Nicolas Léonard Sadi Carnot
gigatos | május 19, 2022
Összegzés
Nicolas Léonard Sadi Carnot francia fizikus és mérnök. 1796. június 1-jén született Párizsban és 1832. augusztus 24-én halt meg Ivry-sur-Seine-ben vagy Párizsban.
Rövid pályafutása során (36 évesen kolerában halt meg) Sadi Carnot (Kopernikuszhoz hasonlóan) csak egy könyvet publikált: Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, 1824-ben, amelyben 27 évesen fejti ki életművét és a fizika történetében fontos könyvét.
Ebben a munkájában egy teljesen új tudományág, a termodinamika alapjait fektette le. Abban az időben ez a kifejezés még nem létezett; William Thomson találta fel a 19. század közepén. Sadi Carnot volt azonban az, aki néhány fogalmának pontatlansága ellenére (a hőelmélet és a hőmegmaradás axiómájának elfogadása) felfedezte ezt a tudományt, amely elméleti szempontból ugyanolyan alapvető, mint amilyen gyümölcsöző volt a gyakorlati alkalmazások szempontjából.
Sadi Carnot fogalmazta meg a hőgép észszerű leírását és azokat az alapelveket, amelyek alapján ma bármilyen erőművet, robbanó- vagy sugárhajtóművet terveznek. Ami még figyelemreméltóbb, hogy ez a keletkezés akkor történt, amikor még egyetlen elődje sem határozta meg a téma természetét és hatókörét. Sadi Carnot szellemi útja, amely tisztán technikai megfontolásokon – például a gőzgép teljesítményének javításán – alapul, eredeti, és a modern tudomány számára kulcsfontosságú korszakban bekövetkezett fontos fejlemények előhírnöke.
Lazare Carnot (1753-1823), akit „a Nagy Carnot” vagy „a Győzelem szervezője” néven ismertek, legidősebb fiaként Sadi Carnot Párizsban született, a Petit-Luxembourg palotában, ahol apja, a Köztársaság öt ügyvezető igazgatójának egyike, szolgálati lakása volt. Keresztneve az apja által nagyra becsült sirazi perzsa költő, Szaadi nevéből származik.
Lazare Carnot Sadi születésének idején karrierje csúcsán volt. Lazare Carnot matematikus és mérnök, Gaspard Monge tanítványa, a gépekről szóló esszé (1783) szerzője, de katona, vezető és forradalmár is volt. Beválasztották az 1789-es alkotmányozó gyűlésbe, majd a konventbe, és XVI. Lajos király halála mellett szavazott. A francia forradalom háborúi alatt a Közbiztonsági Bizottságban a „Győzelem szervezője” becenevet kapta. Miután tagja volt a direktóriumnak, 1800-ban hat hónapig Bonaparte Napóleon hadügyminisztere, majd 1815-ben a száz nap alatt belügyminiszter volt. Ugyanazon év októberében, Napóleon veresége után, mint királygyilkost száműzték. Belgiumban, majd Lengyelországban és Németországban élt, ahol meghalt, anélkül, hogy valaha is visszatért volna Franciaországba.
Édesanyja, Sophie Dupont (1764-1813) gazdag Saint-Omer-i családból származott.
Sadi Carnot-nak volt egy öccse, Hippolyte Carnot (1801-1888), aki politikai karriert futott be: 1839 és 1848 között képviselő, 1848-ban oktatási miniszter, a második birodalom támogatását megtagadta, a harmadik köztársaság idején ismét képviselő lett, majd 1875-ben a szenátusba választották, 1887-ben pedig az Académie des sciences morales et politiques tagja lett. Sadi Carnot a nagybátyja volt Marie François Sadi Carnot-nak (közismert nevén Sadi Carnot), akit 1887-ben a Francia Köztársaság elnökévé választottak, és akit 1894-ben az anarchista Sante Geronimo Caserio meggyilkolt.
Soha nem nősült meg, és nem voltak leszármazottai.
Korai évek
Az 1797. szeptember 4-i államcsíny után Lazare Carnot-nak el kellett hagynia Franciaországot, és ez a helyzet 1800 januárjáig tartott, amikor Bonaparte megkegyelmezett neki; ez idő alatt Sadi Carnot az édesanyjával élt a Saint-Omer-i családi házban. 1807 augusztusában Lazare Carnot, aki a Tribunátus megszüntetésével visszatért a magánéletbe, úgy dönt, hogy maga gondoskodik két fia neveléséről, matematikát, tudományokat, nyelveket és zenét tanít nekik.
1811-ben Sadi Carnot belépett a Lycée Charlemagne-ba, Pierre-Louis Marie Bourdon előkészítő osztályába, hogy felkészüljön az École Polytechnique versenyvizsgájára. Mivel 1812. június 1-jén betöltötte a 16. életévét, Sadi Carnot a következő év augusztusában részt vehetett a versenyvizsgán, ahol 179-ből a 24. helyre került, és november 2-án felvették a második hadosztályba.
Politechnikus
1812-1813-ban a tanfolyamok a császári seregek által elszenvedett kudarcok ellenére rendben működtek. Tanárai voltak Reynaud az analízis, Poisson a mechanika, Hachette a leíró geometria, Louis Jacques Thénard az általános és alkalmazott kémia, Jean-Henri Hassenfratz a fizika és François Arago az infinitezimális számítás és a gépelmélet terén. Ebben az első évben olyan férfiak is tanították, mint Alexis Petit fizikából és Pierre Louis Dulong kémiából, akiknek munkáit később felhasználta. Úgy tűnik, hogy 1813 októberében még arra is gondoltak, hogy azonnal áthelyezik a metzi iskola tüzérségi részlegébe, de végül túl fiatalnak ítélték.
