderen er i kontakt med (figur 1). Cylinderen flyttes derefter væk fra det varme legeme, og stoffet fortsætter med at udvide sig adiabatisk, så dets temperatur falder, indtil den er lig med det kolde legemes temperatur (figur 2). Denne del af cyklussen svarer til “ekspansionen” i James Watts maskine, men det er nu det kolde legemes temperatur og ikke trykket i kondensatoren, der markerer slutningen på ekspansionen. Cylinderen bringes derefter i kontakt med det kolde legeme, og arbejdsstoffet komprimeres, idet varmen “udstødes” fra det (og kompressionen fortsætter, så arbejdsstoffet opvarmes adiabatisk (figur 4). Nettoresultatet var kun en overførsel af varme fra det varme legeme til det kolde legeme og produktion af eksternt arbejde; det arbejdende stof vendte tilbage til sin oprindelige tilstand, og der blev ikke spildt nogen varme.

Læs også, historie – Den Store Nordiske Krig

Reversibilitet af Carnot-cyklusen

Sadi Carnot påpeger, at cyklussen er nøjagtigt reversibel: motoren kan drives i den modsatte retning, og nettoresultatet vil i så fald være et forbrug af arbejde svarende til det, der produceres ved drift i den direkte retning, og overførsel af den samme mængde varme, men i dette tilfælde fra det kolde legeme til det varme legeme. Cyklussens reversibilitet er mulig, fordi der ikke er nogen unødvendig varmestrøm på noget tidspunkt i cyklussen. Hvis der var en sådan strømning, ville motoren ikke være reversibel. Nu er den reversible motor den, der giver den bedst mulige effektivitet, og Carnot konkluderede, som følge af umuligheden af evig bevægelse, at damp er mindst lige så tilfredsstillende som ethvert andet virkende stof. Da han hævdede, at dette var teoretisk sandt, så datidens ingeniører det som en abstrakt bekræftelse af det, de havde lært i praksis.

Læs også, biografier-da – Marie Stuart

Anvendelse på gasfysik

I tredje del viser Sadi Carnot, at den kendsgerning, at alle ideelle varmemotorer har samme virkningsgrad, uanset hvilken gas eller damp der anvendes, har grundlæggende konsekvenser for gasfysikken. Carnot viser, at alle gasser, der udvides eller komprimeres fra et tryk og volumen til et andet tryk og volumen ved konstant temperatur, enten optager eller afgiver den samme mængde varme. Han kan også udlede sammenhænge mellem gassernes specifikke varme, dvs. den specifikke varme ved konstant tryk og den specifikke varme ved konstant volumen. I en fodnote, som blev overset af de tidlige kommentatorer, foreslår han, at effektiviteten af en ideel varmemotor kunne danne grundlag for en absolut temperaturskala.

Læs også, biografier-da – Muhammed Ali Jinnah

Luftmotor intuition

I den sidste del af bogen bemærker Sadi Carnot, at højtryksdampmaskinernes overlegenhed er uomtvistelig, fordi de udnytter et større temperaturfald end lavtryksmaskinerne. Carnot erkender, at den store fordel ved vand som dampkilde, nemlig at det udvider sig enormt inden for et meget lille temperaturområde, gjorde det muligt at realisere den tidlige dampmaskine. Han kommer dog til den bemærkelsesværdige konklusion, at denne fordel ville gøre vand mindre egnet til fremtidens varmemotor. Den enorme trykforøgelse ved meget små temperaturstigninger over 100 °C gør det næsten umuligt at operere i hele temperaturområdet fra kulforbrænding til kondensering af koldt vand.

Som følge heraf forudsagde Sadi Carnot, at når forskellige tekniske problemer vedrørende smøring og forbrænding var blevet løst, ville den mest effektive motor sandsynligvis være luftmotoren.

Læs også, biografier-da – Bruce Lee

Godkendelse af arbejdet

Arbejdet blev godt modtaget, bl.a. af Académie des Sciences, hvor Pierre-Simon Girard, leder af et videnskabeligt tidsskrift, præsenterede Carnots arbejde på mødet den 14. juni 1824, suppleret med en analytisk redegørelse i mundtlig form for sine kolleger den 26. juli. Det er klart, at en præsentation for Akademiet i form af en erindringsbog utvivlsomt ville have skabt større opmærksomhed om Sadi Carnots arbejde i det videnskabelige samfund, og at en offentliggørelse i Recueil des Savants étrangers ville have været en naturlig opfølgning. Således reagerede hverken den “store franske videnskab”, repræsenteret af Institut de France, eller det berømte École Polytechnique virkelig på offentliggørelsen af Carnots arbejde, fordi de ikke fuldt ud indså dets betydning. Carnot, som tilsyneladende ikke havde nogen sans for reklame, undlod at sende et eksemplar til bibliotekerne på École des mines og École des ponts et chaussées og berøvede sig dermed et udvalgte publikum, ligesom han ikke sendte en anmeldelse til Annales de chimie et de physique eller Annales des mines. Det skal desuden bemærkes, at der trods et begrænset oplag blev fundet nogle usolgte eksemplarer i ubeskåret stand.