A második év a tanítás szempontjából kevésbé bizonyult gyümölcsözőnek. 1814. január végén a diákok integrálása a nemzetőrség tüzérségi alakulatának három századába fokozatosan megszakította a tanítás menetét. 1814. március 29-én és 30-án Sadi Carnot, aki a század hat tizedesének egyike volt, a politechnikai zászlóaljjal harcolt, és egy ártalmatlan csetepatéban tűz alá került a Vincennes-i erőd védelmében a szövetségesek ellen; valószínűleg ez volt az egyetlen harci tapasztalata. A tanítás április 18-án folytatódott, de Sadi csak május 12-én tért vissza. 1814. október 12-én a közszolgálatra alkalmasnak nyilvánították, az osztályában maradt 65 diák közül a 10. helyen szerepelt az általános listán. A metzi École d’application de l’artillerie et du génie katonai mérnöki szakára másodhadnagyként felvett tíz diák különlistáján az 5. helyen szerepelt. Ezzel véget ért egy kulcsfontosságú időszak a képzésében, amire a Réflexions című művének publikálásakor a „Sadi Carnot, az Ecole Polytechnique volt diákja” aláírással utalt.
Metz iskola
Sadi Carnot 1814. október 1-jén kapta meg a mérnökkadét címet, és 1814 utolsó napjaiban, egy pihenő időszakot követően belépett az École de Metzbe. Ebben a tekintélyes iskolában, a Mézières-i Királyi Mérnöki Iskola örököseként François-Marie Dubuat és Jacques Frédéric Français alkalmazott matematika és fizika, Chevreuse katonai és pirotechnikai kémia kurzusait hallgatta. A 2. szappanosezred másodhadnagyi rangját, amely az iskola elvégzését és a katonai pályára való tényleges belépését jelzi, 1817. április 2-án keltezték. A hagyomány szerint azonnal három hónapos szabadságot kapott, amelyet 1817. október 15-ig meghosszabbított, és amelynek nagy részét valószínűleg nagybátyjánál, Carnot de Feulins altábornagynál, a családi házban, Nolayban töltötte.
Első megbízások
Az 1815-ös béke beköszöntével a helyőrség rutinszerű, kilátástalan életébe kényszerült. Mivel egy száműzött köztársasági vezető fiaként nem tartották biztonságosnak, ezért a kiküldetési helyét Párizstól távol rendezték el.
Sadi Carnot-t rendszeresen áthelyezték, az erődítményeket vizsgálta, terveket készített és számos jelentést írt. De ajánlásait nyilvánvalóan figyelmen kívül hagyták; karrierje stagnált.
Az 1818. május 6-i rendelet létrehozta a királyi vezérkari testületet és a hadsereg vezérkari iskoláját. 1818. szeptember 15-én Sadi Carnot hat hónapos szabadságot kapott, hogy felkészüljön a párizsi felvételi vizsgára.
Installáció Párizsban
Az 1819. január 20-i parancs értelmében hadnagyi rangban felvették a párizsi vezérkarhoz, és szabadságra helyezték, tudományos munkásként bruttó fizetésének kétharmadát kapta. Sadi Carnot nagybátyja, Joseph mellett lakott egy kis lakásban a Marais negyedben, amelyet 1831 közepéig lakott, és a Sorbonne-on és a Collège de France-on vett részt, de nem az École des Mines-en, amelyhez a felsőbb vezetés engedélye kellett volna, amit soha nem kért, és ahol megismerkedhetett volna a fiatal Emile Clapeyron-nal. A Conservatoire National des Arts et Métiers hallgatója volt, ahol Clément-Desormes a művészetekre alkalmazott kémiából, Jean-Baptiste Say pedig ipari gazdaságtanból tartott kurzust. Járta a Jardin des plantes-t és a Királyi Könyvtárat, de a Louvre Múzeumot és a párizsi Olasz Színházat is. Sadi Carnot-t érdeklik az ipari problémák, műhelyeket és gyárakat látogat, tanulmányozza a gázok elméletét és a politikai gazdaságtan legújabb elméleteit. Részletes javaslatokat hagyott hátra az aktuális problémákról, például az adókról, de a matematika és a művészetek is lenyűgözték.
Az általa látogatott kör tagjai radikálisak és republikánusok voltak, legközelebbi barátai pedig Nicholas Clément és Charles Desormes, a tudomány emberei és ipari vegyészek, a „Mémoire sur la théorie des machines à feu” szerkesztői és az egyetlen fizikusok, akikkel ténylegesen kapcsolatba került a Réflexions megírása előtt.
1820 nyarán Sadi újra találkozott testvérével, Hippolyte-tal, aki néhány napot Franciaországban töltött, és aki az apjával élt. 1821. június 23-án a hadügyminisztérium fizetés nélküli szabadságot adott neki, hogy meglátogathassa a magdeburgi száműzetésben élő apját. Ott kezdett el apjával együtt érdeklődni a gőzgépek iránt, mivel három évvel korábban Magdeburgban építették az elsőt. Párizsba visszatérve elkezdett azon gondolkodni, amit termodinamikaként kezdett el emlegetni. Első jelentős művei 1822-1823-ból származnak. Amikor apja 1823 augusztusában meghalt, bátyja, Hippolyte visszatért Párizsba, és segített neki írásaiban, „hogy azokat más tanulmányoknak szentelt emberek is megértsék”. Szabadulása óta Sadi távol tartotta magát a liberális fiatalokat vonzó politikai áramlatoktól, és úgy tűnt, nem vonzódik az olyan szervezett tudományos csoportokhoz sem, mint a Société philomathique de Paris, amelynek tagjai a Tudományos Akadémiára vágytak. Részt vett azonban egy Polytechnique-iparos találkozón, ahol úgy tűnik, hogy előadást tartott a gőz hajtóerejének ábrázolására szolgáló képletről.
A rendelkezésre állás vége
1824 októberében Sadi néven ébredt a törzshadnagy, aki a Coulommiers és Couilly-Pont-aux-Dames közötti úton végzett topográfiai munkálatokat. 1825-ben hasonló munkát végzett a Villeparisis és a Gournay-sur-Marne-i komp között vezető úton. 1826. december 10-én aláírták a királyi vezérkari testületet szervező rendeletet, és december 31-én Sadi a Thionville-ben állomásozó 7. gyalogezredhez került. „Olyan érdekeltségű ügyekkel foglalkozva, amelyeket nem hagyhattam el hirtelen anélkül, hogy ne szenvednék nagyon jelentős veszteségeket”, Sadi három hónapos szabadságot kapott fél fizetés mellett. 1827. március 6-án megismételte kérelmét, rámutatva arra, hogy nem alkalmas a gyalogságnál való szolgálatra, és elérte, hogy 1827. március 25-től visszahelyezzék a mérnökökhöz, és 1827. szeptember 15-ig – ezúttal fizetés nélküli – szabadságon maradjon. A vezérkar átszervezése után Auxonne-ba, a Côte d’Or egykori erődjébe került. 1827. szeptember 27-én előléptették másodkapitányi rangra.
Lemondás
1828. április 21-én Sadi felajánlotta lemondását a hadseregből „személyes ügyeim intézése és különösen egy olyan per gondozása miatt, amelyben érdekelt vagyok, messze nem látom a végét, mivel helyzetem nem tesz olyan helyzetbe, hogy a mai kötelességemet anélkül végezhessem, hogy veszélyeztetném azt, amivel rendelkezem”. 1828. május 19-én a hadügyminisztérium elfogadta lemondását: a metzi iskola elhagyása óta Sadi Carnot alig tizenöt hónap aktív katonai szolgálatot teljesített, beleértve a topográfiai felméréseket is. A perről, amelyben a jelek szerint részt vett, nehéz többet tudni, bár a címjegyzékében szerepel Giraudeau neve, akinek a rue Sainte-Anne-on volt egy peres praxisa. Bár nem érte el a demi-solde státuszt, Sadi most már visszatérhetett Párizsba, és tanulmányoknak és személyes kutatásoknak szentelhette magát.
Sadi keresztapja, anyai nagyapja, Dupont, 1807-ben bekövetkezett halálakor közel egymillió aranyfrankot hagyott rá, amelynek harmadát Lazare Carnot kapta. Sadi az örökségből való részesedése lehetővé tette számára, hogy egy szerény bérlő nyugodt életét élje, de ezt a lelkesedéstől és dinamizmustól mentes életet kétségtelenül gyenge egészsége tette szükségessé. Amikor Ambroise Fourcy könyvtáros a Histoire de l’École polytechnique című művéhez a szakmájáról kérdezte, Sadi Carnot „gőzgépépítőnek” vallotta magát. A neve azonban nem szerepel a gyártók olyan listáján, mint amilyet az Almanach Bottin minden évben megjelentet. Szándékában állt-e belépni ebbe a szakmába, játszotta-e a tanácsadó mérnök szerepét, adott-e kölcsön pénzt egy gyártónak, vagy ez csak egy vicc volt? Azt is meg kell jegyezni, hogy Sadi Carnot soha nem nyújtott be szabadalmat, és hogy az 1829-ben létrehozott École centrale des arts et manufactures-ben, amely a magánipar számára mérnökök képzéséért volt felelős, nem töltött be tanszéket vagy vizsgáztatói állást. 1830. augusztus 17-én megalakult a Politechnikai Egyesület, amely az iskola egykori diákjait tömörítette, és amelyhez Sadi Carnot azonnal csatlakozott.
Az 1831. február 10-i rendelet minden kerületben egy tüzérszázad felállításáról rendelkezett, és „némi apró, olykor igen jelentéktelen zaklatás után” Sádit felvették a 8. tüzérszázadba, legfeljebb altiszti vagy tizedesi ranggal.
1831 augusztusában Pierre Louis Dulong két emlékiratának megjelenése arra ösztönözte, hogy folytassa a gázok fizikai tulajdonságaival kapcsolatos munkáját. Ugyanebben az évben skarlátos betegségben szenvedett, és súlyos beteg lett, egy ideig delíriumos rohamokkal. 1832 áprilisában a Revue Encyclopédique egy S.C. – valószínűleg Sadi Carnot – aláírással ellátott cikkben számolt be Blein báró munkájáról. A portré, amelyet Despoix festőművész ekkoriban rajzolt Sadiról, egy fáradt, aggódó tekintetű férfi arcát mutatja, akinek lelki egyensúlya már nem tűnik biztosítottnak.