På den tekniske side var det kun akademikeren Pierre-Simon Girard, der gav en rosende anmeldelse. Da Réflexions udkom, havde ingeniørerne allerede lært af erfaring, at damp var mindst lige så tilfredsstillende som ethvert andet aktivt stof. Da Carnot hævdede, at dette var teoretisk sandt, blev det blot opfattet som en abstrakt bekræftelse.

Desuden var hans forklaringer på højtryksdampmaskiners overlegne effektivitet baseret på data offentliggjort i Monthly Engine Reporter og på resultaterne af Woolf-motorerne, der fungerede ved hjælp af højtryksudvidelse, og som blev bygget i Frankrig af Humphrey Edwards. Disse præstationer var dog sandsynligvis mere relateret til en sum af forbedringer af detaljer end til en reel termodynamisk fordel. Sadi Carnot havde derfor ikke ret til at påberåbe sig højtryksdampmaskinernes overlegenhed til støtte for sine grundlæggende teorier.

Med undtagelse af Nicolas Clément-Desormes, der, som det fremgår af et foredrag fra 25. januar 1825, anbefalede sine tilhørere at læse bogen, var fysikere og andre videnskabsmænd utvivlsomt forvirrede over de grundlæggende ræsonnementer baseret på dampmaskinens principper.

Det var først i 1834, at Émile Clapeyron offentliggjorde en artikel i École Polytechniques tidsskrift, der viste, hvordan Sadi Carnots idéer kunne udtrykkes matematisk, samtidig med at deres forklaringsværdi blev fremhævet, og det var først med samme forfatters genudgivelse af Réflexions, suppleret med hans kommentarer, at Sadi Carnot gradvist begyndte at få indflydelse på det videnskabelige samfund.

Det var gennem dette, at William Thomson blev opmærksom på Carnots arbejde i 1851. I en lang række artikler fastlagde Thomson og Rudolf Clausius fra 1850 og fremefter princippet om energiens (og ikke længere varmens) bevarelse som det grundlæggende fundament for termodynamikken. For at anerkende Rudolf Clausius” bidrag fik Carnots princip navnet Carnot-Clausius-princippet. Dette princip gør det muligt at bestemme den maksimale effektivitet af en termisk maskine som funktion af temperaturen af dens varme og kolde kilder, en effektivitet, der varierer mellem 8 % og 30 % afhængigt af maskinernes udformning.

Spørgsmålet er stadig: Hvorfor udgav Sadi Carnot ikke noget i de otte år mellem udgivelsen af Réflexions og hans død? Selv om der er flere forklaringer, er den mest sandsynlige årsag, at han ikke længere havde tillid til sine teorier og var ude af stand til at finde en ny teori om varme. Med kalorien stod Sadi Carnot over for en af de vanskeligste epistemologiske forhindringer, som Gaston Bachelard var meget glad for at overvinde: substantialismen, dvs. den ensformige forklaring af fysiske egenskaber ved hjælp af stof.

Blandt hans posthume skrifter er der bevaret et manuskript med titlen Recherche d”une formule propre à représenter la puissance motrice de la vapeur d”eau, skrevet mellem november 1819 og marts 1827, men sandsynligvis efter refleksionerne. I den skitserede han den første termodynamiske lov og forsøgte at tydeliggøre sammenhængen mellem arbejde og varme. Denne note blev endelig offentliggjort i 1878, dvs. for sent til at påvirke videnskabens udvikling, af Hippolyte Carnot i et bind udgivet som en hyldest til sin bror, hvori han indsatte en “Biografisk note om Sadi Carnot”. Det var utvivlsomt i foråret 1832, at Sadi opdagede ækvivalensprincippet, og at han i korte notater opsummerede konklusionerne af en lang memoirer, som Hippolyte til sidst destruerede. Disse noter, som også blev offentliggjort i 1878, viser, at han på det tidspunkt havde opgivet den teori om kalorier, som stadig gennemsyrede hans essay fra 1824, og som han allerede havde udtrykt tvivl om i Refleksionerne. Det ser ud til, at han havde indrømmet, at varme ikke er andet end drivkraft (i dag ville vi sige energi), og han foreslog en numerisk værdi for den mekaniske ækvivalent af varme med en nøjagtighed på 2%, ti år før Julius Robert von Mayer, og tilsyneladende opnået med mere videnskabelig stringens.