Egészségi állapota miatt nem tudott részt venni a Polytechnikai Egyesület 1832. június 20-i ülésén, és Hippolyte bibliográfiai jegyzetében megjegyzi, hogy „a túlságos igyekezet, amelynek átadta magát, 1832 júniusának vége felé megbetegítette”. Augusztus 3-án felvették Jean-Étienne Esquirol idegenrendész orvos, a rue de Seine (ma rue Lénine) 7. szám alatt található idősek otthonába, ahol az utóbbi mániát, azaz általános delíriumot diagnosztizált nála izgalmi állapotokkal. Nem sokkal később az Ivry-i idősek otthonának nyilvántartásában szerepel, hogy „mániájából kigyógyulva 1832. augusztus 24-én kolerában meghalt”. A halálhírt még aznap bejelentette az ivry-i városházán az idősek otthonának pénztárosa, nyilvánvalóan úgy, hogy minden utalást elkerülve, mintha Hippolyte-tól kapott volna utasítást. Hippolyte-nak a 12. kerület városházáján is be kellett jelentenie a halálesetet. A polgári temetés szinte névtelenül zajlott. Ivry-sur-Seine ősi temetőjében temették el. Halála után személyes tárgyait (beleértve a levéltárát is) elégették, hogy megakadályozzák a betegség terjedését.
Műszaki-tudományos háttér
Ahhoz, hogy megértsük Sadi Carnot könyvét és értékelni tudjuk a mű eredetiségét, meg kell határozni a tudomány és a technológia helyzetét a tárgyalt területen a 19. század második évtizedében.
Amikor a fiatal Sadi Carnot belépett az École Polytechnique-be, a matematikára épülő egyetlen jól megalapozott tudomány a mechanika volt. A kémia, az elektromosság, a mágnesesség és a hő gyors fejlődésen ment keresztül, de még nem jutott el a matematikai absztrakció szintjére.
A hő tudományát a 17. században a hőmérő feltalálása tette lehetővé (különösen Santorio hőmérője), de továbbra is a vegyészek és az orvosok érdeklődésének középpontjában állt. Ők a hő megőrzésének axiómáját fogalmazták meg, amelyet aztán egy anyagként fogalmaztak meg: „kalória”.
Benjamin Thompson (Lord Rumford), Pierre-Simon de Laplace, Jean-Baptiste Biot, Siméon Denis Poisson és Joseph Fourier munkássága lehetővé tette, hogy a matematikusok és a fizikusok érdeklődjenek a hő, különösen a hőátadás tanulmányozása iránt.
Ezzel egy időben a meteorológusok egyre jobban megértették a hő szerepét a szél- vagy óceáni áramlási rendszerben, amelyet a világ nagy hajtóerejének tekintettek. Különösen a levegő adiabatikus felmelegedését és lehűlését használták fel az olyan helyszíni megfigyelések magyarázatára, mint a hómezők stabilitása az Egyenlítőn.
Az első gyakorlati alkalmazású gőzgépek a 18. század elején jelentek meg, és a következőképpen működtek: a gőzzel levegőt préseltek ki egy hengerből, amelyet aztán lehűtöttek, így a gőz lecsapódott, és a külső légköri nyomás hatására a dugattyú leesett. Ezután a gőz újra feltöltötte a hengert, és a ciklus megismétlődött (lásd Thomas Newcomen gépét). Ezek a gépek lassúak és kiszámíthatatlanul működtek, de kiválóan alkalmasak voltak a bányákból történő vízszivattyúzásra. Ebben az összefüggésben a víz volt a legmegfelelőbb munkaanyag, különösen azért, mert gőzzé alakulva eredeti térfogatának mintegy 1800-szorosára tágul.
Az 1760-as években James Watt a pazarló fűtés és a henger váltakozó hűtésének kiküszöbölése érdekében a gőzt egy külön hideg hengerben, azaz kondenzátorban sűrítette le, miközben a főhenger állandóan forró maradt. Ezenkívül forró gőzt használt a dugattyúnak a hengerbe történő leeresztéséhez, így tovább csökkentette a hőveszteséget. Watt észrevette, hogy jelentős megtakarítást lehet elérni, ha a gőzellátást elzárják, mielőtt a dugattyú a hengerbe kerül: a csapdába esett gőz kissé csökkenő nyomással tovább mozgatja a dugattyút lefelé. Amikor a gőz a kondenzátorba került, még maradt benne némi „rugalmasság” (nyomás): ezt nevezték tágulási hatásnak. Másrészt James Watt soha nem hitt a nagynyomású gépekben, amelyeket túl veszélyesnek tartott a mindennapi használathoz; az ő befolyása miatt ez a géptípus csak halála után fejlődött ki igazán.
1805-ben egy cornwalli mérnök, Arthur Woolf szabadalmaztatta a nagynyomású vegyes motort, amely két egymást követő hengert (kettős vegyes) használ a gőz teljes tágulásának eléréséhez: ennek az elvnek az az előnye, hogy csökkenti az egyes hengerek fűtésének és hűtésének amplitúdóját, és így a teljesítménynövekedés érdekében üzemanyagot takarít meg. Jacob Perkins amerikai mérnök megmutatta, hogy lehetséges 35 atmoszféra közeli nyomáson működő gőzgépet építeni. Sadi Carnot nagyra értékelte ezt a munkát, de rámutatott, hogy ennek a motornak az a hibája, hogy nem alkalmazza helyesen James Watt tágulási elvét.
Carnot-t, kortársaihoz hasonlóan, nagy hatással volt rá Anglia Franciaországgal szembeni ipari fölénye, amelyet a gőzgép széles körű használatának tulajdonított. 1811 és 1840 között a Thomas és John Lean által szerkesztett Monthly Engine Reporter című folyóiratban rendszeresen beszámoltak a cornwalli bányákból történő vízszivattyúzás művészetéről, és olyan kiadványokban is megismételték, mint az Annals of Chemistry and Physics. Ezek a rekordok egyértelműen megalapozták a nagynyomású gépek fölényét. Ráadásul 1820-ra a legtöbb mérnök meg volt győződve arról, hogy egy adott hőmennyiséggel elvégezhető munkamennyiségnek határozott határa van.
Ezeknek az adatoknak, a valódi efemereknek az volt az előnyük, hogy a különböző szivattyúgépek működését egyszerű módon és közvetlenül a munka mértékegységére (a víz súlya és a magasság, amelyre a víz felemelkedett) fordították le. Sadi Carnot-t ez inspirálta a hőgépek alapelveiről szóló gondolataiban.
A 19. század elejére a gőzgépet olyan mértékben fejlesztették tovább, hogy egyesek már tisztában voltak a fejlődés határaival. Egy A. R. Bouvier 1816-ban kijelentette, hogy a további fejlesztésekhez matematikára és fizikára van szükség, nem csak mechanikai fejlesztésekre.
Ewart skót mérnök akkoriban azt állította, hogy adott mennyiségű hővel ideális esetben csak adott mennyiségű munkát lehet előállítani.
Boerhaave észrevette, hogy a különböző hőmérsékletű testek által alkotott rendszer hajlamos hőegyensúlyba kerülni, és hogy egy izolált test soha nem melegszik fel spontán módon.
Végül Joseph Fourier 1817-ben rámutatott, hogy a sugárzó hőnek szinuszos kibocsátási törvénynek kell engedelmeskednie. Bizonyítása, miszerint e törvény elvetése az örökmozgás lehetőségének elismeréséhez vezetne, valószínűleg az első olyan érvelés volt, amelyet a Galilei-féle mechanikán kívül alkalmaztak. Meg kell jegyezni, hogy Sadi Carnot ugyanezt az érvelést használta a Réflexions második részében a maximális hatékonyság tételével.
Kiadvány
A 118 oldalas, öt ábrát tartalmazó művet A-J-E Guiraudet Saint-Amé (X 1811) saját kiadásban, a Bachelier-ház említésével adta ki, és 600 példányban nyomtatta ki. A stílus tagadhatatlan tisztasága ellenére a szerző által felállított finom érvelések sorát nehéz követni, mert a szövegben tudatosan lemondott az algebrai nyelvezetről, és azt néhány lábjegyzetre szorította vissza. Ha a szerző új fogalmakat kíván bevezetni, akkor a korabeli fizikusok szókincsét használja: törvény, mozgóerő, és nem használja a ciklus, adiabatikus vagy reverzibilis átalakulás kifejezéseket, még akkor sem, ha az általuk jelölt fogalmakra hivatkozik. Sadi Carnot könyvében tartalmilag négy részt célszerű megkülönböztetni, és bár a szöveg nem tartalmaz tagolást, a szerző igen határozott tervet követ, miközben átmeneteit a kor retorikai gyakorlatának megfelelően rövid összekötő mondatokkal álcázza.
Hő és hajtóerő
Az első rész a hőtudomány által lefedett terület filozófiai kifejtését tartalmazza, egy teljesen új nézőpontból: a hő mint hajtóerő. Könyvében Carnot nem foglalkozik a hő természetével; nem érdekli sem a különböző testek fűtése és hűtése, sem a hő átadásának körülményei, mint Joseph Fourier-t és követőit. Nem foglalkozott a hő kémiai és élettani hatásaival sem.
A hő érdekelte, mint a Földön előforduló nagy természeti mozgások, a szélrendszer, az óceáni áramlatok… oka; e tekintetben eltúlozta a jelentőségét. Mindazonáltal Sadi Carnot tisztában volt azzal, és úgy tűnik, ő volt az első, aki ezt a megjegyzést tette, hogy a legjobb és legerősebb gőzgépek hatékonysága nevetséges a természetben a hő által kiváltott hatalmas mechanikai hatásokhoz képest.
Sadi Carnot képes filozófiai szemléletet képviselni, és mind a gőzgépek működésével kapcsolatos ismereteire, mind a meteorológiával vagy a geofizikával kapcsolatos szakértelmére támaszkodni. A korabeli tankönyvek alapján nem valószínű, hogy más mérnök képes lett volna erre, ahogyan egy fizikus sem: az előbbieket nem érdekelte volna egy ilyen elvont általánosítás, az utóbbiakat pedig nem érdekelte volna különösebben a hajtóerő. Csakhogy Lord Rumford néhány évvel korábban, amikor a fegyverek fúrása során jelentős hőfelszabadulást észlelt, arra a következtetésre jutott, hogy a munka hővé alakítható, és hogy ez a két fogalom ugyanabból a lényegből származik.
A Tükrözésnek ez az előzetes része tartalmazza azt az alapvető gondolatot, hogy ahol hőmérsékletkülönbség van, ott lehetőség van mozgási energia létrehozására, amely gondolat központi szerepet játszik a termodinamikában. És nem kevésbé fontos a következménye: lehetetlen hajtóerőt létrehozni, ha nincs hideg és meleg test. Ez tekinthető a termodinamika második törvényének, más néven Carnot-elvnek az első megállapításának, még ha még mindig pontatlan formában is.