For at bekræfte sine fremskridt havde han skitseret detaljerede eksperimenter, som vi nu ville kalde konstant enthalpi, i lighed med Benjamin Thompsons eksperimenter. Men i modsætning til Thompson havde han til hensigt at måle det udførte arbejde og den producerede varme, samtidig med at han varierede de anvendte materialer. I den forstand havde han store forhåbninger om at finde en konstant mekanisk varmeækvivalent, som ville have samme værdi for alle eksperimenter. Han foreslog også målinger med gasser og væsker til at beregne den mekaniske ækvivalent af varme.

Det er svært at vide, om han kunne have gennemført disse eksperimenter på tilfredsstillende vis. Termodynamikkens historie var endnu ikke afsluttet, før man nåede frem til teorien, så man kan næppe undervurdere de vanskeligheder, som han skulle overvinde.

Det ville også have været nødvendigt at overbevise især de mange kemikere og alle dem, der forskede i elektricitet: alle var dybt knyttet til teorien om kalorier. Endelig var det ikke før James Prescott Joule, at den dynamiske teori om varme endelig blev formuleret. Der gik syv år mellem hans første publikation (1843) og Rudolf Clausius, som bragte den dynamiske varmeteori (Joule) på linje med Sadi Carnots teorier.

I sidste ende er det uheldigt, men desværre sandsynligt, at Sadi Carnot døde i den tro, at han havde fejlet, selv om han i virkeligheden blot grundlagde en stor og grundlæggende gren af videnskaben med komplekse strukturer, nemlig termodynamikken, som forbinder fysik, kemi, biologi og endda kosmologi.

Læs også, biografier-da – Vincent van Gogh

Lazare Carnots indflydelse på hans søns arbejde

For videnskabshistorikeren rejser der sig flere spørgsmål om forholdet mellem de to ingeniørers værker:

Læs også, biografier-da – Marsden Hartley

Arbejdet med syntese

For D.S.L. Cardwell er Sadi Carnots bog, selv om den er langt mindre kendt end Kopernikus” De revolutionibus orbium coelestium, af tilsvarende betydning i den moderne videnskabs historie, fordi den lagde grunden til en helt ny disciplin: termodynamikken.

Alligevel har Carnots arbejde en original dimension. Kopernikus arbejdede inden for en klart defineret og anerkendt disciplin; han kunne stole på en arv af overvejelser og observationer, der var akkumuleret gennem to årtusinder (efeberideriderne). Sadi Carnot var derimod nødt til at skabe en syntese af forskellige videnskabelige og tekniske discipliner. For at gøre dette måtte han udvælge de data, der skulle undersøges, og opbygge teorier ud fra begreber, love og principper fra videnskaberne om varme og mekanik, som stadig var adskilte, fra teknologier, der var under udvikling, såsom damp eller allerede mere etablerede, såsom hydraulik, men som også endnu ikke var forbundet. Desuden var han den eneste, der så behovet for denne nye videnskab i 1824, både af praktiske årsager og af mere grundlæggende årsager.

Læs også, biografier-da – Benito Mussolini

Carnot-revolutionen

Set fra et mere generelt synspunkt markerede Sadi Carnots arbejde begyndelsen på det, som Jacques Grinevald kalder Carnot-revolutionen, der har ført til overgangen til et termoindustrielt samfund med massiv brug af fossil energi (først kul og siden olie). Fra da af gjorde ildkraften det muligt at udvikle en ny maskine, der var bygget op omkring en motor, og som udgjorde et skillepunkt i værktøjets historie. Den gør det muligt at fjerne menneskets og dyrets drivkraft og de sædvanlige naturelementer som vind og vand for at give mening til den gamle kollektive repræsentation af levende væsener, fra Hephaestus til Hadalys elektriske spøgelse. Samtidig vil denne ildkrafts drivkraft forvrænge den gamle forbindelse mellem teknologi og det umiddelbare geografiske miljø med den hidtil usete udvikling af netværk og strømme og den geografiske koncentration af udstyr, som bliver mulig gennem udflytning af denne kraft.

Læs også, biografier-da – Karl 6. (Tysk-romerske rige)

Vurdering og eftervirkninger

Sadi Carnot opdagede de to love, som hele energividenskaben er baseret på, på trods af forhindringer, der syntes uoverstigelige. Han gav et udtryk for sin intuitionens usædvanlige styrke ved at opstille sine love, da der ikke var tilstrækkeligt mange fakta til rådighed, da deres præcision var utilstrækkelig, og især da den spirende videnskabs fremskridt blev bremset af den fejlagtige teori om uopløseligt kalorieindhold.