Valószínű, hogy Sadi Carnot-t annak idején az a gondolat vezérelte, hogy a leghatékonyabb hidraulikus gépek azok, amelyek a legnagyobb vízmagasságot használják ki: ebben analógiát látott – minden árnyalattal együtt, amely a különbséget szigorú hasonlósággal teszi – e magasság és a hőgépek hőmérsékletkülönbsége között. Ha azonban a Monthly Engine Reporterben a nagynyomású motorok teljesítményéről közzétett adatok tanulmányozása nem erősítette meg ezt az érvelést, akkor megérzése helyes volt.
Egy tökéletes motor ideális ciklusa
A második rész meghatározza a tökéletes motort és annak ideális működési ciklusát. Ehhez egy ideális gépet képzel el, amelyet általában Carnot-gépnek neveznek, és amely könnyedén képes a hőcserére felváltva egy meleg és egy hideg testtel (6. ábra). Tanulmányában a hőgépet szigorúan a lényegi elemeire redukálja:
Carnot megerősíti, hogy a motor által végzett munkát a hideg és a meleg test közötti hőmérsékletkülönbség határozza meg, nem pedig a ható anyag által átélt nyomáskülönbség. Úgy tűnik, hogy ezt a fontos gondolatot Clément és Desormes barátainak köszönheti.
Az ideális körforgásnak ez a feltétele: a hengerben működő anyag soha nem érintkezhet nála hidegebb vagy melegebb testtel, hogy ne legyen felesleges hőáramlás. Érdekes megjegyezni, hogy ez a feltétel megegyezik azokkal a feltételekkel, amelyeket apja a hidraulikus gépek maximális hatékonyságának meghatározásához megadott.
Minden hőmérsékletváltozást a munkadarab tágulásának vagy tömörülésének kell okoznia. A kezdetben nagy nyomásra összenyomott munkaanyag szabadon kitágul: tolja a dugattyút, és hőt von el a forró testből, amellyel a henger érintkezik (1. ábra). Ezután a hengert eltávolítjuk a forró testtől, és az anyag adiabatikusan tovább tágul, így hőmérséklete addig csökken, amíg el nem éri a hideg test hőmérsékletét (2. ábra). A ciklusnak ez a része megfelel James Watt gépének „tágulási” műveletének; de most a hideg test hőmérséklete és nem a kondenzátor nyomása jelzi a tágulás végét. Ezután a hengert a hideg testtel érintkezésbe hozzák, és a munkaanyagot összenyomják, a hőt „kiűzik” belőle (és a tömörítés folytatódik, így a munkaanyag adiabatikusan felmelegszik (4. ábra). A nettó eredmény csupán hőátadás volt a forró testből a hideg testbe, és külső munka keletkezése; a működő anyag visszatért eredeti állapotába, és nem veszett el hő.
A Carnot-ciklus megfordíthatósága
Sadi Carnot rámutat arra, hogy a ciklus pontosan megfordítható: a motor ellenkező irányban is működtethető, és a nettó eredmény ekkor a közvetlen irányban történő működéssel megegyező munkafogyasztás és ugyanannyi hőmennyiség átadása lenne, de ebben az esetben a hideg testből a meleg testbe. A ciklus megfordíthatósága azért lehetséges, mert a ciklus egyetlen pontján sincs felesleges hőáramlás. Ha lenne ilyen áramlás, a motor nem lenne megfordítható. A megfordítható motor az, amely a lehető legjobb hatásfokot biztosítja, és Carnot az örökmozgás lehetetlenségéből arra a következtetésre jutott, hogy a gőz legalább olyan kielégítő, mint bármely más hatóanyag. Amikor azt állította, hogy ez elméletileg igaz, az akkori mérnökök ezt a gyakorlatban tanultak absztrakt megerősítésének tekintették.
Alkalmazások a gázfizikában
A harmadik részben Sadi Carnot bemutatja, hogy a gázok fizikájára nézve alapvető jelentőséggel bír az a tény, hogy minden ideális hőmotor hatásfoka azonos, függetlenül attól, hogy milyen gázt vagy gőzt használnak. Carnot kimutatta, hogy minden gáz, amely állandó hőmérsékleten az egyik nyomásról és térfogatról egy másik nyomásra és térfogatra tágul vagy tömörül, azonos mennyiségű hőt vesz fel vagy ad le. A gázok fajhője, azaz az állandó nyomáson mért fajhő és az állandó térfogaton mért fajhő közötti összefüggéseket is le tudja vezetni. Egy lábjegyzetben, amelyet a korai kommentátorok figyelmen kívül hagytak, azt javasolja, hogy egy ideális hőmotor hatásfoka lehetne az abszolút hőmérsékleti skála alapja.
Léghajtóművek intuíciója
A könyv utolsó részében Sadi Carnot megjegyzi, hogy a nagynyomású gőzgépek fölénye megkérdőjelezhetetlen, mivel nagyobb hőmérséklet-csökkenést használnak ki, mint a kisnyomásúak. Carnot felismerte, hogy a víznek mint gőzforrásnak az a nagy előnye, hogy nagyon kis hőmérséklet-tartományban óriási mértékben tágul, lehetővé tette a korai gőzgép megvalósítását. Arra a figyelemre méltó következtetésre jut azonban, hogy ez az előny a vizet kevésbé teszi alkalmassá a jövő hőerőgépéhez. A 100 °C feletti nagyon kis hőmérséklet-emelkedésnél bekövetkező hatalmas nyomásnövekedés szinte lehetetlenné teszi a szénégetéstől a hideg víz kondenzációjáig terjedő teljes hőmérséklettartományban való működést.