Han besluttede intuitivt, at dampmaskinen lignede den gamle vandmølle, som producerer energi ved at lade vandet falde fra et højt niveau til et lavere niveau, at den producerer energi ved at lade varmen falde fra kedlens høje temperatur til kondensatorens lavere temperatur. Han mente, at denne temperaturforskel var et klart fænomen, men at selve varmefaldet var langt mindre klart, og han var omhyggelig med at lade temperaturfaldet spille den væsentligste rolle i sin lov. I dag ville vi sige, at han gættede på, at der var forskel på varmebærende energi og varme, der falder ned som vand fra møllen. Vi ved, at det tog 40 år efter hans bog at definere entropi ud fra varmemængden som ækvivalent til vandmøllevand, og vi beundrer, at han undgik dette vanskelige problem og til sidst forkastede kalorieteorien først.

Med sin universelle rækkevidde er hans arbejde sandsynligvis enestående i den moderne videnskabs historie, og i denne forstand var Nicolas Léonard Sadi Carnot helt sikkert en af de mest gennemtænkte og originale tænkere, som vores civilisation har frembragt.

For nogle vil han forblive “en meteor i videnskabshistorien”, en enestående person, for hvem “det at have skabt grundlaget for en ny videnskab med et stykke papir, en blyant og et sind er en helt beundringsværdig ånd”. “Store menneskers død efterlader lige så mange beklagelser som nye håb.

I 1970 opkaldte den Internationale Astronomiske Union månekrateren Carnot efter den franske fysiker og senere asteroiden (12289) Carnot.

Carnot-metoden, en exergi-allokeringsprocedure til vurdering af kraftvarmeproduktionsprodukter og beregning af den fysiske værdi af den producerede varme, er opkaldt efter ham.

I 2006 blev Carnot-mærket oprettet i Frankrig for at udvikle grænsefladen mellem offentlig forskning og socioøkonomiske aktører for at imødekomme deres behov: Denne indvielse hylder det, som Sadi Carnot har bidraget til den grundlæggende fysik ved at udforske et meget anvendt spørgsmål.

Læs også, biografier-da – Francis Drake

Eksterne links

Kilder

1. Sadi Carnot (physicien)
2. Sadi Carnot (fysiker)
3. Sadi est le seul prénom mentionné pour l’état civil, Nicolas et Léonard étant des prénoms de baptême.
4. Bachelard 1993.
5. a b c et d Ouvrir la « page d’accueil de la bibliothèque centrale de l”École polytechnique », sur polytechnique.edu, Palaiseau (consulté le 21 janvier 2022). Sélectionner l’onglet « Catalogues », puis cliquer sur la ligne « La famille polytechnicienne : les registres matricules antérieurs à 75 ans à compter de la date de clôture du registre (classement de sortie)… » ; effectuer une recherche sur « Sadi Carnot », choisir la ligne « Carnot, Nicolas Léonard Sadi (X 1812 ; 1796-1832) » ; sélectionner le format « Fiche matricule » ; cette notice complète fournit notamment les informations suivantes : « État civil : naissance le 1er juin 1796 au palais du Luxembourg à Paris ; père : Lazare Nicolas Marguerite, membre de l”Institut ; mère : Dupont, Marie Jacqueline Sophie Josephe ; Scolarité : rang d’entrée à l’École polytechnique : 24e ; rang à la fin de la 1re année en 1813 : 20e ; rang de sortie en 1814 : 10e ; rang [d”admission] dans le corps du génie : 5e en 1814 ; prend part à la défense de Paris en 1814 ; mort le 24 août 1832 à Ivry-sur-Seine ; franc-maçon ».
6. « Bonaparte et les prénoms », sur www.lhistoire.fr, L”Histoire, novembre 2018 (consulté le 21 mars 2022)
7. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s et t D. S. L. Cardwell in LA RECHERCHE en histoire des sciences p. 217-240.
8. ^ (US) M. Hippolyte Carnot, Life of Sadi Carnot , Second revised edition, John Wiley & Sons, 1897
9. ^ (FR) Autori vari, Sadi Carnot et l”essor de la thermodynamique, CNRS Éditions 1 Septembre 1998 ISBN 2-222-01818-8
10. ^ 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}} .
11. ^ 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)
12. ^ Bachelard, Gaston. The Formation of the Scientific Mind.
13. ^ “Sadi Carnot – Biography”. Maths History. Retrieved 2022-06-02.
14. 2,0 2,1 MacTutor History of Mathematics archive. Ανακτήθηκε στις 22  Αυγούστου 2017.
15. Sadi Carnot et l”esor de la thermodynamique, CNRS Éditions