Ennek eredményeként Sadi Carnot megjósolta, hogy a kenéssel és az égéssel kapcsolatos különböző technikai problémák megoldása után a leghatékonyabb motor valószínűleg a légmotor lesz.
A munka elfogadása
A munka kedvező fogadtatásra talált, többek között az Académie des Sciences-ben is, amelynek 1824. június 14-i ülésén Pierre-Simon Girard, egy tudományos folyóirat igazgatója bemutatta Carnot munkáját, amelyet július 26-án szóbeli, analitikus beszámolóval egészített ki kollégái előtt. Nyilvánvaló, hogy az Akadémiának emlékirat formájában történő bemutatása kétségtelenül nagyobb figyelmet keltett volna Sadi Carnot munkásságára a tudományos közösségben, és a Recueil des Savants étrangers-ben való publikálás természetes folytatás lett volna. Így sem az Institut de France által képviselt „nagy francia tudomány”, sem a híres École Polytechnique nem reagált igazán Carnot munkájának publikálására, mert nem ismerték fel teljesen annak jelentőségét. Carnot, akinek nyilvánvalóan nem volt érzéke a nyilvánossághoz, elmulasztott egy példányt elküldeni az École des mines és az École des ponts et chaussées könyvtárainak, megfosztva ezzel magát egy kiválasztott közönségtől, ahogyan nem küldött recenziót az Annales de chimie et de physique vagy az Annales des mines című folyóiratoknak sem. Meg kell jegyezni továbbá, hogy a korlátozott példányszám ellenére néhány eladatlan példányt vágatlanul találtak.
A mérnöki oldalról csak Pierre-Simon Girard akadémikus írt elismerő véleményt. Mire a Réflexions megjelent, a mérnökök már tapasztalatból megtanulták, hogy a gőz legalább annyira kielégítő, mint bármely más hatóanyag. Amikor Carnot azt állította, hogy ez elméletileg igaz, ezt nem tekintették többnek, mint egy absztrakt megerősítésnek.
A nagynyomású gőzgépek jobb hatásfokára vonatkozó magyarázatai a Monthly Engine Reporter című folyóiratban közzétett adatokon és a Humphrey Edwards által Franciaországban épített, nagynyomású expanzióval működő Woolf-motorok teljesítményén alapultak. Ez a teljesítmény azonban valószínűleg inkább a részletes finomítások összegének, mintsem valódi termodinamikai előnynek volt köszönhető. Sadi Carnot-nak tehát nem volt igaza, amikor alapvető elméleteinek alátámasztására a nagynyomású gőzgépek felsőbbrendűségére hivatkozott.
Nicolas Clément-Desormes kivételével, aki – amint az egy 1825. január 25-én tartott előadásából kiderül – a könyv elolvasását ajánlotta hallgatóinak, a fizikusokat és más tudósokat kétségtelenül összezavarták a gőzgép elvein alapuló alapvető fejtegetések.
Émile Clapeyron csak 1834-ben jelentetett meg egy cikket az École Polytechnique folyóiratában, amelyben bemutatta, hogyan lehet Sadi Carnot gondolatait matematikailag kifejezni, miközben hangsúlyozta magyarázó értéküket, és csak a Réflexions ugyanezen szerző általi, az ő megjegyzéseivel kiegészített újrakiadásával kezdett Sadi Carnot fokozatosan befolyást gyakorolni a tudományos közösségre.
A kérdés továbbra is fennáll: miért nem publikált semmit Sadi Carnot a Réflexions megjelenése és halála közötti nyolc év alatt? Bár több magyarázat is felvethető, a legvalószínűbb ok az, hogy már nem bízott elméleteiben, és képtelen volt új hőelméletet alkotni. Sadi Carnot a kalóriával az egyik legnehezebben leküzdhető ismeretelméleti akadállyal szembesült, amely Gaston Bachelard számára kedves volt: a szubsztancializmussal, azaz a fizikai tulajdonságok egyhangú, anyaggal való magyarázatával.
Előrelépéseinek igazolására részletes kísérleteket vázolt fel, amelyeket ma Benjamin Thompsonéhoz hasonlóan állandó entalpiának neveznénk. Thompsonnal ellentétben azonban ő a felhasznált anyagok változtatása mellett mérni akarta az elvégzett munkát és a termelt hőt. Ebben az értelemben nagy reményeket fűzött ahhoz, hogy megtalálja a hő állandó mechanikai egyenértékét, amely minden kísérletben azonos értékkel bír. Gázok és folyadékok felhasználásával végzett méréseket is tervezett a hő mechanikai egyenértékének kiszámításához.
Nehéz eldönteni, hogy képes lett volna-e kielégítően elvégezni ezeket a kísérleteket. A termodinamika története még mindig nem ért véget, mire az elmélethez eljutott, így aligha lehet alábecsülni a nehézségeket, amelyeket le kellett volna küzdenie.
Meg kellett volna győzni különösen a vegyészek nagy részét és mindazokat, akik az elektromossággal kapcsolatos kutatásokat folytattak: mindannyian mélyen ragaszkodtak a kalóriaelmélethez. Végül csak James Prescott Joule fogalmazta meg véglegesen a hő dinamikus elméletét. Hét év választotta el első publikációját (1843) Rudolf Clausius publikációjától, aki a hő dinamikus elméletét (Joule) összhangba hozta Sadi Carnot elméleteivel.
Végső soron sajnálatos, de sajnos valószínű, hogy Sadi Carnot abban a hitben halt meg, hogy kudarcot vallott, pedig valójában csak egy hatalmas és alapvető, összetett szerkezetű tudományágat, a termodinamikát alapította meg, amely összekapcsolja a fizikát, a kémiát, a biológiát és még a kozmológiát is.
Lazare Carnot munkásságának hatása fia munkásságára
A tudománytörténész számára számos kérdés merül fel a két mérnök munkái közötti kapcsolatra vonatkozóan:
A szintézis munkája
D.S.L. Cardwell szerint Sadi Carnot könyve, bár sokkal kevésbé ismert, mint Kopernikusz De revolutionibus orbium coelestium című műve, hasonló jelentőségű a modern tudomány történetében, mert egy teljesen új tudományág, a termodinamika alapjait fektette le.
Carnot munkájának mégis van egy eredeti dimenziója. Kopernikusz egy világosan meghatározott és elismert tudományágban dolgozott; támaszkodhatott a két évezred alatt felhalmozott elmélkedések és megfigyelések örökségére (az efemeridákra). Sadi Carnot-nak viszont különböző tudományos és műszaki tudományágakat kellett szintetizálnia. Ehhez ki kellett választania a vizsgálandó adatokat, elméleteket kellett alkotnia a még különálló hő- és mechanikai tudományokból, a teljes fejlődésben lévő technológiákból, mint a gőz, vagy a már kialakultabb, mint a hidraulika, de még szintén összefüggéstelen technológiákból merített fogalmakból, törvényekből és elvekből. Ráadásul 1824-ben egyedül ő látta szükségét ennek az új tudománynak, mind gyakorlati alkalmazásai, mind pedig alapvető okok miatt.
Karneváli forradalom
Általánosabb szempontból Sadi Carnot munkássága jelentette a kezdetét annak, amit Jacques Grinevald Carnot-forradalomnak nevez, és amely a fosszilis energia (szén, majd kőolaj) tömeges felhasználásával a hőiparos társadalomra való áttéréshez vezetett. Ettől kezdve a tűz ereje lehetővé tette egy új, motor köré épülő gép megjelenését, amely kettéágazást jelentett a szerszámok történetében. Lehetővé teszi az ember, az állat, a szokásos természeti elemek, mint a szél és a víz hajtóerejének kiűzését, hogy értelmet adjon az eleven lények régi kollektív ábrázolásának, Héphaisztosztól Hadaly elektromos szelleméig. Ugyanakkor a tűznek ez a hajtóereje a hálózatok és áramlások példátlan fejlődésével, valamint a berendezések földrajzi koncentrációjával, amely az erő delokalizációja révén válik lehetővé, meg fogja változtatni a technológia és a közvetlen földrajzi környezet közötti ősi kapcsolatot.
Értékelés és utóhatás
Sadi Carnot a leküzdhetetlennek tűnő akadályok ellenére felfedezte azt a két törvényt, amelyen az egész energiatudomány alapul. Intuíciójának kivételes erejét mutatja, hogy törvényeit akkor fogalmazta meg, amikor a tények száma még nem volt elegendő, pontosságuk pedig nyers volt, és különösen akkor, amikor a születőben lévő tudomány fejlődését az elpusztíthatatlan kalória téves elmélete hátráltatta.
Intuitívan úgy döntött, hogy a gőzgép hasonlít a régi vízimalomra, amely úgy termel energiát, hogy a vizet egy magas szintről egy alacsonyabb szintre csepegteti, hogy a kazán magas hőmérsékletéről a kondenzátor alacsonyabb hőmérsékletére hőt csepegteti. Úgy vélte, hogy ez a hőmérsékletkülönbség egyértelmű jelenség, de maga a hőcsökkenés sokkal kevésbé, és törvényében gondosan ügyelt arra, hogy a hőmérsékletcsökkenés játssza a főszerepet. Ma azt mondanánk, hogy kitalálta, hogy különbség van a hőt képző energia és a malomból vízként lezúduló hő között. Tudjuk, hogy könyve után 40 évbe telt, mire az entrópiát a hőmennyiségből a malomvíz egyenértékeként definiálták, és csodáljuk, hogy ezt a kényes problémát elkerülte, és végül a kalóriaelméletet utasította el először.
Munkássága egyetemes hatókörével valószínűleg egyedülálló a modern tudomány történetében, és ebben az értelemben Nicolas Léonard Sadi Carnot minden bizonnyal az egyik legátfogóbb és legeredetibb gondolkodó volt, akit civilizációnk valaha is kitermelt.
Egyesek számára ő marad „a tudománytörténet meteorja”, egy egyedülálló alak, akinek „egy papírlap, egy ceruzatoll és egy elme segítségével egy új tudomány alapjait megteremteni, egészen csodálatra méltó szellem”. „A nagy emberek halála ugyanannyi sajnálatot hagy maga után, mint új reményt.
1970-ben a Nemzetközi Csillagászati Unió a francia fizikusról Carnot-nak nevezte el a holdkrátert, majd később a Carnot (12289) aszteroidát.
Róla nevezték el a Carnot-módszert, amely egy exergiaelosztási eljárás a kapcsolt energiatermékek értékelésére és a hőtermelés fizikai értékének kiszámítására.
2006-ban Franciaországban létrehozták a Carnot-címkét, hogy a közkutatás és a társadalmi-gazdasági szereplők közötti kapcsolódási pontot fejlesszék az igényeikre reagálva: ez a dedikáció tiszteleg az előtt, amit Sadi Carnot egy nagyon is alkalmazott kérdés vizsgálatával az alapfizikába vitt.
Külső hivatkozások
Cikkforrások
